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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern von mehreren parallel
geschalteten PWM-getakteten Gleichstrommotoren gemäß Anspruch
1 sowie ein Verfahren zum Ansteuern von mehreren parallel geschalteten
PWM-getakteten Gleichstrommotoren gemäß Anspruch 9.
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Elektronisch
gesteuerte Gleichstrommotoren (DC-Motoren) werden zum Beispiel als
Antrieb von Kühlerlüftern im
Kfz eingesetzt. Bei einigen Fahrzeugen werden auch zwei Motoren
parallel geschaltet. Man spricht hierbei von Doppellüftern. 4 zeigt das
prinzipielle Blockschaltbild eines Doppellüfters. In 4 sind
zwei Elektromotoren M1 und M2 dargestellt, welche mit ihrem ersten
Anschluss mit einem Plus-Pol 10 einer Batterie verbunden
sind. Der erste Elektromotor M1 ist mit seinem zweiten Anschluss über einen
ersten und zweiten Anschluss 12 bzw. 14 eines
ersten Schalters, in diesem Fall eines MOS-Feldeffekt-Transistors
T1, mit einem Minus-Pol einer Batterie 16 verbunden. Der
Steueranschluss 18 des ersten MOS-Feldeffekt-Transistors T1 ist mit einem
Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller µC verbunden. Der zweite Elektromotors
M2 ist mit seinem zweiten Anschluss über einen ersten und zweiten
Anschluss 20 bzw. 22 eines zweiten Schalters,
in diesem Fall eines MOS-Feldeffekt-Transistors T2, mit einem Minus-Pol
der Batterie 16 verbunden. Der Steueranschluss 24 des
zweiten MOS-Feldeffekt-Transistors
T2 ist mit dem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller µC verbunden.
Beide Motoren sind weiterhin mit ihren zweiten Anschlüssen über die
Dioden D1 und D2 mit dem Plus-Pol 10 einer Batterie verbunden. Weiterhin
ist ein Zwischenkreiskondensator 26 zwischen den Plus-Pol 10 und
den Minus-Pol 16 der Batterie geschaltet. Die Aufgabe des
Zwischenkreiskondensators 26 besteht darin, eine Pufferung
der Leistungsversorgung bzw. Stromversorgung des ersten und zweiten
Elektromotors M1 und M2 durchzuführen,
so dass keine großen
Schwankungen auf den Versorgungsspannungsleitungen auftreten. Beide Motoren
werden PWM-getaktet, d.h. durch ein Taktsignal angesteuert, dessen
Pulsweite moduliert (PWM: Pulsweiten-Modulation) ist, um die Drehzahl des
Motors einstellen zu können.
Der Transistor T1 wird mit dem Signal PWM1 und der Transistor T2
mit dem Signal PWM2 angesteuert
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In 5 ist
die prinzipielle Funktionsweise der in 4 dargestellten
Schaltungsanordnung bei deren herkömmlichem Betrieb wiedergegeben.
In jedem der oberen beiden Teildiagrammen aus 5 ist der
Schaltzustand des ersten bzw. zweiten MOS-Feldeffekt-Transistors
T1 und T2 dargestellt. Das untere Teildiagramm aus 5 zeigt
die daraus resultierende Belastung – speziell die Ripplestrombelastung – des in 4 dargestellten
Zwischenkreiskondensators 26. Der in 5 dargestellte
Betrieb des ersten und zweiten Elektromotors M1 und M2 weist jedoch
den Nachteil auf, dass hierdurch der Zwischenkreiskondensator 26 stark
belastet wird, da die Stromabgabe und -aufnahme des Zwischenkreiskondensator
hoch sind und die Frequenz der Stromabgabe und -aufnahme klein ist.
Eine solche starke Belastung reduziert jedoch die Lebensdauer des
Zwischenkreiskondensators 26. Deshalb erfordert ein solcher
Betrieb die Verwendung eines qualitativ hochwertigen Kondensators.
