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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ansteuerelektronik für ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, das zum Betrieb einer hydrostatischen Verdrängereinheit vorgesehen ist. Bei einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Verdrängereinheit kann es sich beispielsweise um eine Hydromaschine handeln.
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Derartige ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der
EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise, die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förder- bzw. Schluckvolumen über die Ventilansteuerung stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein niederdruckseitiges Ventil und ein hochdruckseitiges Ventil mit einem Druckmittelzulauf oder einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
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Aus dem vorstehend erläuterten Aufbau solcher Hydromaschinen wird deutlich, dass zu ihrer Ansteuerung eine Vielzahl von elektromagnetisch betätigten Ventilen benötigt wird. Um eine möglichst gleichmäßige Ansteuerung dieser Vielzahl von Ventilen zu gewährleisten, was für einen sauberen Lauf der Hydromaschine unumgänglich ist, werden hohe Anforderungen an die elektromagnetisch betätigten Ventile und ihre Ansteuerelektronik gestellt. Die hierfür erforderliche, hochgenaue zeitliche Abstimmung der Ansteuerung der einzelnen Ventile kann aber nur erreicht werden, wenn die Einschaltgeschwindigkeit der Ventile möglichst hoch bzw. ihre Einschaltverzögerung möglichst gering ist. Auch das Ausschalten der Ventile sollte so schnell wie möglich vor sich gehen.
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Die Einschaltgeschwindigkeit eines elektromagnetischen Ventils ist jedoch auf einen Wert begrenzt, der sich aus der Ansteuerspannung in Verbindung mit den elektrischen Parametern der Spule des Ventils ergibt, also ihrem induktiven Widerstand L und ihrem ohmschen Widerstand R, wobei die Schaltgeschwindigkeit umso höher ist, je kleiner der Faktor L/R ist. In ähnlicher Weise ist die Ausschaltgeschwindigkeit des Ventils in erster Linie durch diese elektrischen Parameter begrenzt, und zwar selbst dann, wenn das Ausschalten der Ventile durch Umpolung erfolgt.
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Die Schaltgeschwindigkeit kann somit im Prinzip durch eine konstruktive Änderung der Spule des Ventils erhöht werden, indem der Faktor L/R verringert wird („schnellere“ Spule). In der Praxis ist eine solche konstruktive Änderung der Spule aber aus vielerlei Gründen oftmals nicht möglich, so dass sie als Mittel zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit in der Regel ausscheidet.
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In der
WO 01/61156 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Magnetventilen beschrieben, die zur nockenwellenfreien Betätigung der Gaswechsel-Ventile einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Eine mit derartigen Gaswechsel-Ventilen ausgerüstete Brennkraftmaschine kann normalerweise nur dann stabil betrieben werden, wenn die Ansteuerung der Magnetventile durch eine Regelung erfolgt. Aufgrund der Vielzahl von Ventilen - bei modernen 4-Zylinder-Motoren werden bereits 32 Ventile benötigt - ist eine solche Regelung aber mit einem sehr hohen Schaltungsaufwand verbunden, zumal auch entsprechend viele Sensoren für die Rückkopplung der Regelungsparameter benötigt werden.
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In der
WO 01/61156 A1 wird vorgeschlagen, diesen hohen Schaltungsaufwand zu verringern, indem zwei stabilisierte Spannungen bereit gestellt werden, wobei die erste Spannung, die wesentlich höher als die Bordspannung des Fahrzeugs ist, während der Anzugsphase des Magnetventils angelegt wird, während die zweite, deutlich niedrigere Spannung während der Haltephase des Magnetventils angelegt wird. Diese Art der Ansteuerung beruht auf der Erkenntnis, dass die regelungstechnisch ohnehin schwer beherrschbare Anzugsphase des Ventils durch die erhöhte erste Spannung kürzer wird.
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In
EP 1 298 305 A2 und
US 5 422 780 A werden ebenfalls Ansteuerschaltungen vorgeschlagen, die eine hohe Spannung an eine Spule des Ventils anlegen, um das Ventil zu öffnen. Nachdem das Ventil geöffnet ist, wird eine zweite Spannung, die kleiner als die Spannung zum Öffnen des Ventils ist, an die Spule des Ventils angelegt, um das Ventil offen zu halten.
