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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerbaugruppe, die insbesondere zur Verwendung im Automobilbereich geeignet ist. Teil der Steuerbaugruppe ist ein verbesserter Spannungsbegrenzer.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Vorrichtungen zum Schutz vor Überspannungen im Kraftfahrzeug vorzusehen, wie sie durch plötzliches Abschalten induktiver Lasten entstehen können. Insbesondere für den Fall, dass die elektrische Verbindung zwischen einer im Ladebetrieb befindlichen Batterie und dem Generator schlagartig unterbrochen wird, sind derartige Vorrichtungen ausgelegt. Dieser Fall ist als Load-Dump bekannt und insbesondere für empfindliche elektronische Bauelemente, wie sie z.B. in Steuergeräten verwendet werden, kritisch. Beispielsweise ist aus der
DE 10 2011 075 115.7 bekannt, eine Last im Überspannungsfall selektiv abzuschalten, um die Spannungsbegrenzungsschaltung nicht zu überlasten.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Spannungsbegrenzer einer Steuerbaugruppe bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Steuerbaugruppe, aufweisend mindestens eine Steuereinheit und einen spannungsbegrenzend wirkenden Spannungsregler, welcher basierend auf einer an einem Eingang der Steuerbaugruppe anliegenden Eingangsspannung einen vorgegebenen Ausgangsspannungsbereich für eine Mehrzahl von Verbrauchern der Steuerbaugruppe bereitstellt, wobei die Steuerbaugruppe dazu ausgebildet ist, dass im Falle, dass die Steuereinheit ein Wecksignal erhält, ein erstes spannungsbegrenzendes Element ein Aufstarten der Steuereinheit ermöglicht, und wobei die Steuerbaugruppe ferner eine Schaltungsanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Überwachung durchzuführen, ob eine Referenzspannung einer vorgegebenen Komponente der Steuereinheit erreicht ist, und wenn dies der Fall ist, diese Referenzspannung dem Spannungsregler als Referenzspannung zur Regelung seiner Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen.
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In einer Ausführung ist der Spannungsregler dazu ausgebildet, solange inaktiv zu sein, bis er ein Wecksignal erhält, und wobei die Steuerbaugruppe dazu ausgebildet ist, im Falle, dass der Spannungsregler ein Wecksignal erhält, eine Energieversorgung an die Steuereinheit zum Aufstarten und für den Betrieb zuzulassen.
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In einer Ausführung weist die Schaltungsanordnung mindestens einen ersten Transistor auf, der derart verschaltet ist, dass er bei Erkennen in der Überwachung, dass die Referenzspannung der vorgegebenen Komponente der Steuereinheit erreicht ist, einen zweiten Transistor sowie einen Spannungsteiler aktiviert, wobei der zweite Transistor derart verschaltet ist, dass er die von der vorgegebenen Komponente der Steuereinheit ausgehende Referenzspannung dem Spannungsregler zur Regelung seiner Ausgangsspannung zur Verfügung stellt, und wobei der Spannungsteiler derart verschaltet ist, dass er eine Anpassung der Ausgangsspannung des Spannungsreglers an die Referenzspannung bereitstellt.
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In einer Ausführung ist mindestens ein weiterer Transistor vorgesehen, der mit seiner Basis an den mit dem Ausgang des Spannungsreglers verbundenen Widerstand des Spannungsteilers und einer Anode einer Diode elektrisch verbunden ist.
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In einer Ausführung ist die vorgegebene Komponente der Steuereinheit, deren Referenzspannung dem Spannungsregler zur Verfügung gestellt wird, ein System-Basis-Chip der Steuereinheit.
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In einer Ausführung liegt der vorgegebenen Ausgangsspannungsbereich zwischen 36 und 40V.
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In einer Ausführung ist das erste spannungsbegrenzende Element eine Zenerdiode.
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In einer Ausführung wird eine Getriebesteuerung für ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend die Steuerbaugruppe.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt beispielhaft einen Vergleich einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik und einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Vorgeschlagen wird eine Steuerbaugruppe, vorzugsweise eines Fahrzeugs, welche zur Bildung eines Steuergeräts vorgesehen ist, z.B. eines Getriebe- oder eines Motorsteuergeräts, insbesondere zur Bildung einer mechatronischen Getriebesteuerung oder einer integrierten Steuerung. Die Steuerbaugruppe umfasst insbesondere einen Mikrocontroller zur Ausbildung der Steuerfunktionalität. Bevorzugt bildet die Steuerbaugruppe ein Steuergerät.