Die Verwendung eines solchen qualitativ hochwertigen Kondensators
ist jedoch kostenintensiv.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung
zum Ansteuern von mehreren parallel geschalteten PWM-getakteten
Gleichstrommotoren sowie ein Verfahren zum Ansteuern von mehreren
parallel geschalteten PWM-getakteten Gleichstrommotoren zu schaffen,
bei denen die Belastung des Zwischenkreiskondensators verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Ansteuern von mehreren parallel
geschalteten PWM-getakteten Gleichstrommotoren mit den Merkmalen
nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Ansteuern von mehreren parallel
geschalteten PWM-getakteten Gleichstrommotoren mit den Merkmalen
nach Anspruch 9 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, mehrere
Elektromotoren derart ansteuern, dass die beiden Elektromotoren zeitversetzt
ein- bzw. ausgeschaltet werden. Durch ein solches zeitversetztes
Ein- bzw. Ausschalten der Elektromotoren kann die Belastung des
Zwischenkreiskondensators gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerungen verringert werden.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass sich die Lebensdauer des als Zwischen
kreiskondensator eingesetzten Kondensators erhöhen lässt, da dieser Kondensator
im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr einer hohen Belastung
ausgesetzt ist. Vielmehr wird durch das zeitversetzte Ein- und Ausschalten
der Elektromotoren die Belastungsfrequenz des Zwischenkreiskondensators
erhöht
und gleichzeitig hohe Belastungsspitzen (Ripplestromamplituden)
vermieden, da nicht alle Motoren gleichzeitig ein- und ausgeschaltet
werden, die gleichzeitig mit Strom versorgen werden müssten. Dadurch
kann die Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators erhöht werden.
Alternativ (oder zusätzlich)
kann bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Ansatzes auch ein Kondensator
mit niedrigerer Qualität
als Zwischenkreiskondensator eingesetzt werden. Die Verwendung von
solchen Kondensatoren wirkt sich kostenreduzierend aus.
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Die
Erfindung betrifft nun gemäß einer
Ausführungsform
eine Vorrichtung zum Ansteuern von mehreren parallel geschalteten
PWM-getakteten Gleichstrommotoren, die derart ausgebildet ist, dass sie
Ansteuersignale für
die Gleichstrommotoren erzeugt, die zeitlich zueinander versetzte
Takte aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung ferner zum Erzeugen
der Ansteuersignale derart ausgebildet, dass sich zumindest zwei
der zeitlich zueinander versetzten Signale nicht überlappen.
Dies bietet den Vorteil, dass zumindest zwei der PWM-getakteten Gleichstrommotoren
nicht zeitgleich eingeschaltet sind.
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Hierdurch
lässt sich
eine kurzzeitige hohe Belastung des Zwischenkreiskondensators vermeiden.
Vielmehr lässt
sich durch eine solche Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Erhöhung der Belastungsfrequenz
des Zwischenkreiskondensators bei einer insgesamt niedrigeren Amplitude
der Maximalbelastung erreichen.
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Die
Vorrichtung kann auch zum Ansteuern von drei Gleichstrommotoren
vorgesehen und ferner ausgebildet sein, dass sich drei der zeitlich
zueinander versetzten Signale nicht überlappen. Gegenüber einem
Schaltzustand stellt diese Ausführungsform
sicher, dass eine möglichst
hohe Belastungsfrequenz des Zwischenkreiskondensators erreicht wird,
da nun alle der drei Gleichstrommotoren zu unterschiedlichen Zeiten
eingeschaltet sind.
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Auch
kann gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung ferner zum Erzeugen der
Ansteuersignale derart ausgebildet sein, dass nach einem Takt für das Ansteuersignal
eines ersten Gleichstrommotors ein Takt für ein Ansteuersignal eines
weiteren Gleichstrommotors erst nach einer Pause erzeugt wird. Dies
ermöglicht,
dass sich der Zwischenkreiskondensator nach einer Entladung durch
das Einschalten des ersten Gleichstrommotors wieder aufladen kann
und somit für
das Einschalten des weiteren Gleichstrommotors wieder ein möglichst
großer
Strom von dem Zwischenkreiskondensator abgegeben werden kann.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung kann die Vorrichtung ferner zum Erzeugen der Ansteuersignale
derart ausgebildet sein, dass direkt im Anschluß an einen Takt für das Ansteuersignal
eines ersten Gleichstrommotors ein Takt für ein Ansteuersignal eines
weiteren Gleichstrommotors derart erzeugt wird, dass sich die Takte
nicht überlappen.