US 5 103 932 A schlägt zudem vor, dass der zweite Spannungswert der Betriebsspannung der Ansteuerschaltung entspricht.
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Würde man dieses bekannte Ansteuerungsprinzip auch bei der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik, nämlich zum Betrieb einer Hydromaschine, verwenden, so könnte dadurch in der Tat das eingangs diskutierte Problem gelöst werden, die Einschaltgeschwindigkeit des Magnetventils zu erhöhen, ohne die elektrischen Parameter seiner Spule ändern zu müssen. Ein weiteres Problem beim Betrieb von Hydromaschinen liegt jedoch darin, dass deren einzelne Kammern in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsart sehr ungleichmäßig angesteuert werden müssen, so dass einzelne Magnetventile sehr lange geöffnet oder geschlossen sind, während andere zur gleichen Zeit eine deutlich höhere Schaltfrequenz aufweisen.
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Die elektronische Stabilisierung der beiden Spannungen müsste jedoch so ausgelegt sein, dass auch bei gleichzeitiger Ansteuerung aller Magnetventile kein Spannungseinbruch auftritt. Die Dimensionierung der Stabilisierungsschaltungen muss daher so gewählt werden, dass sie auch beim Betriebszustand der gleichzeitigen Ansteuerung aller Magnetventile eine stabile Spannung liefern. Der Gesamt-Wirkungsgrad der Ansteuerelektronik wird hierdurch verringert und die Wärmeentwicklung in ihr erhöht sich entsprechend. Insbesondere ist die erste Spannung dauerhaft vorhanden. Da der prozentuale zeitliche Anteil dieses Betriebszustands in der Praxis aber relativ gering ist, würden die Stabilisierungsschaltungen überwiegend in einem Bereich kleiner Belastung arbeiten, wo ihre Energieeffizienz erfahrungsgemäß gering ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Ansteuerelektronik für ein elektromagnetisch betätigtes Ventil für eine hydrostatische Verdrängereinheit, wie insbesondere eine Hydromaschine, so weiterzubilden, dass die Schaltgeschwindigkeit der Magnetventile unter Beibehaltung der konstruktiven Freiheit der Magnetventile und bei gleichzeitiger Erzielung eines hohen Wirkungsgrads verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung sieht somit in Übereinstimmung mit der bekannten Lehre vor, die Anzugsphase des Magnetventils durch Anlegen einer Spannung, die höher als die eigentliche Betriebsspannung der Elektronik ist, zu verkürzen. In Abkehr von der Lehre dieser Druckschrift schlägt die vorliegende Erfindung jedoch vor, die erhöhte Spannung durch eine Boosterschaltung bereit zu stellen, die im Ansprechen auf ein entsprechendes Ansteuersignal einen Zwischenspeicher auf die erhöhte Spannung auflädt. Eine Verwendung einer Boosterschaltung zum Anlegen einer erhöhten Spannung an eine Spule eines Ventils wird beispielsweise in
EP 0 049 183 A1 und
EP 2 015 183 A1 offenbart. Da die Speicherkapazität des Zwischenspeichers gemäß der Lehre des Anspruchs 2 vorzugsweise so bemessen wird, dass die erhöhte Spannung lediglich mindestens für die Zeitdauer der Anzugsphase zur Verfügung steht, ist der Energieverbrauch der Boosterschaltung sehr gering, insbesondere auch in dem vorstehend erläuterten Betriebszustand, dass einzelne Magnetventile sehr lange geöffnet oder geschlossen sind. Mit der Erfindung kann somit eine deutliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit der Magnetventile erreicht werden, ohne gleichzeitig den Energieverbrauch nennenswert zu erhöhen, so dass der Gesamtwirkungsgrad einer mit der Ansteuerelektronik betriebenen Hydromaschine sehr gut bleibt.