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Die Steuerbaugruppe weist einen Spannungsregler auf, welcher dazu ausgebildet ist, basierend auf einer variablen Eingangsspannung an einem Eingang der Steuerbaugruppe, welche als Versorgungsspannung für die Steuerbaugruppe bereitgestellt ist, z.B. einer Bordnetz-Batteriespannung, in den Figuren mit KL30 (für Klemme 30, also Dauerspannung) bezeichnet, eine Spannung eines definierten Niveaus für eine Mehrzahl von Verbrauchern bereitzustellen. Derartige Verbraucher, deren Begrifflichkeit vorliegend auch Verbraucherbaugruppen unterfallen, werden auch als Lasten bezeichnet und sind insbesondere Komponenten der Steuerbaugruppe und/oder externe Komponenten - z. B. ein Sicherheitsrechner, eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine oder mehrere Leistungsendstufen, welche z.B. mit Aktuatoren wie z.B. Ventilen wirkverbunden sind.
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Bevorzugt ist der Spannungsregler der Steuerbaugruppe als linearer Spannungsregler ausgebildet. Der Spannungsregler wirkt im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Überspannungsfall hierbei spannungsbegrenzend, also als Spannungsbegrenzer (auch als Limiter bezeichnet). Der Spannungsregler weist vorzugsweise einen Transistor, insbesondere einen MOSFET Mlim, sowie weitere Komponenten wie weitere (Bipolar-)Transistoren Tlim1, Tlim2, Widerstände und Kondensatoren, z.B. zur Bildung von Filtern, auf.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ferner vorgesehen, die Ausgangsspannung, die der Spannungsregler für eine Mehrzahl von Verbrauchern dauerhaft zur Verfügung stellt, mittels desselben auf einen Wert zu begrenzen, welcher unterhalb des Werts der maximal zulässigen Eingangsspannung dieser Verbraucher liegt, insbesondere bei Überspannung. Durch Einsatz des Spannungsreglers zur dauerhaften Begrenzung der Ausgangsspannung wird es vorteilhaft ermöglicht, die Steuerbaugruppe auf eine geringere Spannungsfestigkeit auszulegen, z.B. auf 40V, als die maximale Eingangsspannung bei Überspannung, z.B. 58V, es erfordern würde. Hierdurch wird vorteilhaft der Einsatz von günstigen Bauelementen aus dem PKW-Bereich, welche z.B. für 40V ausgelegt sind, in einem Nutzkraftfahrzeug, kurz NKW, ermöglicht, dessen Bordnetzspannung im Fall eines Load Dump ca. 60V betragen kann.
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Außerdem ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner vorgesehen, dass eine vorgegebene untere Spannungsgrenze, z.B. 36V, im Überspannungsfall nicht unterschritten wird, damit der MOSFET Mlim des Spannungsreglers nicht in einen Linearbetrieb übergeht, wodurch eine hohe Verlustleistung entstehen würde, die dem Spannungsregler schaden könnte und damit den Betriebsspannungsbereich der Verbraucher, insbesondere der Leistungsendstufen, einschränken würde, da diese zum Schutz des Spannungsreglers abgeschaltet werden müssten.
