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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überstrom-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen des Auftretens eines Überstroms, indem eine Spannung zwischen Anschlüssen eines Halbleiterschalters, der betrieben wird, um zum Beispiel eine Gleichstrom-Lastschaltung ein- und auszuschalten, für den Vergleich mit einer Bezugsspannung erfasst wird.
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Zum Beispiel ist bei einer Laststeuerschaltung zum Steuern eines Fensterhebemotors in einem Fahrzeug ein Halbleiterschalter wie etwa ein FET zwischen einer Gleichstromversorgung und dem Motor vorgesehen, wobei der Halbleiterschalter ein- und ausgeschaltet werden kann, um den Motor zu betreiben und zu stoppen. Außerdem ist in einer derartigen Laststeuerschaltung eine Überstromerfassungsschaltung vorgesehen, um einen Überstrom wie etwa einen Kurzschlussstrom zu erfassen, wenn der Überstrom in eine Last oder einen Kabelbaum fließt. Wenn ein Überstrom erfasst wird, wird der geschaltete Halbleiterschalter unmittelbar unterbrochen, um die gesamte Schaltung einschließlich des Halbleiterschalters zu schützen (siehe z. B.
JP 2002 353794 A ).
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Druckschrift
JP 2002 353794 A beschreibt eine Überstrom-Erfassungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Dokument
DE 197 46 682 A1 beschreibt eine Energieversorgungseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug, zur Bereitstellung von Energie von einer Energiequelle über einen Kabelbaum an eine Mehrzahl von Verbrauchern. En intelligenter Halbleiterschalter mit mehreren Schutzfunktionen, einschließlich einer Überstromerkennung, ist vorgesehen.
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Druckschrift
EP 0 860 946 A2 betrifft einen Schaltkreis für einen Schalter mit einer Überstromerkennungsfunktion. Energie wird über einen Halbleiterschalter einem Verbraucher zugeführt. Der dem Verbraucher zugeführte Strom wird durch Messen eines Spannungsabfalls zwischen den Polen eines Widerstandes, der zwischen dem Halbleiterschalter und dem Verbraucher angeordnet ist, erkannt. Im Falle eines Überstroms wird der Halbleiterschalter so angesteuert, dass der Stromfluss unterbrochen wird.
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Druckschrift
EP 0 968 871 A2 beschreibt eine Steuervorrichtung für die Energiezufuhr in einem Fahrzeug. Verschiedene Ausführungsformen von Schaltkreisen für Schalter auf Halbleiterbasis, einschließlich Überstromerkennung, werden beschrieben.
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US 5926010 A beschreibt eine Überstromunterbrecherschaltung mit einem Halbleiterschalter und einem Stromerkennungsschaltkreis. Ein über einen Halbleiterschalter einem Verbraucher zugeführter Strom wird gemessen, indem ein Spannungsabfall zwischen Anschlüssen eines zwischen dem Halbleiterschalter und dem Verbraucher angeordneten Widerstands überwacht wird. Die Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen.
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Druckschrift
DE 699 05 044 T2 betrifft einen Stromdetektor, der durch ein Stromteilerelement mit einer vierfachgeschichteten Leiterplatte gebildet wird. Der Stromdetektor ist insbesondere zur Shuntierung eines Energiemessgeräts angepasst.
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2 ist ein Schaltdiagramm, das die Konfiguration einer herkömmlichen Laststeuerschaltung zeigt. Wie in der Fig. gezeigt, umfasst eine Laststeuerschaltung eine Gleichstromversorgung VB, eine Last 101 wie etwa einen Motor und einen Schalt-FET (T101), wobei ein positiver Anschluss der Gleichstromversorgung VB und ein Drain des FET (T101) miteinander verbunden sind, wobei eine Source des FET (T101) und ein Ende der Last 101 miteinander verbunden sind und wobei das andere Ende der Last 101 und ein negativer Anschluss der Gleichstromversorgung geerdet sind.