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Die Erfindung zeichnet sich somit nicht nur durch eine schnelle und genau steuerbare Anzugsphase aus, sondern auch durch eine hohe Energieeffizienz und eine entsprechend geringe Wärmeentwicklung in der Ansteuerelektronik.
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Um sicherzustellen, dass die erhöhte Spannung für die Anzugsphase stets zur Verfügung steht, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Ansteuersignal zum Aktivieren der Boosterschaltung nach dem Einschalten der Ansteuerelektronik und nach Beendigung jeder Anzugsphase erzeugt wird. Weiterhin kann es von Vorteil sein, das Ansteuersignal zum Aktivieren der Boosterschaltung zusätzlich immer dann zu erzeugen, wenn die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
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Der Wirkungsgrad kann dadurch weiter verbessert werden, dass der beim Ausschalten des Ventils in dessen Spule fließende Strom über eine Schalteinrichtung, vorzugsweise in Form einer Diode, in den vorzugsweise als Kondensator ausgebildeten Zwischenspeicher der Boosterschaltung zurückgeleitet und dort gespeichert wird. Diese Maßnahme hat den zusätzlichen Vorteil, dass auch das Ausschalten des Magnetventils aufgrund der erhöhten Abschaltspannung schneller erfolgt.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisiertes Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerelektronik; und
- 2 ein Kennlinien-Diagramm der jeweiligen Sprungantwort der Spule eines für die Erfindung verwendeten Magnetventils bei zwei verschiedenen Spannungen.
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Im Folgenden wird zunächst anhand von 1 der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Ansteuerelektronik, die schematisch mit AE bezeichnet ist, erläutert. Dieses schematische Schaltbild zeigt lediglich denjenigen Schältungsteil, der für die Ansteuerung eines einzigen Magnetventils vorgesehen ist; in der Praxis sind für den Betrieb einer Hydromaschine eine Vielzahl dieser Schaltungsteile erforderlich, wobei diese mehreren Schaltungsteile zusammen mit der übergeordneten Steuerungseinheit, welche die in 1 gezeigten äußeren Ansteuersignale bereitstellt, vorzugsweise in Form eines einzigen elektronischen Moduls ausgeführt werden.
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Gemäß 1 steuert die Ansteuerelektronik AE die Spule L eines (nicht näher gezeigten) Magnetventils an; die Spule L hat einen induktiven Widerstand (Induktanz) mit dem Wert L und einen ohmschen Widerstand mit dem Wert R. Bei einer in der Praxis verwendeten Spule hat L den Wert 8 mH und R den Wert 2,3 Ohm; in diesem Fall ergeben sich die in 2 gezeigten Sprungantworten beim Anlegen einer Eingangsspannung von 24 V bzw. einer Eingangsspannung von 70 V. Aus dem Vergleich dieser beiden Kennlinien wird ersichtlich, dass die höhere Spannung von 70 V einen wesentlich schnelleren und stärkeren Anstieg des Stroms durch die Spule zur Folge hat; demgemäß schaltet das Magnetventil bei der erhöhten Spannung entsprechend schneller.
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Die Spule L ist an ihrem masseseitigen Ende über einen Messwiderstand R und einen Feldeffekttransistor T5, der mittels eines externen Ansteuersignals G3 über eine Gate-Ansteuerschaltung GT2 ein- und ausgeschaltet wird, mit Masse verbunden. Ein Differenzverstärker DV erfasst den über dem Messwiderstand R anliegenden Spannungsabfall und führt den entsprechenden Messwert, der zusätzlich als Signal ADC nach außen geleitet wird, einem Regelungsverstärker RS zu, der unter Berücksichtigung eines externen Sollwertsignals G2 zwei Feldeffekttransistoren T3 und T4 so ansteuert, dass die über eine Diode D1 dem versorgungsspannungsseitigen Ende der Spule L zugeführte Spannung dem gewünschten Sollwert entspricht. Der Regelungsverstärker RS bildet daher zusammen mit den Feldeffekttransistoren T3 und T4, der Diode D1, dem Messwiderstand R und dem Differenzverstärker DV eine (zweite) Schalteinrichtung, die der Spule L eine etwa der Betriebs- oder Versorgungsspannung der Ansteuerelektronik AE entsprechende Spannung zuführt. Diese Betriebsspannung beträgt im Ausführungsbeispiel 24 V und versorgt die Spule L während der Haltephase mit Strom.