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Um eine Spannungsbegrenzung der Eingangsspannung in die zu versorgende Last auf eine vorgegebene untere Grenze, z.B. 36V, und eine vorgegebene obere Grenze, z.B. 40V, zu ermöglichen, wird der aus dem Stand der Technik bekannte und in 1 schematisch dargestellte Spannungsregler (die Spannungsbegrenzungsschaltung) optimiert. Die Begrenzung auf einen vorgegebenen Spannungsbereich, z.B. 36-40V, erfolgt dabei mittels kontinuierlicher Ausgangsspannungsbegrenzung durch den (linearen) Spannungsregler.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Spannungsbegrenzung der Eingangsspannung KL30 (Versorgungsspannung über Klemme 30) mittels einer Zenerdiode DZref bereitzustellen, welche zwischen dem Ausgang des Transistors Mlim des Spannungsreglers L und Masse (mit weiteren zwischengeschalteten Elementen wie Verpolschutz-Diode Dref_rp und Widerstand Rref_pd) angeordnet ist, wie in 1 schematisch und in 3 im Detail und gestrichelt dargestellt. Sobald ein Aufwachsignal WAKE an die Steuereinheit ECU der Steuerbaugruppe 100 angelegt wird, erfolgt die Spannungsbegrenzung durch die Zenerdiode DZref (Block StdT in 3, Schalter S1 in 1). Dadurch erfolgt eine Begrenzung der Ausgangsspannung, sobald die Eingangsspannung KL30 die von der Zenerdiode DZref vorgegebene Referenzspannung überschreitet. Beim Aufstartvorgang darf der Limiter MOSFET Mlim im Linearbetrieb sein, da die Lasten erst einmal noch aus sind. Die Eingangsspannung KL30 liegt als Versorgungsspannung dabei immer unbegrenzt am Spannungsregler L und gegebenenfalls bereits durch den Spannungsregler begrenzt an der Steuereinheit ECU an.
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Diese Anordnung wird erfindungsgemäß für den Aufstartvorgang (Block StartUP in 3) der Steuereinheit ECU weiterhin verwendet. Allerdings wird die bisher bekannte Schaltung (gestrichelt) verändert. Die neue Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung ist in 3 in fett dargestellt. Es ist immer noch eine Zenerdiode DZlim vorgesehen, wie in 2 (schematische Darstellung) und 3 (konkretere Ausführung) ersichtlich, allerdings nur, um die Spannungsbegrenzung im Aufstartvorgang der Steuereinheit ECU zu ermöglichen. Der Aufstartvorgang der ECU erfolgt ebenfalls durch ein externes Wake-Signal, welches nun den Spannungsregler aktiviert (Schalter S1 in 2 von Schalterzustand 1 „Offen“ auf 2 „Geschlossen“). Zusätzlich ist eine Schaltung vorgesehen, welche die von der Steuereinheit ECU, genauer dem als Komponente darin enthaltenen System-Basis-Chip, ausgegebene Referenzspannung U_Ref überwacht (Block U_Ref CHECK in 3). Sobald diese nach dem Aufstarten (3 in 2, Schalter S1 ist bereits geschlossen) einen vorgegebenen Wert stabil erreicht hat (4 in 2), wird diese dem Eingang E der Regelschleife des Spannungsreglers L als Soll-Wert zum Vergleich mit dem Ist-Wert des Spannungsreglers L zugeführt (Schalter S2 in 2 wechselt von Schalterstellung 3 auf 4). Dabei wird Treg über Tref aktiviert (Schalter S2 schaltet von Diode DZlim nach U_Ref, also von Schalterstellung 3 nach 4), welcher U_Ref dem Eingang E der Regelschleife zuführt (Soll-Wert). Gleichzeitig wird der Ist-Wert des Ausgangs A des Spannungsreglers, also die Ausgangsspannung des Spannungsreglers L, via einem Spannungsteiler Rref1/Rref2 entsprechend auf den Zielwert angepasst und ebenfalls dem Eingang E der Regelschleife (Vergleich von Soll- und Ist-Wert) bereitgestellt. Wenn die auf U_Ref angepasste Ausgangsspannung des Spannungsreglers größer als die Referenzspannung U_Ref ist, erfolgt ein Begrenzen der Ausgangsspannung des Spannungsreglers L gemäß der Gleichung:
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Dabei ist V.U1_QVR+(V.TIim2_BE+V.Treg_CE_sat) der Anteil des Referenzspannungspfads (Soll-Wert) inklusive Zuschaltung V.U1_QVR über die Kollektor-Emitter-Strecke von Treg an den Emitter von Tlim2. Der Pfad der Referenzspannung (Soll-Wert) ist: Rlim2_b, Basis-Emitter-Strecke von Tlim2, Kollektor-Emitter-Strecke von Treg, U_Ref.