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Außerdem ist der Drain (Spannung V1) des FET (T101) über eine Reihenschaltung der Widerstände R101, R102 geerdet. Weiterhin ist ein Verbindungspunkt (Spannung V3) zwischen den Widerständen R101 und R102 mit einem negativen Eingangsanschluss eines Komparators CMP101 verbunden.
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Weiterhin ist die Source (Spannung V2) des FET (T101) mit einem positiven Eingangsanschluss des Komparators CMP 101 verbunden. Außerdem ist eine Ansteuerschaltung 102 vorgesehen, um das Ein- und Ausschalten des FET (T101) zu steuern, wobei ein Ausgangsanschluss der Ansteuerschaltung 102 über einen Widerstand 103 mit einem Gate des FET (T101) verbunden ist.
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Wenn dabei angenommen wird, dass Ron ein Ein-Widerstand des FET (T101) ist und ID ein Drainstrom ist, dann kann die Spannung VDS zwischen der Source und dem Drain des FET (T101) durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden. VDS = V1 – V2 = Ron·ID (1)
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Wenn dann ein Überstrom zu der Last 101 fließt und ID in einen Überstromzustand versetzt wird, erhöht sich die Spannung VDS, sodass (V1 – V2) > (V1 – V3) ist und ein Ausgangssignal des Komparators CPM 101 das Vorzeichen wechselt, wodurch ein Überstrom in einer Schaltung in einer folgenden Stufe (nicht gezeigt) erfasst wird und eine Spannung mit niedrigem Pegel von der Ansteuerschaltung 102 zu dem Gate des FET (T101) ausgegeben wird. Weil dabei der FET (T101) ausgeschaltet wird, kann die Schaltung vor dem Überstrom geschützt werden.
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Wenn dabei angenommen wird, dass IOVC ein als Überstrom erfasster Wert von ID ist und Voff eine Offsetspannung des Komparators CMP101 ist, dann wird die folgende Gleichung (2) erhalten. V1 – V3 = Ron·IOVC +/– Voff (2) wobei „+/–” bedeutet, dass Voff zu Ron·LOVC addiert oder davon subtrahiert wird.
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Die folgende Gleichung (3) wird aus der vorstehenden Gleichung (2) erhalten. IOVC = {(V1 – V3)/Ron} +/– (Voff/Ron) (3)
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Wenn keine Offsetspannung Voff in dem Komparator CMP101 vorhanden ist (Voff = 0), dann wird der Überstromerfassungswert IOVC ein konstanter Wert, der durch die Spannung V3 und den Widerstand Ron des FET (T101) bestimmt wird. Wenn jedoch eine Offsetspannung Voff in dem Komparator CMP101 vorhanden ist, variiert der Überstromerfassungswert IOVC, wobei die Variationsgröße zu +/–Voff/Ron wird. Wenn nämlich die Offsetspannung Voff gleich bleibt, gilt Folgendes: je kleiner der Ein-Widerstand Ron wird, desto starker variiert der Überstromerfassungswert IOVC.
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Das Ausmaß bzw. die Breite der Variation der Offsetspannung (+/–Voff) des Komparators CMP101 hängt von dem Herstellungsprozess der ICs ab, wobei bei einem normalen IC eine Variationsbreite in der Größenordnung von +/–10 [mV] gegeben ist.
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Wie oben beschrieben, ist die Offsetspannung Voff des Komparators CMP101 eine Ursache für die Variation in dem Überstromerfassungswert und verursacht das Problem, dass die Genauigkeit des Überstromerfassungswerts beeinträchtigt wird. Wenn weiterhin eine zunehmende Tendenz zu einer zukünftigen Reduktion des Ein-Widerstands Ron des FET besteht, erhöht sich der Effekt der Offsetspannung weiter und wird die Genauigkeit weiter reduziert. Um dem entgegenzuwirken, besteht ein verstärkter Bedarf für Maßnahmen zum Reduzieren des Effekts der Offsetspannung des Komparators CMP101.
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Die Erfindung bezweckt, das im Stand der Technik gegebene Problem zu lösen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Überstromerfassungsvorrichtung anzugeben, die den Effekt der Offsetspannung Voff des Komparators CMP101 reduzieren kann, damit auch dann eine sehr genaue Überstromerfassung durchgeführt werden kann, wenn der Ein-Widerstand Ron klein ist.
