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Die
Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für eine Messkapazität. Eine
derartige Messkapazität
ist beispielsweise Bestandteil eines so genannten kapazitiven Sensors,
der insbesondere als ein Schaltkontakt, als ein taktiler Sensor
oder als ein Näherungssensor
ausgebildet sein kann. Insbesondere ein berührungslos arbeitender Näherungssensor,
dessen Messkapazität
durch die Anwesenheit eines dielektrischen Objektes beeinflusst
wird, wird unter anderem in Einklemmschutzsystemen von Kraftfahrzeugen
eingesetzt. Dort wird mit einem derartigen kapazitiven Sensor die
Anwesenheit eines dielektrischen Objekts in einem Gefährdungsbereich
eines elektrisch betätigbaren
Stellelements, wie einer Fensterscheibe, einem Schiebedach oder
einer motorisch verstellbaren Fahrzeugtür erfasst. Weiter betrifft
die Erfindung eine elektronische Baueinheit umfassend einen kapazitiven
Sensor mit einer Messkapazität
und eine Auswerteschaltung zur Erfassung der Messkapazität.
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Das
Messprinzip eines kapazitiven Sensors beruht darauf, eine Zustandsänderung
der Messumgebung, wie beispielsweise durch ein sich näherndes oder
den Sensor kontaktierendes Objekt hervorgerufen wird, durch eine Änderung
seiner Messkapazität zu
erfassen. Häufig
wird zur Erfassung einer Änderung
der Messkapazität
ein Schwingkreis eingesetzt, dem die Messkapazität des Sensors zugeschaltet
ist.
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Bei
dieser Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass über die dem Schwingkreis zugeschaltete Messkapazität die Schwingungs-
und insbesondere die Resonanzfrequenz des Schwingkreises definiert ist.
Verändert
sich die Messkapazität,
so wird sich entsprechend auch die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises
verändern.
Diese Schwingkreisverstimmung wird in üblicherweise mittels eines
so genannten steuerbaren Oszillators, auch VCO (Voltage Controlled
Oscillator) genannt, bestimmt, wobei der steuerbare Oszillator,
der den Schwingkreis treibt, solange nachgesteuert wird, bis dessen
Oszillatorfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises übereinstimmt.
Dies kann beispielsweise durch Erfassung der über den Schwingkreis abfallenden Spannung
festgestellt werden. Eine Nachregelung des steuerbaren Oszillators
kann dann als eine Änderung
der Messkapazität
und demzufolge als eine Zustandsänderung
der Messumgebung interpretiert werden.
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Nachteiligerweise
ist die Messung einer Messkapazität durch eine Schwingkreisverstimmung kostenintensiv,
da ein steuerbarer Oszillator ein relativ teures elektronisches
Bauelement darstellt. Zudem lässt
sich aufgrund der notwendigen Regelung der Oszillatorfrequenz keine
günstige
Beschaltung zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit
(EMV) realisieren.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Auswerteschaltung für eine Messkapazität anzugeben,
die sich kostengünstig
realisieren lässt.
Zudem soll die Auswerteschaltung eine möglichst gute elektromagnetische
Verträglichkeit
zeigen. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische
Baueinheit mit einem kapazitiven Sensor und einer geeigneten Auswerteschaltung
mit denselben Vorteilen anzugeben.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Auswerteschaltung
gelöst,
die einen eine Festkapazität
und eine Festinduktivität
umfassenden Schwingkreis, einen den Schwingkreis treibenden Festoszillator,
eine dem Schwingkreis zugeordnete Anschlussstelle für die Messkapazität, eine
Messeinrichtung zur Erfassung eines den Schwingkreis charakterisierenden
Parameters, ein dem Schwingkreis zugeordnetes, in einer elektrischen
Größe veränderbares
Bauelement zur Beeinflussung der Schwingungsfrequenz und eine mit
dem Bauelement und der Messeinrichtung verbundene Steuereinheit
aufweist, die zur Regelung der Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit
von der Größe des erfassten
Parameters durch eine Beeinflussung der elektrischen Größe des Bauelements
ausgelegt ist.
