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Die
Erfindung betrifft eine elektromotorisch unterstützte Lenkung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Unter
dem Begriff elektromotorisch unterstützte Lenkvorrichtungen werden
sowohl Aktivlenkungen verstanden, bei denen ein Elektromotor auf ein Überlagerungsgetriebe
antreibend einwirkt, um der vom Fahrer initiierten Lenkbewegung
je nach Fahrsituation eine Lenkbewegung zu überlagern. Eine derartige Lenkvorrichtung
ist beispielsweise aus der
DE
39 08 217 A1 bekannt. Ferner werden unter dem genannten
Oberbegriff Lenkvorrichtungen zusammengefasst, bei denen der Elektromotor
lediglich die Aufgabe hat, die vom Fahrer initiierte Lenkbewegung
durch zur Verfügung
stellen einer Hilfslenkkraft zu unterstützen. Bei derartigen Lenkungen
ist der Elektromotor häufig
mit einer Zahnstange eines Lenkgetriebes antreibend verbunden.
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Die
Ansteuerung der beispielsweise als Synchron- oder Asynchronmotoren
ausgebildeten Elektromotoren erfolgt über eine Leistungselektronik
mit einem Umrichter. Dieser wandelt die Versorgungsspannung des
Kraftfahrzeug-Bordnetzes in mehrere mit Frequenzen im Bereich von
20 kHz getaktete pulsweitenmodulierte Signale um. Der Mittelwert
der pulsweitenmodulierten Signale wird so eingestellt, dass sich
der je nach Anwendung gewünschte Motorstrom über die
Induktivität
des Elektromotors einstellt. Der Motorstrom kann dabei je nach Anwendung
beispielsweise einen sinusförmigen
oder rechteckförmigen
Verlauf aufweisen. Die Leistungselektronik beinhaltet mehrere Leistungstransistoren. Durch
die von diesen ausgeführten
Schaltvorgänge kommt
es zwangsläufig
zur Aussendung von die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinflussenden
Störsignalen.
Diese werden beispielsweise über
die Zuleitungen zum Elektromotor, die Batteriezuleitung der Lenkvorrichtung
sowie andere elektrische Anschlüsse
an der Lenkvorrichtung geleitet und verursachen dort eine Störabstrahlung.
Neben der direkten Störabstrahlung
kommt es zur Überkopplung auf
andere Leitungen im Kraftfahrzeug und von dort zu einer weiteren
Störabstrahlung
und/oder zur galvanischen Störübertragung
auf das Bordnetz.
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Aus
langen Schaltzeiten, dass heißt
aus langen Steuerspannungs- und/oder
Steuerstromanstiegs und/oder -abfallzeiten zum Aufbau bzw. Abbau
der Kapazitäten
der Leistungselektronik bzw. der Leistungstransistoren, resultieren
kleine EMV-Störungen,
jedoch ist die Verlustleistleistung in der Leistungselektronik bei
langen Schaltzeiten groß, was
zu einer starken Erwärmung
der Leistungselektronik und damit im Extremfall zu einem Funktionsausfall
der Leistungselektronik und damit des Elektromotors führen kann.
Bei der Dimensionierung der Steuerung des Elektromotors werden die
Schaltzeiten einmalig so langsam eingestellt bzw. festgelegt, wie
dies bei einer theoretischen maximalen Umgebungstemperatur bzw.
maximalen Leistungselektroniktemperatur noch zulässig ist. Die Auslegung erfolgt
also anhand der maximal zulässigen
Verlustleistung und damit maximal zulässigen Erwärmung bei einer theoretischen
Maximaltemperatur.
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Um
die EMV zu verbessern müssen
aufwändige
Filtereinrichtungen vorgesehen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die EMV einer Lenkvorrichtung
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die der Auslegung
der Steuerung des Elektromotors zugrunde liegende theoretische Maximaltemperatur
statistisch nur sehr selten erreicht wird. Die maximale Temperatur
tritt nur auf bei Fahrzeugen im Heißlandeinsatz, nur für eine kurze
Zeit innerhalb des Jahres, nur zur heißesten Zeit des Tages, nur wenn
gleichzeitig die Last für
den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs maximal ist und gleichzeitig
die Fahrgeschwindigkeitniedrig ist, insbesondere bei Bergauffahrten,
und nur wenn zugleich extreme Lenkmanöver durchgeführt werden.