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Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Überstromerfassungsvorrichtung zum Erfassen des Auftretens eines Überstroms in einer Lastschaltung mit einer Gleichstromversorgung und einer Last angegeben, die umfasst: eine Leiterplatte, die zwischen der Gleichstromversorgung und der Last vorgesehen ist, wobei die Leiterplatte wiederum einen Halbleiterschalter, der zwischen der Gleichstromversorgung und der Last vorgesehen ist, um ein- und ausgeschaltet zu werden, und ein Metallfolienmuster umfasst, das zwischen dem Halbleiterschalter und einem Verbindungspunkt zu der Last vorgesehen ist; eine Ansteuerschaltung, die das Ansteuern des Halbleiterschalters steuert; und einen Komparator, der eine durch das Dividieren der Spannung der Gleichstromversorgung erhaltene Bezugsspannung mit einer Überstrombestimmungsspannung vergleicht, die durch das Addieren einer Anschlussspannung des Halbleiterschalters mit einer in dem Metallfolienmuster erzeugten Spannung erhalten wird; wobei die Ansteuerschaltung den Halbleiterschalter ausschaltet, wenn der Komparator bestimmt, dass die Überstrombestimmungsspannung die Bezugsspannung überschreitet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Überstromerfassungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung angegeben, wobei die Ansteuerschaltung und der Komparator auf der Leiterplatte installiert sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine Überstromerfassungsvorrichtung nach dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung angegeben wobei das Metallfolienmuster eine streifenförmige Kupferfolie ist.
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Weil gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Spannung, die aus dem Addieren der an beiden Enden des Halbleiterschalters erzeugten Spannung VDS zu der in dem Widerstand Rp des Metallfolienmusters erzeugten Spannung erhalten wird, als Überstrombestimmungsspannung für den Vergleich mit der Bezugsspannung eingegeben wird, kann der Effekt der Offsetspannung in dem Komparator reduziert werden, wodurch die Variation in dem einen Überstrom bestimmenden Stromwert reduziert werden kann. Und wenn ein vorbestimmter Überstrom in die Last fließt, kann der Überstrom unmittelbar erfasst werden, um die Schaltung unmittelbar zu unterbrechen und dadurch den Halbleiterschalter und die Lastschaltung zu schützen.
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Weil gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Ansteuerschaltung und der Komparator auf der Leiterplatte installiert sind, kann die Schaltungskonfiguration klein ausgebildet werden, wodurch Raum gespart werden kann.
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Weil gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung das Metallfolienmuster mit streifenförmig ausgebildet wird, kann der gewünschte Widerstandswert (Rp) einfach gewählt werden.
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1 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Überstromerfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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2 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer herkömmlichen Überstromerfassungsvorrichtung zeigt.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung auf der Basis der beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Überstromerfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie in der Figur gezeigt, ist diese Überstromerfassungsvorrichtung auf einer Leiterplatte 2 ausgebildet, die zwischen einer Gleichstromversorgung VB und einer Last 1 vorgesehen ist.
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Die Gleichstromversorgung VB und die Leiterplatte 2 sind über einen Stecker J1 miteinander verbunden, und die Last 1 und die Leiterplatte 2 sind über einen Stecker J2 miteinander verbunden. Ein Punkt P1 (Spannung V1) des Steckers J1 ist mit einem Drain eines Schalt-FET (T1: Halbleiterschalter) verbunden, und eine Source des FET (T1) ist über ein Kupferfolienmuster (ein Metallfolienmuster) 4 mit dem Stecker J2 verbunden. Außerdem ist ein Gate des FET (T1) über einen Widerstand R3 mit einer Ansteuerschaltung 3 verbunden, wobei der FET (T1) durch ein Steuersignal aus der Ansteuerschaltung 3 ein- und ausgeschaltet wird.