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Bisherige Überlegungen
zur Erfassung einer Messkapazität
durch eine Schwingkreisverstimmung zielen darauf ab, die durch die
Messkapazität
veränderte Schwingungsfrequenz
festzustellen. Über
eine Nachregelung des den Schwingkreis treibenden Oszillators wird
dessen Ausgangsfrequenz der Schwingkreisfrequenz angepasst. Mit
anderen Worten wird der Schwingkreis als eine feste Größe erachtet,
dessen Schwingungsfrequenz durch die zugeschaltete Messkapazität beeinflusst
wird. Eine über eine
Anpassung des Oszillators festgestellte Änderung der Schwingungsfrequenz
wird dann als eine Änderung
der Messkapazität
interpretiert.
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Die
Erfindung löst
sich nun davon, den zur Erfassung der Messkapazität eingesetzten
Schwingkreis als eine feste Größe zu erachten.
Stattdessen wird in den Schwingkreis ein weiteres Bauelement eingefügt, welches
zur Beeinflussung der Schwingungsfrequenz in einer elektrischen
Größe veränderbar
ist.
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Durch
diesen Ansatz wird es möglich,
im Falle einer Änderung
der dem Schwingkreis zugeschalteten Messkapazität durch Beeinflussung der elektrischen
Größe des Bauelements
die Schwing- und insbesondere die Resonanzfrequenz des Schwingkreises
auf einem konstanten Wert zu halten. Dies wiederum ermöglicht es,
den Schwingkreis mit einem Festoszillator zu treiben, so dass auf
den teuren steuerbaren Oszillator verzichtet werden kann. Die Änderung
der Messkapazität
wird über
eine notwendig werdende Beeinflussung der elektrischen Größe des Bauelements
erfasst, um die Schwingfrequenz des Schwingkreises konstant zu halten.
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Durch
den Einsatz eines Festoszillators, der beispielsweise als ein preisgünstiger
Schwingquarz realisiert sein kann, und aufgrund der Tatsache, dass die
Schwingfrequenz des Schwingkreises konstant bleibt, weist die Auswerteschaltung
zudem eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf.
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Die
Schwingungsfrequenz des Schwingkreises kann prinzipiell durch Erfassung
eines beliebigen, den Schwingkreis charakterisierenden Parameters
erfolgen. Insbesondere kann dies eine Phasenlage, ein Amplitudenwert,
ein Effektivwert oder ein Spitzenwert eines Spannungs- oder Stromsignals sein.
Insbesondere kann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises durch
einen Maximal- oder Minimalwert der über dem Schwingkreis abfallenden
Spannung oder des durch den Schwingkreis fließenden Stromes festgestellt
werden. So wird beispielsweise im Falle eines Parallelschwingkreises,
wobei die Festkapazität
und die Festinduktivität
zueinander parallel geschaltet sind, die über dem Schwingkreis abfallende
Spannung im Falle der Resonanz maximal. Dabei addieren sich die
durch die Festinduktivität
und durch die Festkapazität
fließenden
Ströme
entgegengesetzt zu Null. Im Falle eines Reihenschwingkreises, d.
h. einer Reihenschaltung der Festkapazität und der Festinduktivität, wirkt
dieser bei Vorliegen einer Resonanz wie ein Kurzschluss, so dass
der Strom maximal wird.
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Da
die messtechnische Erfassung eines Spannungswertes leicht und ohne
große
Beeinflussung der restlichen Schaltung möglich ist und zudem durch Erfassung
eines Spannungswertes auch ein Stromwert interpretierbar ist, ist
die Messeinrichtung der Auswerteschaltung vorteilhafterweise ein über mindestens
einen Spannungsabgriff zugeschalteter Spannungsmesser. Die Spannungsmessung
ist dabei so zu gestalten, dass über
die erfasste Spannung ein Rückschluss
auf die Schwingungsfrequenz bzw. auf das Resonanzverhalten des Schwingkreises möglich ist.
Zweckmäßigerweise
ist der Spannungsabgriff zur Messung der am Schwingkreis abfallenden
Spannung angeordnet. Hierzu kann beispielsweise ein Vorwiderstand
oder ein Parallelwiderstand eingesetzt sein. Auch kann der Spannungsabgriff
natürlich
direkt über
den Schwingkreis erfolgen.
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Alternativ
oder in Kombination ist in einer weiter bevorzugten Ausgestaltung
der Auswerteschaltung ein Spannungsabgriff zur Messung der an der
Festinduktivität
abfallenden Spannung und ein weiterer Spannungsabgriff zur Messung
der an der Festkapazität
abfallenden Spannung angeordnet. Auf diese Weise kann die Phasenlage
der der Festinduktivität
und der Festkapazität
zugeordneten Spannung bzw. die Phasenlage der entsprechenden Ströme zueinander
erfasst werden, woraus bei einer der Festkapazität zugeschalteten Messkapazität direkt auf
deren Veränderung
geschlossen werden kann.