In der Regel liegt die tatsächliche
Temperatur der Leistungselektronik bzw. die Umgebungstemperatur
der Leistungselektronik unterhalb dieses maximalen Temperaturwertes, so
dass über
lange Betriebszeiten noch längere Schaltzeiten
mit daraus resultierender geringer EMV-Störung realisierbar wären. Es
werden also in der meisten Zeit unnötiger Weise hohe EMV-Störungen in
Kauf genommen. Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Schaltzeiten der Leistungselektronik an
die tatsächliche,
mittels mindestens eines Sensors gemessene Temperatur der Leistungselektronik, bzw.
deren Umgebungstemperatur, angepasst werden, insbesondere derart,
dass die Schaltzeiten maximiert werden, um möglichst geringe EMV-Störungen zu
verursachen. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung nur die Einschaltzeiten
oder nur die Abschaltzeiten oder beide gemeinsam zu variieren.
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Aufgrund
der Erfindung können
die EMV-Filtereinrichtungen reduziert und/oder das EMV Abstrahlverhalten
verbessert werden.
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Gemäß der Erfindung
können
die Schaltzeiten eines Leistungstransistors der Leistungselektronik
durch Variation der Steuerspannungs- und/oder Steuerstromanstiegsgeschwindigkeit
an den Leistungstransistoren zum Aufbau oder Abbau der Kapazitäten der
Leistungstransistoren verändert
werden. Insbesondere muss eine Kapazität zwischen dem Gate-Anschluss
und dem Source-Anschluss eines Leistungstransistors, vorzugsweise
eines MOSFETs, aufgebaut werden, damit der Transistor zwischen Source-Anschluss
und Drain-Anschluss leitet. Dabei ist der Drain- oder Source-Anschluss des Leistungstransistors
mit einer Wicklung des Elektromotors verbunden. Die Zeit zum Aufbau
oder Abbau dieser Kapazität
entspricht im Wesentlichen der Schaltzeit des Leistungstransistors.
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Im
einfachsten Fall kann zwischen mindestens zwei unterschiedlichen
Schaltzeiten ausgewählt,
die sich beispielsweise durch die Wahl einer von zwei Ansteuerleitungen
eines Leistungstransistors mit unterschiedlich großen ohmschen
Widerständen
realisieren lassen. Bei Überschreiten
einer vorgegebenen Temperatur wird die Ansteuerleitung mit dem kleineren
Widerstand mit daraus resultierender schnellerer Schaltzeit gewählt. Wird
die vorgegebene Temperatur unterschritten, wird die alternative Ansteuerleitung
genutzt. Zusätzlich
ist es denkbar, bei unterschreiten einer noch geringeren vorgegebenen
Leistungselektroniktemperatur die Verbindungsleitungen gemeinsam
zur Versorgung des Leistungstransistors mit Steuerspannung und/oder
Steuerstrom zu nutzen.
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Eine
feingestuftere oder kontinuierliche Anpassung der Schaltzeiten an
die Temperatur der Leistungselektronik bzw. an die Umgebung der
Leistungselektronik ist dadurch realisierbar, dass eine Leistungstransistor-Treibereinheit
zur Bereitstellung der Steuerströme
und Steuerspannungen für
die Leistungstransistoren der Leistungselektronik (Leistungsendstufe)
vorgesehen ist. Zur Variation der Schaltzeiten der Leistungselektronikbauteile
ist nun vorgesehen, dass die Leistungstransistor-Treibereinheit
mindestens eine variable, d.h. einstellbare, Stromquelle zur Variierung
der Einschaltzeit eines Leistungstransistors der Leistungselektronik
umfasst. Wird die variable Stromquelle mittels eines Schalters zugeschaltet,
fließt
ein Steuerstrom zum Leistungstransistor. Je nach gewähltem Stromwert, resultiert
ein schneller oder ein langsamer Zuschaltvorgang des Leistungstransistors.
Die Steuerstrom- und/oder Steuerspannungsanstiegsgeschwindigkeit kann
mittels der variablen, programmierbaren Stromquelle verändert werden.