Dadurch kann die Belastung des Zwischenkreiskondensators minimiert
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die Vorrichtung auch zum Erzeugen der Ansteuersignale derart
ausgebildet sein, dass sich zumindest zwei der zeitlich zueinander
versetzten Signale überlappen. Dies
ermöglicht
auch einen eingeschalteten Zustand von zwei Gleichstrommotoren,
so dass bei einem parallelen gleichzeitigen Betrieb der beiden Motoren
im eingeschalteten Zustand eine hohe Leistung an die Verbraucher
abgegeben werden kann. Zugleich kann dabei jedoch sichergestellt
werden, dass durch das zeitverzögerte
Ein- und Ausschalten der Motoren der Zwischenkreiskondensator keine
so hohe Belastung wie im Stand der Technik erleidet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Vorrichtung ferner zum Erzeugen der Ansteuersignale derart
ausgebildet sein, dass während
einem Takt des Ansteuersignals eines ersten Gleichstrommotors ein
bestehender Takt zur Ansteuerung eines zweiten Gleichstrommotors
beendet und nach einer Pause ein neuer Takt zur Ansteuerung dieses
zweiten Gleichstrommotors erzeugt wird. Hierdurch kann wiederum
durch das Vorsehen einer Pause zwischen dem Taktende und einem darauf
folgenden Taktanfang für
das Ansteuersignal des weiteren Gleichstrommotors sichergestellt
werden, dass der Zwischenkreiskondensator in der Zeit zwischen dem Taktende
und dem Taktanfang wieder geladen wird. Somit steht für das erneute
Einschalten des zweiten Gleichstrommotors in dem Zwischenkreiskondensator
wieder eine hohe Energie zur Verfügung.
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Auch
kann gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern von
durch Gleichstrommotoren angetriebenen Kühlerlüftern in einem Kraftfahrzeug
vorgesehen sein, die eine Vorrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst. Hierdurch lassen sich insbesondere
die bei einem Doppellüfter
auftretenden Probleme einer hohen Belastung des Zwischenkreiskondensators
reduzieren.
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Zusätzlich zu
einer der vorstehend genannten Ausführungsformen kann auch ein
Verfahren zum Ansteuern von mehreren parallel geschalteten PWM-getakteten
Gleichstrommotoren vorgesehen sein, bei dem Ansteuersignale für die Gleichstrommotoren
erzeugt werden, die zeitlich zueinander versetzte Takte aufweisen.
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Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der
hinten angeführten
Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 ein
Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Diagramm einer Schaltungsanordnung zum Steuern von zwei Elektromotoren,
die durch einen Zwischenkreiskondensator gepuffert sind; und
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5 ein
Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß dem herkömmlichen
Betrieb der in 4 dargestellten Schaltungsanordnung.
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Im
Folgenden können
gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sein. Die im Folgenden angegebenen absoluten Werte und
Maßangaben
sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der
Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
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In 1 ist
ein Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wiedergeben. Hierbei wird wieder die
in 4 abgebildete Schaltungsanordnung zu Grunde gelegt,
wobei jedoch die Ansteuerung des ersten und zweiten Transistors
T1 und T2 nunmehr gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erfolgt. Die Transistoren T1 und T2 stellen
dabei lediglich Ausführungsbeispiele
von Schaltern dar; alternativ können
auch andere Arten von Schaltern eingesetzt werden. Die vorliegende
Erfindung wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel
durch eine Programmsteuerung in dem Mikrocontroller µC erreicht.