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Selbstverständlich können auch
beide genannte Mess- oder Regelmöglichkeiten
gemeinsam in der Auswerteschaltung realisiert sein. Die Erfassung
der Aus gangsspannungen des Schwingkreises lassen sich gegebenenfalls
schaltungstechnisch einfacher realisieren.
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Bei
der schaltungstechnischen Erfassung einer Änderung der Messkapazität über eine Änderung des
Schwingungsverhaltens des Schwingkreises wird zweckmäßigerweise
unterschieden zwischen einer allmählichen und langsamen Drift
und einer eher sprunghaften Änderung.
Eine allmähliche
Drift der Messkapazität,
die insbesondere durch Temperaturveränderungen, Alterung, Verschleiß oder Verschmutzung
resultiert, wird hierbei nicht als eine Änderung der Messumgebung interpretiert.
Eine rasche und eher sprunghafte Änderung wird hingegen als eine Änderung
der Messumgebung betrachtet und insbesondere als ein Einklemmfall
erkannt.
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Zur
Anpassung der Schwingungsfrequenz des Schwingkreises kann das Bauelement
selbst mit einer veränderlichen
Induktivität
oder einer veränderlichen
Kapazität
ausgestattet sein. Eine Möglichkeit hierzu
ist es beispielsweise, das Bauelement als eine Anzahl von zuschaltbaren
Induktivitäten
oder Kapazitäten
auszugestalten. Durch ein steuerbares Zu- oder Abschalten der weiteren
Induktivitäten
oder Kapazitäten
kann die Gesamtinduktivität
oder die Gesamtkapazität
des Schwingkreises so beeinflusst werden, dass eine veränderte Messkapazität kompensiert
wird, so dass der Schwingkreis wieder an oder nahezu an seiner ursprünglichen
Schwingungsfrequenz, insbesondere seiner Resonanzfrequenz läuft.
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In
einer anderen Variante weist das Bauelement selbst eine steuerbare
elektrische Größe auf. Elektrische
Bauelemente mit einer veränderlichen
Induktivität
sind relativ aufwändig
und beruhen in der Regel auf einer Veränderung von Baugrößen. Insofern
bietet sich vorteilhafter ein Bauelement mit einer steuerbaren veränderlichen
Kapazität
und insbesondere eine Kapazitätsdiode
an. Eine solche Kapazitätsdiode,
die auch Varaktor genannt wird, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauteil und weist
eine elektrisch steuerbare Kapazität auf. Es handelt sich dabei um
eine in Sperrrichtung betriebene Diode, an deren P-N-Übergang
eine Ladungsträgerverarmungszone auftritt,
an der sich auch ein elektrisches Feld aufbaut. Mit steigender anliegender
Spannung vergrößert sich
die Breite der la dungsfreien Zone, wodurch die Kapazität abnimmt.
Die Kapazität
einer Kapazitätsdiode ändert sich
insbesondere exponentiell in Abhängigkeit
von der anliegenden Spannung. Wird eine Kapazitätsdiode dem Schwingkreis zugeschaltet,
so kann dessen Schwingfrequenz im Falle einer veränderten
Messkapazität
leicht durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Kapazitätsdiode
nachgeführt
werden.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
ist die Kapazität
des Bauelements parallel zu der Festkapazität geschaltet. In einer weiter
bevorzugten Ausgestaltung der Auswerteschaltung ist die Anschlussstelle
zu einer Parallelschaltung der Festkapazität und der Messkapazität ausgebildet.
In diesem Falle addieren sich beide Kapazitäten zu einer Gesamtkapazität. Die Parallelschaltung
bietet eine feinere Einstellmöglichkeit.
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Die
eingangs genannte zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch
eine elektronische Baueinheit mit einem kapazitiven Sensor und mit
einer über
die Anschlussstelle an die Messkapazität des Sensors angeschlossenen
Auswerteschaltung der vorgenannten Art gelöst. Diese Ausgestaltung bietet
weiter den Vorteil, dass gegebenenfalls zur Ausgestaltung des Sensors
erforderliche weitere elektronische und elektrische Bauteile mit
der Auswerteschaltung zu einer Schaltungseinheit zusammengefasst
werden können.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
Auswerteschaltung für
eine Messkapazität
mit einem Reihenschwingkreis,
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2 eine
Auswerteschaltung für
eine Messkapazität
mit einem Parallelschwingkreis und
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3 schematisch
eine Kraftfahrzeugtür
mit einem der Seitenscheibe zugeordneten Einklemmsensor.