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Weiterhin ist der Punkt P1 über eine Reihenschaltung aus Widerständen R1 und R2 geerdet, während ein Verbindungspunkt P3 zwischen den Widerständen R1, R2 mit einem negativen Eingangsanschluss eines Komparators CMP1 verbunden ist.
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Außerdem ist ein vorbestimmter Punkt P2 des Kupferfolienmusters 4 mit einem positiven Eingangsanschluss des Komparators CMP1 verbunden. Das Kupferfolienmuster 4 weist einen Widerstand Rp auf.
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Im Folgenden wird die Funktion der Überstromerfassungsvorrichtung mit der vorstehenden Konfiguration gemäß der Ausführungsform beschrieben.
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Wenn ein Ansteuersignal von der Ansteuerschaltung 3 zu dem Gate des FET (T1) ausgegeben wird, wird der FET (T1) eingeschaltet, sodass ein Strom ID von der Gleichstromversorgung VB über den FET (T1) fließen kann, um die Last 1 anzutreiben. Weil dabei eine an dem Punkt P1 erzeugte Spannung V1 an der Reihenschaltung der Widerstände R1 und R2 angelegt wird, wird die Spannung V3 des Verbindungspunkts P3 zwischen den Widerständen R1 und R2 zu einer Spannung V3, die durch das Dividieren der Spannung V1 durch die Widerstände R1, R2 erhalten wird. Die Spannung V3 wird wie durch die folgenden Gleichung (4) erhalten. V3 = (V1·V2)/(R1 + R2) (4)
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Dann wird diese Spannung V3 in den negativen Eingangsanschluss des Komparators CMP1 eingegeben.
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Weiterhin wird eine Zwischenanschlussspannung VDS zwischen dem Drain und der Source des FET (T1) erzeugt, weil der Strom ID in den FET (T1) fließt. Wenn man annimmt, dass Ron der Widerstand des FET (T1) ist, kann die Spannung VDS durch die weiter oben genannte Gleichung (1) ausgedrückt werden. VDS = Ron·ID (1)
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Außerdem wird ein durch (ID·Rp) ausgedrückter Spannungsabfall zwischen der Source des FET (T1) und dem Punkt P2 erzeugt, weil der Strom ID durch das Kupfermuster 4 fließt. Folglich wird der Gesamtspannungsabfall von dem Punkt P1 zu dem Punkt P2 (V1 – V2; Überstrombestimmungsspannung) durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt. V1 – V2 = (Ron + Rp)·ID (5)
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Dann wird die Spannung V2 zu dem positiven Eingangsanschluss des Komparators CMP1 zugeführt. Normalerweise (d. h. wenn kein Überstrom erzeugt wird) ist die Beziehung zwischen dem Spannungsabfall und einer Bezugsspannung (V1 – V3) derart beschaffen, dass (V1 – V2) < (V1 – V3) gilt. Wenn dagegen ein Überstrom erzeugt wird, erhöhen sich der Strom ID und die Spannung (V1 – V2) in der Gleichung (5), woraus (V1 – V2) > (V1 – V3) resultiert. Das heißt, die Überstrombestimmungsspannung überschreitet in diesem Fall die Bezugsspannung, wodurch das Ausgabesignal des Komparators CMP1 das Vorzeichen wechselt, sodass ein Überstromzustand bestimmt werden kann.
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Wenn man annimmt, dass der Strom ID bei einem Wechsel des Vorzeichens des Ausgabesignals gleich IOVC ist und die Offsetspannung des Komparators CMP1 gleich Voff ist, wird die folgende Gleichung (6) gebildet. V1 – V3 = (Ron + Rp)IOVC +/– Voff (6)
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Durch eine Modifikation dieser Gleichung wird die Gleichung (7) erhalten. IOVC = (V1 – V3)/(Ron + Rp) +/– Voff/(Ron + Rp) (7)
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Dabei ist die weiter oben genannte Gleichung (3) wie folgt. IOVC = {(V1 – V3)/Ron} +/– (Voff/Ron) (3)
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Wenn man die Gleichung (7) mit der Gleichung (3) vergleicht, ist in der Gleichung (3) der zweite Term des rechten Glieds (Voff/Ron), während er in der Gleichung (7) Voff/(Ron + Rp) ist, woraus sich ergibt, dass der Effekt von Voff in der Gleichung (7) kleiner als in der Gleichung (3) ist, weil Rp zu dem Nenner hinzugefügt ist. Wie in 1 gezeigt, kann der Effekt der Offsetspannung Voff in dem Komparator CMP1 reduziert werden, indem der Widerstand RP des Kupferfolienmusters 4 zwischen der Source des FET (T1) und dem Punkt P2 vorgesehen wird.