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Gemäß 1 ist eine weitere (erste) Schalteinrichtung vorgesehen, die aus einem Feldeffekttransistor T2, einer Diode D2, die den masseseitigen Ausgang des Feldeffekttransistors T2 mit dem versorgungsspannungsseitigen Ende der Spule L verbindet, und einer Gate-Ansteuerschaltung GT, die das Gate des Feldeffekttransistors T2 nach Maßgabe eines Ansteuersignals G1 ansteuert, gebildet ist. Eingangsseitig liegt am Feldeffekttransistor T2 eine Spannung U_BOOST an, die im Ausführungsbeispiel 60 V beträgt und von einem Kondensator CB bereitgestellt wird.
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Diese erste Schalteinrichtung dient dazu, die Spule L des Magnetventils während seiner Anzugsphase mit der gegenüber der Betriebsspannung deutlich erhöhten Spannung von 60 V zu beaufschlagen.
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Die gegenüber der Betriebsspannung erhöhte Spannung von 60 V wird erfindungsgemäß von einer Boosterschaltung erzeugt, die im Ansprechen auf ein entsprechendes Ansteuer- bzw. Boostsignal B_IN aus der Betriebsspannung über einen vorgegebenen Zeitraum eine Ausgangsspannung von 60 V erzeugt; diese Spannung lädt den als Zwischenspeicher dienenden Kondensator CB mit einer Ladungsmenge auf, die so bemessen ist, dass die Spule L während der Anzugsphase mit ausreichendem Strom bzw. ausreichender Energie versorgt werden kann.
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Die Boosterschaltung erzeugt die erhöhte Spannung mittels eines Resonanzkreises aus einer Boosterspute, LB und einem Boosterwiderstand RB, wobei dieser Resonanzkreis durch geeignete Ansteuerung eines Boostertransistors TB über einen von einer Booster-Eingangsstufe EB angesteuerten Booster-Controller BC Spannungsspitzen erzeugt, die über eine Boosterdiode DB den Kondensator CB aufladen. An der Booster-Eingangsstufe EB liegt das Boostsignal B_IN an, das die Aufladung des Kondensators CB veranlasst.
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Neben einer Freilaufdiode D3, die den Feldeffekttransistor T5 beim Ausschalten vor Spannungsspitzen schützt, weist die Ansteuerelektronik AE schließlich noch eine Diode D4 auf, die das masseseitige Ende der Spule L mit dem spannungsführenden Ende des Kondensators CB verbindet. Aufgrund dieser Verschaltung bildet die Diode D4 eine Schalteinrichtung, die beim Abschalten der Spule L ihren Ausschaltstrom in den Kondensator CB leitet. Durch diese Maßnahme wird nicht nur die Geschwindigkeit der Abschaltung der Spule, die nunmehr gegenüber der erhöhten Boostspannung erfolgt, deutlich erhöht, sondern es wird auch der positive Zusatzeffekt erreicht, dass der Kondensator CB entsprechend nachgeladen wird. Hierdurch ergibt sich eine nicht unbeträchtliche Energieersparnis.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerelektronik arbeitet wie folgt:
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Wenn der Booster-Eingangsstufe EB das Boostsignal B_IN zugeführt wird, erzeugt die Boosterschaltung über einen durch die Zeitdauer des Boostsignals B_IN vorbestimmten Zeitraum die erhöhte Spannung von 60 V, die am Kondensator CB anliegt und diesen entsprechend auflädt. Der Strom verlauf der Schaltung während dieser Betriebsphase ist in 1 durch den mit einer umrandeten 1 bezeichneten Strompfad angedeutet.