Analog zu der in 5 wiedergegebenen Darstellung
kennzeichnen die oberen beiden Teildiagramme aus 1 einen durchgeschalteten
Zustand bzw. einen gesperrten Zustand des ersten und zweiten Transistors
T1 und T2. Wie aus diesen beiden oberen Teildiagrammen aus 1 ersichtlich
ist, wird der erste Transistor T1 zum ersten Zeitpunkt t1 durchgeschaltet und zum zweiten Zeitpunkt
t2 wieder gesperrt. Der zweite Transistor
T2 wird zum dritten Zeitpunkt t3 durchgeschaltet
und zum vierten Zeitpunkt t4 wieder gesperrt. Da
der zweite Zeitpunkt t2 vor dem dritten
Zeitpunkt t3 liegt, resultiert eine Steuerung
der beiden Elektromotoren M1 und M2 derart, dass zuerst der erste
Elektromotor M1 eingeschaltet und wieder ausgeschaltet wird, woran
anschließend
nach einer Pause der zweite Elektromotor M2 eingeschaltet und wieder
ausgeschaltet wird. Dieser Schaltzyklus wird anschließend wiederholt Aus
dem unteren Teildiagramm der 1 ist die
Auswirkung eines solchen Schaltverhaltens auf die Belastung des
Zwischenkreiskondensators 26 ersichtlich. Entgegen der
im unteren Teildiagramm in 5 dargestellten
hohen, kurzzeitigen Ladung des Zwischenkreiskondensator 26,
was einer hohen Belastung des Zwischenkreiskondensators 26 entspricht,
kann durch das erfindungsgemäße Ansteuern
des ersten und zweiten Elektromotors M1 und M2 eine Erhöhung der
Belastungsfrequenz des Zwischenkreiskondensator 26 bei
gleichzeitiger Reduktion der Maximalbelastung erreicht werden. Hierbei
ist anzumerken, dass die Höhe
der Belastungskennlinie des unteren Teildiagrammes der 1 und 5 lediglich
aus Gründen
der graphischen Darstellung gewählt
wurde und keinen Hinweis auf eine tatsächliche Belastung des Zwischenkreiskondensators 26 gibt. Die
Zeitspanne zwischen mit dem Ausschalten des ersten Elektromotors
M1 zum Zeitpunkt t2 und dem Einschalten
des zweiten Elektromotors M2 zum Zeitpunkt t3 wird
dabei zur Wiederaufladung des Zwischenkreiskondensators 26 verwendet.
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In 2 ist
ein Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel
basiert auf der Verwendung eines dritten Elektromotors, der in 4 nicht
dargestellt ist. Analog wäre
der dritte Elektromotor ebenfalls parallel zu dem ersten und zweiten
Elektromotor M1 und M2 zu schalten, wobei dieser dritte Elektromotor
auch durch einen dritten Transistor, der von dem Mikrocontroller
gesteuert wird, ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. In 2 ist
das Schaltverhalten des (in 4 nicht
dargestellten) dritten Transistors durch das Teildiagramm mit der
Bezeichnung T3 dargestellt. Entsprechend dem in 1 dargestellten
Schaltverhalten kann auch gemäß dem weiteren
Ausführungsbeispiel
ein zeitversetztes Durchschalten oder Sperren des ersten und zweiten
Transistors T1 und T2 erfolgen. Zusätzlich kann der dritte Transistor
T3 zu einem fünften
Zeitpunkt t5 durchgeschaltet und zu einem
sechsten Zeitpunkt t6 wieder gesperrt werden.
Hierbei ist wieder ein zeitlicher Versatz zwischen dem Sperren des zweiten
Transistors T2 zum vierten Zeitpunkt t4 und dem Durchschalten
des dritten Transistors zum fünften
Zeitpunkt t5 zu erkennen. Ein derartiges
Schaltverhalten von drei Elektromotoren bewirkt dann eine nochmalige
Erhöhung
der Belastungsfrequenz des eingesetzten Zwischenkreiskondensators 26,
was aus dem unteren Teildiagramm aus 2 zu erkennen
ist. Eine Erhöhung
der maximalen Belastung des Zwischenkreiskondensators 26 wird
dabei wieder vermieden.