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In 1 ist
eine Auswerteschaltung 1 für eine Messkapazität 4 dargestellt.
Die Messkapazität 4 ist
dabei Teil eines Einklemmschutzsensors, der ein elektrisches Feld
in den Überwachungsbereich
eines Stellelements eines Kraftfahrzeugs ausbreitet. Gerät ein dielektrisches
Objekt in den Überwachungsbereich,
so verändert
sich das elektrische Feld und infolge dessen die Messkapazität 4 des
Sensors.
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Zur
Erfassung der Messkapazität 4 weist
die Auswerteschaltung 1 einen Schwingkreis 6 auf,
der eine Festkapazität 7 und
eine hierzu in Reihe geschaltete Festinduktivität 8 aufweist. Über einen
Festoszillator 10 wird der Schwingkreis 6 getrieben.
Zur Anpassung der benötigten
Spannungen und Ströme sowie
gegebenenfalls zu einer Spannungs- oder Stromerfassung sind in Reihe
zu dem Schwingkreis 6 ein erster Widerstand 12 und
ein zweiter Widerstand 13 angeordnet. Über einen Spannungsabgriff 15 ist
der Auswerteschaltung 1 ein Spannungsmesser 16 zugeordnet,
der die Ausgangsspannung des Schwingkreises 6 und damit
indirekt auch die über den
Schwingkreis 6 abfallende Spannung misst.
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Zur
Erfassung der Messkapazität 4 ist
diese parallel zu der Festkapazität 7 des Schwingkreises 6 geschaltet.
Weiterhin ist eine steuerbare Kapazitätsdiode 18 eingesetzt.
Zur Steuerung der Kapazitätsdiode 18 ist
eine veränderbare
Spannungsquelle 21 vorgesehen, die über eine Steuereinheit 22 einstellbar
ist. Die Steuereinheit 22 selbst ist mit dem Spannungsmesser 16 verbunden.
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Die
Steuereinheit 22 ist nun derart ausgestaltet, dass sie
den über
den Spannungsmesser 16 erfassten Spannungswert auf Maximum
regelt. Die Steuergröße ist hierbei
der Spannungswert der Spannungsquelle 21, der einen Einfluss
auf die Kapazität
der Kapazitätsdiode 18 hat.
Der Schwingkreis 6 ist nun so eingerichtet, dass in einem
regulären
ungestörten
Zustand der Messkapazität 4 und
bei einem vorgegebenen Kapazitätswert
der Kapazitätsdiode 18 die
Resonanzfrequenz genau der Ausgangsfrequenz des Festoszillators 10 entspricht.
In diesem Fall fällt über den
Schwingkreis 6 selbst keine Spannung ab, so dass der mittels
des Spannungsmessers 16 gemessene Spannungswert ein Minimum
aufweist.
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Verändert sich
die Messkapazität 4 infolge eines
sich annähernden
Objekts, so wird der Schwingkreis 6 verstimmt, da sich
dessen durch die Kapazitäten
der Messkapazität 4,
der Festkapazität 7 und
der Kapazitätsdiode 18 gebildete
Gesamtkapazität
verändert.
Die Steuereinheit 22 erkennt in einem derartigen Fall eine
Abnahme des erfassten Spannungswertes und verändert daraufhin den Spannungswert
der Spannungsquelle 21. Entsprechend wird sich die Kapazität der Kapazitätsdiode 18 verändern, so
dass die Gesamtkapazität
des Schwingkreises 6 wieder den ursprünglichen Wert anstrebt. Aus der
notwendigen Ansteuerung der Spannungsquelle 21 wird auf
eine Veränderung
der Messkapazität 4 und
somit auf das Vorhandensein eines Objekts im Überwachungsbereich geschlossen.
Es wird ein Einklemmfall festgestellt.
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Neben
dem Spannungsabgriff 15 weist die Auswerteschaltung noch
einen weiteren Spannungsabgriff 24 auf. Über die
Spannungsabgriffe 15 und 24 können die an der Festinduktivität abfallende
Spannung und die an der Festkapazität 7 abfallende Spannung
abgegriffen und gemessen werden. Aus einer Veränderung der Phasenlage der
abgegriffenen Spannungen kann wiederum auf eine veränderte Messkapazität 4 geschlossen
werden. Auch über eine Änderung
der Phasenlage kann eine Veränderung
der Messkapazität
erfasst werden. Über
eine entsprechende Steuerung des Spannungswerts der Spannungsquelle 21 wird
die Phasenlage angeglichen und somit der Ursprungszustand des Schwingkreises 6 wieder
hergestellt.