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Wenn durch das Anlegen des Ansteuersignals G1 die erste Schalteinrichtung aktiviert wird, wird der Feldeffekttransistor T2 durchgeschaltet, so dass die Spule L mit der am Kondensator CB anliegenden Spannung von 60 V beaufschlagt wird. Während dieser Betriebsphase, die die Anzugsphase des Magnetventils darstellt, verläuft der Strom in der Schaltung so, wie es in 1 durch den mit einer umrandeten 2 bezeichneten Strompfad angedeutet ist. Während dieser Anzugsphase entlädt sich der Kondensator CB mit einer Zeitkonstante, die durch seine Kapazität vorbestimmt ist.
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Das Ende der Anzugsphase wird durch Beendigung des Signals G1 eingeleitet, wodurch der Feldeffekttransistor T2 ausschaltet, so dass die Spule nicht mehr mit der hohen Spannung von 60 V beaufschlagt wird. Etwa gleichzeitig wird durch Anlegen des Signals G2 der Regelungsverstärker RS aktiviert, der die Spule während dieser Haltephase über die Feldeffekttransistoren T3 und T4 mit einer geregelten Spannung versorgt; diese entspricht etwa der Betriebsspannung. Während dieser Haltephase des Ventils L verläuft der Strom in der Schaltung so, wie es in 1 durch den mit einer umrandeten 6 bezeichneten Strompfad angedeutet ist.
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Sowohl während der Anzugsphase als auch während der Haltephase liegt an der Schaltung auch das Signal G3 an, das den Feldeffekttransistor T5 aktiviert, so dass das andere Ende der Spule mit Masse verbunden wird und sich die beiden Strompfade 2 bzw. 6 ausbilden können.
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Wenn dann sowohl das Ansteuersignal G2 als auch das Ansteuersignal G3 beendet werden, wird die Ausschaltphase des Ventils L eingeleitet; während dieser Ausschaltphase fließt der Strom durch die Diode D4 entlang des in 1 mit der umrandeten 3 bezeichneten Pfads zurück in den Kondensator CB, so dass dieser zumindest teilweise wieder aufgeladen wird.
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Um sicherzustellen, dass das Ventil jederzeit wieder in eine nächste Anzugsphase versetzt werden kann, wird die Boosterschaltung vorzugsweise unmittelbar nach dem Ende jeder Anzugsphase durch Zufuhr des Boostsignals B_IN wieder in Betrieb gesetzt, so dass der Kondensator CB wieder nachgeladen wird.
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Wenn sich die Spule L über einen längeren Zeitraum in der Haltephase oder in der Ausschaltphase befindet, ist es möglich, eine eventuelle Selbstentladung des Kondensators CB dadurch zu kompensieren, dass die Boosterschaltung in geeigneten regelmäßigen Zeitabständen aktiviert wird, so dass sichergestellt ist, dass die im Kondensator gespeicherte Energie nie einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Die nächste Anzugsphase kann somit jederzeit mit der gewünschten hohen Spannung eingeleitet werden.
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Die Erfindung zeichnet sich durch die Boosterschaltung nicht nur dadurch aus, dass die Anzugsphase ohne konstruktive Änderung der Spule L verkürzt werden kann. Alternativ wäre es auch möglich, den Faktor L/R der Spule aus irgendwelchen anderen Gründen zu erhöhen und dennoch die gewünschte Sollzeit der Anzugsphase einzuhalten.
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Ein großer Vorteil der Erfindung liegt schließlich darin, dass die Verbesserung der Anzugsphase mit einem relativ geringen Schaltungsaufwand und ohne nennenswerte Verringerung des Gesamtwirkungsgrades erzielbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- AE
- Ansteuerelektronik
- L
- Spule des Magnetventils
- R
- Messwiderstand
- T2 - T5
- Feldeffekttransistoren
- RS
- Regelungsverstärker
- DV
- Differenzverstärker
- GT, GT2
- Gate-Ansteuerschaltungen
- CB
- Kondensator
- D1 - D4
- Dioden
- EB
- Booster-Eingangsstufe
- BC
- Booster-Controller
- TB
- Boostertransistor
- DB
- Boosterdiode
- LB
- Boosterspule
- RB
- Boosterwiderstand
- B_IN
- Boostsignal