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Dabei wird die Größe des Widerstands Rp wie folgt gesetzt. Das Muster der den Widerstand Rp bildenden Kupferfolie 4 ist zum Beispiel 3 mm breit, 70 μm hoch und 50 mm lang. Weil außerdem der Widerstand eines Kupferdrahts mit einer Querschnittfläche von 1 mm2 und einer Länge von 1 m bekanntermaßen gleich 20,2 mΩ ist, nimmt der Widerstand Rp wie durch die folgende Gleichung (8) angegeben einen Wert von 4,8 mΩ an. Rp = 20,2·1/(3·0,07)·50/1000 = 4,8 mΩ
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Weil außerdem der Widerstand eines normal verwendeten Widerstands Ron in der Größenordnung von 5 mΩ liegt, kann der Effekt der Variation aufgrund der Offsetspannung Voff des Komparators CMP1 um die Hälfte reduziert werden, indem eine durch den Widerstand Rp abgefallene Spannung zu der Spannung zwischen dem Drain und der Source des FET (T1) für einen Vergleich mit dem Überstrombestimmungswert (V1 – V3) addiert wird.
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Weiterhin ist das Kupferfolienmuster 4 ein wesentlicher Bestandteil zur Ausbildung eines Schaltungspfads zu der Leiterplatte 2 und stellt eine Negativquelle dar, die eine Joule-Wärme erzeugt. In dieser Ausführungsform wird eine derartige Negativquelle effektiv genutzt, indem das Kupferfolienmuster 4 verwendet wird, das wie oben beschrieben als Negativquelle in dem Überstromerfassungssensor funktioniert.
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Weil in der Überstromerfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung die an dem gewünschten Punkt P2 des mit der Source des FET (T1) verbundenen Kupferfolienmusters 4 erzeugte Spannung V2 zu dem positiven Eingangsanschluss des Komparators CMP1 geführt wird, kann der Effekt der Offsetspannung Voff des Komparators CMP1 aufgrund des Vorhandenseins des Widerstands Rp auf dem Kupferfolienmuster 4 reduziert werden. Folglich kann die Variation des Überstrombestimmungswerts, die durch den Komparator CMP1 verursacht wird, reduziert werden, um eine Bestimmungsspannung für das Auftreten eines Überstroms mit hoher Geschwindigkeit zu setzen.
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Die Oberstromerfassungsvorrichtung der Erfindung wurde auf der Basis der gezeigten Ausführungsform beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und die Konfiguration der Komponenten durch eine beliebige Konfiguration mit einer ähnlichen Funktion ersetzt werden kann.
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Zum Beispiel wird bei der beschriebenen Ausführungsform der Effekt der Offsetspannung Voff unter Verwendung des Widerstands Rp in dem streifenförmigen Kupferfolienmuster 4 zwischen der Source des FET (T1) und dem Stecker J2 reduziert, wobei die Erfindung jedoch nicht auf ein streifenförmiges Kupferfolienmuster 4 beschränkt ist, sondern statt dessen beliebige andere Formen verwendet werden können, um denselben Effekt zu erhalten.
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Weiterhin sind in der beschriebenen Ausführungsform die Ansteuerschaltung 3 und der Komparator CMP1 auf der Leiterplatte 2 installiert, wobei jedoch auch eine Konfiguration verwendet werden kann, bei der die relevanten Komponenten nicht auf der Leiterplatte 2 installiert sind.
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Die Erfindung ist extrem nützlich, um die Erzeugung eines Überstroms mit großer Genauigkeit zu erfassen.