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Die
Steuereinheit 22 ist weiter eingerichtet, eine allmähliche Drift
der Messkapazität
zu kompensieren und dies nicht als einen Einklemmfall zu interpretieren.
Lediglich rasche Änderungen
in den eine Änderung
der Messkapazität
anzeigenden Werten werden als eine Änderung der Messumgebung und insbesondere
als ein Einklemmfall interpretiert.
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In 2 ist
eine weitere Auswerteschaltung 2 für eine Messkapazität 4 dargestellt.
Im Unterschied zu 1 umfasst der Schwingkreis 6' eine Festkapazität 7 und
eine Festinduktivität 8,
die parallel zueinander geschaltet sind. Die weiter dargestellten
Bauelemente weisen dieselbe Funktion auf, wie die in 1 dargestellte.
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Im
Resonanzfall wirkt der Schwingkreis 6' wie ein unendlicher Widerstand,
da sich die Ströme durch
die Festkapazität 7 und
durch die Festinduktivität 8 entgegengesetzt
aufheben. In diesem Fall wird der über den Spannungsabgriff 15 mit
dem Spannungsmesser 16 erfasste Spannungswert maximal, da
der Großteil
der Spannung bereits über
dem Schwingkreis 6' abfällt. Die
Steuereinheit 22 steuert demnach im Gegensatz zu 1 den
mittels des Spannungsmessers 16 erfassten Spannungswert
auf ein Maximum.
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In 3 ist
schematisch eine Kraftfahrzeugtür 28 dargestellt,
die eine elektrisch betätigbare
Seitenscheibe 30 aufweist. Zur Betätigung der Seitenscheibe 30 ist
hierbei ein elektrischer Antriebsmotor 32 vorgesehen. Um
einen Gefährdungsbereich
im Stellweg der Seitenscheibe 30 zu überwachen, ist entlang der
Schließkante
ein als kapazitiver Sensor 34 ausgebildeter Einklemmsensor
geführt.
Der kapazitive Sensor 34 weist dabei eine Anzahl von Elektroden
auf, die gegenüber
der geerdeten Karosserie des Fahrzeugs bzw. der Kraftfahrzeugtür ein elektrisches Feld
in den Überwachungsbereich
hinein erzeugen. Als Messkapazität
wird die von den Elektroden und der Karosserie gebildete Kapazität ausgewertet.
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Gerät ein dielektrisches
Objekt in den Gefährdungsbereich
des Sensors 34, so verändert
sich die Messkapazität
und es wird auf einen Einklemmfall geschlossen, so dass eine Schließbewegung
der Seitenscheibe 30 gestoppt oder der Antriebsmotor reversierend
angetrieben wird.
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Zur
Auswertung einer Änderung
der Messkapazität
ist diese mit einer Auswerteschaltung 1 gem. 1 verbunden.
Die zur Auswertung und Steuerung der Kapazitätsdiode 18 vorgesehene
Steuereinheit 22 ist zugleich zur Ansteuerung des Antriebsmotors 32 ausgebildet.
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Die
Bauteile Sensor 34, Auswerteschaltung 1 und Steuereinheit 22 bilden
gemeinsam eine elektronische Baueinheit 35, die beispielsweise
als eine Steuerbaugruppe für
ein Einklemmschutzsystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden
kann.
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- 1
- Auswerteschaltung
- 2
- Auswerteschaltung
- 4
- Messkapazität
- 6
- Schwingkreis
(Reihe)
- 6'
- Schwingkreis
(Parallel)
- 7
- Festkapazität
- 8
- Festinduktivität
- 10
- Festoszillator
- 12
- erster
Widerstand
- 13
- zweiter
Widerstand
- 15
- Spannungsabgriff
- 16
- Spannungsmesser
- 18
- Kapazitätsdiode
- 20
- Masse
- 21
- Spannungsquelle
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Spannungsabgriff
- 28
- Kraftfahrzeugtür
- 30
- Seitenscheibe
- 32
- Elektr.
Antriebsmotor
- 34
- Kapazitiver
Sensor
- 35
- elektronische
Baueinheit