Bevorzugt enthält
die Leistungstransistor-Treibereinheit eine Ladungspumpe, um der
variablen Stromquelle immer eine konstante Eingangsspannung, vorzugsweise
10 V, zu Verfügung
zu stellen, da die Bordnetzspannung größeren Schwankungen unterworfen
ist.
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Zur
Ansteuerung der variablen Stromquelle in Abhängigkeit der mittels eines
Sensors gemessenen Temperatur ist eine Logikeinheit vorgesehen,
die mit dem Temperatursensor verbunden ist. Die Logikeinheit gibt
die Steuerstrom- bzw. Steuerspannungsstromanstiegsgeschwindigkeit
vor. Die Leistungstransistor-Treibereinheit
kann mit der Logikeinheit über
eine digitale oder eine analoge Schnittstelle verbunden sein. Bei
einer digitalen Schnittstelle fließen serielle Datensignale,
wobei den übermittelten
Datensignalen unterschiedliche Stromanstiegskennlinien zugeordnet
sein können.
Bei einer analogen Verbindung können
die übermittelten Spannungen
oder Ströme
unmittelbar als Steuerspannung für
die verstellbare Stromquelle genutzt werden.
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Neben
oder alternativ zu mindestens einer verstellbaren Stromquelle zur
Veränderung
der Anstiegszeiten der Steuerspannung und/oder des Steuerstroms
für den
Einschaltvorgang einen Leistungstransistor kann mindestens eine
weitere, separat verstellbare Stromquelle vorgesehen werden, um
die Abschaltzeit des Leistungstransistors zu variieren. Es ist auch
denkbar, eine einzige gemeinsame verstellbare Stromquelle vorzusehen,
mit Hilfe derer die Ein- und Ausschaltzeit des Transistors gemeinsam variierbar
ist.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Lenkvorrichtung mit Elektromotor
sowie Steuereinrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung eines Elektromotors einer Lenkvorrichtung
mit Steuereinrichtungen und,
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3 eine
schematische Darstellung einer alternativen Steuereinrichtung.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
schematisch eine elektromechanische Lenkung 1 mit einem
als Lenkrad ausgebildeten Lenkmittel 2 dargestellt. Das
Lenkmittel 2 ist über eine
Lenkstange 3 mit einem Lenkgetriebe 4 verbunden,
welches die rotatorische Bewegung des Lenkmittels 2 in
eine translatorische Bewegung umwandelt, welche über ein Gestänge 5 an
vordere Fahrzeugräder 6 zur
Verstellung des Fahrzeugradeinschlagwinkels übertragen wird. Auf das Lenkgetriebe 4 wirkt
zur Unterstützung
der Lenkbewegung des Fahrers ein elektrischer Servomotor 7 ein.
Bei einer Aktivlenkung kann zusätz lich
oder alternativ zu dem Elektromotor 7 ein weiterer auf
ein Überlagerungsgetriebe
in der Lenksäule
einwirkender Elektromotor vorgesehen werden, der gemäß der Erfindung
ansteuerbar ist.
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Zur
Steuerung des Elektromotors 7 ist als Leistungselektronik 8 ein
Umrichter 9 mit mehreren in 1 nicht
gezeigten Leistungstransistoren (siehe 2 und 3)
vorgesehen. Die Transistoren erhalten ihre Steuerspannung bzw. ihren
Steuerstrom zum Auf- und Abbau der Kapazitäten von einer Leistungstransistor-Treibereinheit 10 mit
mehreren in 1 nicht dargestellten verstellbaren
Stromquellen (siehe 2). Die Leistungstransistor-Treibereinheit 10 ist
mit Verbindungsleitungen 11 mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs
verbunden. Ebenso ist der Umrichter 9 an das Bordnetz mit
Verbindungsleitungen 37 zur Zuleitung der zu modulierenden
Spannung bzw. des Stroms angeschlossen. Die Leistungstransistor-Treibereinheit 10 ist
mit einer Logikeinheit 13 verbunden, die die Stromquellen
in Abhängigkeit
der mittels eines Sensors 12 gemessenen Temperatur der
Leistungselektronik 8 bzw. der Umgebungstemperatur der
Leistungselektronik 8 regelt bzw. steuert. Über die Änderung
der Steuerstrom- und/oder Steuerspannungsanstiegsgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
von der gemessenen Temperatur wird Einfluss auf die Schaltzeiten
der Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik genommen. Je langsamer die
Anstiegszeit ist, desto größer ist
die Verlustleistung und damit die Wärmeabstrahlung und umso geringer
ist Aussendung von Störsignalen.