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Dabei ist ferner (1+Rref1/Rref2)*Rref2)-(V.Dref_rp_F+V. Tref_CE_sat)*Rref1/Rref2 der Anteil des Feedback-Pfads (Ist-Wert) inklusive Zuschaltung Dref_rep und Rref2 über Kollektor-Emitter-Strecke von Tref nach Masse. Somit erfolgt eine Anpassung der Ausgangsspannung des Reglers an U_Ref. Der Feedback-Pfad (an U_Ref angepasster Ist-Wert) ist: Ausgang Spannungsregler, Rref1, Dref_rp, Rref2, Kollektor-Emitter-Strecke von Tref.
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Wobei gilt:
- V.kl30_lim: limitierte Spannung am Ausgang des Spannungsreglers V.U1_QVR = U_Ref,
- V.Tlim2_BE: am Transistor Tlim2 anliegende Basis-Emitter Spannung
- V.Treg_CE_sat: am Transistor Treg anliegende Kollektor-Emitter Spannung (Sättigung)
- V.Dref_rp_F: an der Diode Dref_rp anliegende Vorwärts-Spannung
- V.Tref_CE_sat: am Transistor Tref anliegende, Kollektor-Emitter Spannung (Sättigung)
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Die Schaltungsanordnung ist mit wesentlichen Details in 3 in fett dargestellt. Es sind also im Wesentlichen zwei Transistoren vorgesehen, die dazu dienen, die Referenzspannung U_Ref des System-Basis-Chips zu überwachen und durchzuschalten, sobald diese erreicht ist. Dabei schalten Tref und Treg die Referenzspannung im Verbund durch. Die zugeschaltete Referenzspannung U_Ref und die Z-Diode DZlim hängen am selben Knoten, dem Emitter von Tlim2. Die Referenzspannung ist niedriger als die Z-Spannung am Knoten und definiert damit die Spannung. Mit dem Zuschalten der Referenzspannung U_Ref wird gleichzeitig auch der Spannungsteiler R1/R2 aktiviert mittels Block U_Ref CHECK. Damit wird die Überwachung durch die Zenerdiode DZref (Block StdT) abgelöst. Es sind, wie bei jeder Schaltung, weitere Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren und ggf. auch Dioden vorgesehen, je nach genauer Auslegung der Schaltung (was im Detail durch den Fachmann erfolgt). Vorteilhaft ist die Verwendung der Referenzspannung U_Ref des System-Basis-Chips, da dadurch eine erhöhte Präzision der Ausgangsspannungsgenauigkeit der Spannungsbegrenzung im Normalbetrieb und damit eine bessere Ausnutzung des Batteriespannungsbereichs, in dem ein Betrieb der Leistungsendstufen ES möglich ist, bereitgestellt wird.
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Außerdem sind Spannungsregler L bisher immer aktiv, d.h. die Lasten (Verbraucher) an seinen Ausgängen werden immer mit Energie versorgt, also z.B. Teile der Steuereinheit ECU wie der System-Basischip oder ein oder mehrere Mikrocontroller, oder eine oder mehrere Leistungsendstufen ES. Insbesondere die Treiber der Leistungsendstufen erhöhen den Ruhestrom, in minderem Maße aber auch die Leistungsschalter selbst bzw. Kondensatoren des Zwischenkreises. Dies führt zu einer erhöhten Belastung der Fahrzeugbatterie durch Leck- und Ruheströme der nachfolgenden Bauteile, bis hin zur Überschreitung der zulässigen Ruhestrom-Spezifikation der Steuereinheit ECU. Aus diesem Grund erfolgt erfindungsgemäß ein Zuschalten des Spannungsreglers L erst, nachdem der Spannungsregler L ein Aufwachsignal WAKE erhalten hat, wie in 2 und 3 angedeutet. Die Steuereinheit ECU erhält dabei, wie auch im Stand der Technik, ebenfalls ein Signal zum Aufwachen. Da der Spannungsregler L allerdings zwischen Steuereinheit ECU und Versorgungsspannung KL30 geschaltet ist, kann die Steuereinheit ECU erst mit Energie versorgt werden, wenn der Spannungsregler L aktiv wird. Das heißt auch, dass die Steuereinheit ECU nicht mit Energie versorgt wird, solange kein WAKE-Signal vorhanden ist, d.h. dass erst im Anschluss an die Aktivierung des Spannungsreglers L durch die externen Signale das Aufstarten der Steuereinheit ECU durch Versorgung der dafür notwendigen Komponenten aus dem Ausgang des Spannungsreglers L erfolgt. Dadurch wird auch eine Minimierung der Leck-/Ruheströme und damit der Belastung der Fahrzeugbatterie erreicht.