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3 zeigt
ein Schaltdiagramm zum Ein- und Ausschalten der Elektromotoren gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zur Steuerung von zwei Elektromotoren
wird wieder auf die in 4 dargestellte Schaltungsanordnung
zurückgegriffen.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ansteuerung
der beiden Elektromotoren M1 und M2 wird gemäß der in 3 dargestellten
Ansteuerung der erste Elektromotor M1 und der zweite Elektromotor
M2 mit einem höheren
Aussteuergrad betrieben. Hierbei bleibt der erste Elektromotor M1
eingeschaltet, während
der zweite Elektromotor M2 ausgeschaltet und wieder eingeschaltet wird.
Auch bleibt der zweite Elektromotor M2 eingeschaltet, während der
erste Elektromotor M1 ausgeschaltet und wieder eingeschaltet wird,
was aus den Schaltzustandsdiagrammen für den ersten und zweiten Transistor
T1 und T2 erkennbar ist. Hierbei bleibt die Belastung des Zwischenkreiskondensators 26 gegenüber dem
Stand der Technik gering, da wieder ein zeitgleiches Einschalten
oder Ausschalten des ersten und zweiten Elektromotors M1 und M2
vermieden wird.
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Zusammenfassend
ist zu nennen, dass es von Vorteil ist, dass, wenn zwei oder mehrere
Motoren parallel im Teillastbereich angesteuert werden (d.h. PWM-getaktet
werden), die Ansteuerung zeitversetzt durchgeführt wird. Auf diese Weise vervielfacht
(je nach Anzahl der Motoren) sich die Belastungsfrequenz der Zwischenkreis-Elkos.
Da Elkos bei höherer
Frequenz belastungsfähiger
sind, lässt sich
erstens ein Kostenvorteil durch Einsatz niederwertigerer Elkos oder
eine Erhöhung
der Lebensdauer bei Einsatz gleichwertiger Elkos erreichen.
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Im
Teillastbereich werden elektronisch angesteuerte Motoren für gewöhnlich PWM-getaktet.
Konventionell bei zeitgleichem Takten zweier Motoren würde die
Frequenz der Elkobelastung der Frequenz des PMW-Taktes entsprechen,
wie dies in 5 dargestellt ist. Wird jedoch
eine zeitversetzte Ansteuerung der einzelnen Motoren durchgeführt, lässt sich durch
Erhöhung
der Belastungsfrequenz eine Reduzierung der Rippelstrombelastung
der Zwischenkreiskondensatoren erreichen.
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- 10
- Plus-Pol
einer Batterie
- 12
- erster
Anschluss des ersten MOS-Feldeffekt-Transistors T1
- 14
- zweiter
Anschluss des ersten MOS-Feldeffekt-Transistors T1
- 16
- Minus-Pol
der Batterie
- 18
- Steueranschluss
des ersten MOS-Feldeffekt-Transistors T1
- 20
- erster
Anschluss des zweiten MOS-Feldeffekt-Transistors T2
- 22
- zweiter
Anschluss des zweiten MOS-Feldeffekt-Transistors T2
- 24
- Steueranschluss
des zweiten MOS-Feldeffekt-Transistors T2
- 26
- Zwischenkreiskondensator
- M1
- erster
Elektromotor
- M2
- zweiter
Elektromotor
- PWM1
- Ansteuersignal
des ersten MOS-Feldeffekt-Transistors T1
- PWM2
- Ansteuersignal
des zweiten MOS-Feldeffekt-Transistors T2
- T1
- erster
MOS-Feldeffekt-Transistor
- T2
- zweiter
MOS-Feldeffekt-Transistor
- D1
- Freilaufdiode
zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Elektromotors und dem
Plus-Pol der Batterie
- D2
- Freilaufdiode
zwischen dem zweiten Anschluss des zweiten Elektromotors und dem
Plus-Pol der Batterie
- µC
- Mikrocontroller