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In einer Ausführung erfolgt eine Kompensation der Basis-Emitter-Spannung des Transistor Tlim2 durch eine Vorwärtsspannung einer zwischen dessen Basis und Emitter angeordneten Diode Dref_rp.
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Somit werden temperaturabhängige Bauteiltoleranzen im Referenzspannungspfad (Soll-Wert) durch Ausgleich im Feedback-Pfad (Ist-Wert) weitestgehend kompensiert. Gleichzeitig sorgt Dref_rp dafür, dass im Verpolfall (LV-Batterie falsch angeschlossen, RP=Reverse Polarity) der Transistor Tref nicht beschädigt wird, da kein Stromfluss erfolgt (die Diode ist in Sperrrichtung im Verpolfall).
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Der in 3 eingezeichnete Transistor Tlim2 ist mit seinem Kollektor mittels eines Widerstands an die Basis eines weiteren Transistors Tlim1, mit seinem Emitter an die Kathode von Z-Diode DZlim, sowie an den Emitter von Treg (Treg als Schalter S2 zur elektrischen Verbindung von U_Ref am Emitter von Tlim2 über Kollektor-Emitter-Strecke von Treg), und mit seiner Basis über Rlim2b an den mit dem Ausgang des Spannungsreglers L verbundenen Widerstand Rref1 des Spannungsteilers Rref1/Rref2, sowie die Anode von Dref_rp elektrisch angeschlossen.
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Er hat also als Eingangssignal die Regeldifferenz zwischen Ausgangsspannung, dem Ist-Wert, und Soll-Wert, wie bereits beschrieben. Die beiden (Bipolar-)Transistoren Tlim2 und Tlim1 führen die Regeldifferenz auf das „Stellglied“ Limiter MOSFET Mlim, wodurch eine Reduzierung der Gate-Source-Spannung des MOSFET Mlim und ein Linearbetrieb des MOSFET Mlim resultiert. Je größer die Regelabweichung ist, also Ausgangsspannung Ist-Wert höher als Soll-Wert, desto mehr Basisstrom ist für Tlim2 möglich. Daraus folgt ein höherer Kollektorstrom für Tlim2 und damit mehr Basisstrom für Tlim1. Daraus wiederum folgt mehr Kollektorstrom für Tlim1, wodurch die Gate-Source-Spannung am Limiter MOSFET Mlim entsprechend kleiner wird. Somit ist der Limiter MOSFET Mlim im Linearbetrieb und es erfolgt ein größerer Spannungsdrop über die Drain-Source-Strecke, so dass eine geringere Ausgangsspannung resultiert.
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Durch die vorgeschlagene, neue Schaltungsanordnung und die damit präzisere Referenzspannung U_Ref des Spannungsreglers L wird ein Betrieb von Leistungsendstufen ES im erweiterten Batteriespannungsbereich von z.B. 36V bei gleichzeitiger Spannungsbegrenzung der dem Spannungsregler L (der Begrenzer-Schaltung) nachfolgenden Bauteile auf z.B. maximal 40V ermöglicht. So können auch im Nutzfahrzeugbereich Bauteile aus dem PKW-Bereich verwendet werden, was zu erheblichen Einsparungen in der Entwicklungszeit und den Kosten führt. Außerdem wird so eine erhöhte Komponentenverfügbarkeit erreicht, da der Stromverbrauch der einzelnen Komponenten nicht mehr relevant ist bzw. zusätzliche Schalter zur Abtrennung dieser Komponenten eingespart werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steuerbaugruppe
- KL30
- Eingangsspannung
- WAKE
- Wecksignal
- U_Ref CHECK
- Überprüfungsschaltung
- StartUp
- Aufschaltbegrenzer
- U_Ref
- Betrieb mit U_Ref
- ECU
- Steuereinheit
- ES
- Leistungsendstufe
- L
- Spannungsregler
- A
- Ausgang von L
- E
- Eingang von L
- Mlim
- Transistor
- DZref
- Zenerdiode
- Dreg, Dref_rp
- Diode
- Treg
- Transistor
- Tref, Tlim1, Tlim2
- Transistor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2011 075 115.7 [0002]