Die Schaltzeiten können
gemäß der Erfindung
soweit verlangsamt werden, wie dies bei der aktuellen Temperatur, evtl.
abzüglich
einer Sicherheitstemperaturspanne, noch zulässig ist, woraus zwar eine
höhere
Verlustleistung, aber schwächere
Störsignale
resultieren.
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Der
Temperatursensor 12 kann zusammen mit der Leistungstransistor-Treibereinheit 10 und
der Logikeinheit 13 auf einer Platine angeordnet sein,
die zusammen mit der Leistungselektronik 8 auf einem Metallblock
zur Wärmeableitung
angeordnet ist. Ebenso ist es möglich,
den Temperatursensor 12 als unmittelbaren Bestandteil der
Leistungstransistor-Treibereinheit 10 auszubilden. Die
gemessene Temperatur ist dann die Umgebungstemperatur der Leistungselektronik 8,
die im wesentlichen der tatsächlichen
Temperatur der Leistungselektronik 8 entspricht oder sich
zumindest proportional zu dieser verhält.
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In 2 ist
ein Elektromotor 7 dargestellt, der beispielsweise unmittelbar
auf ein Lenkgetriebe einer Lenkvorrichtung oder auf ein Überlagerungsgetriebe
(Aktivlenkung) antreibend einwirkt.
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Das
Drehstromsystem des gezeigten Elektromotors 7 weist 3 in
Umfangsrichtung versetzte Wicklungen 14, 15, 16 auf,
die von drei als Sternschaltung geschalteten Phasensträngen U,
V, W mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Phasenstränge U, V,
W sind mit einer als Umrichter 9 ausgebildeten Leistungselektronik 8 verbunden.
Der Umrichter 8 umfasst 6 Leistungstransistoren 17 bis 22, so
genannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-/-Silizium-Feldeffekttransistoren), wobei
jeweils zwei in der Zeichenebene untereinander angeordnete Leistungstransistoren 17, 18; 19, 20; 21, 22 einem
Phasenstrang U, V, W zugeordnet sind. Die Leistungstransistoren
der Leistungstransistorenpaare sind invers getaktet und versorgen
die Wicklungen 14, 15, 16 mit pulsweitenmodulierten
Spannungen bzw. Strömen.
Zwischen der Schaltung der Leistungstransistoren eines Leistungstransistorenpaares
wird eine Todzeit eingehalten, um ein gleichzeitges Einschalten
zu vermeiden. Der Umrichter 8 bzw. wird mit Bordnetzspannung
versorgt, die von den Leistungstransistoren 17 bis 22 geschaltet
bzw. moduliert wird.
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Die
Leistungstransistoren sind mit Ihren Gate-Anschlüssen G und Source-Anschlüssen S mit einer
Leistungselektronik- Treibereinheit 10 verbunden.
Diese weist in diesem Ausführungsbeispiel
für jeden
Leistungstransistor 17 bis 22 zwei variable, verstellbare
Stromquellen 23, 24 auf, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen nur
die Stromquellen 23, 24 zur Steuerung des Leistungstransistors 21 gezeigt sind.
Die in der Zeichnungsebene obere Stromquelle 23 dient zur
Variation der Steuerstrom- bzw. Steuerspannungsanstiegsgeschwindigkeit
für den Einschaltvorgang
des Transistors 21, wohingegen die untere Stromquelle 24 zur
Variation der Steuerstrom- bzw. Steuerspannungsanstiegsgeschwindigkeit
für den
Ausschaltvorgang des Transistors 21 dient. Die Stromquellen 23, 24 können über Schalter 25, 26 zuabgeschaltet
werden.
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Zur
Ansteuerung der Stromquellen 23, 24 in Abhängigkeit
der Temperatur der Leistungselektronik 8 ist eine Logikeinheit 13 vorgesehen,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über digitale
Schnittstellen 27, 28 (z.B. SPI, I2C)
mit der Leistungselektronik-Treibereinheit 10 kommuniziert.
Ebenso ist es denkbar analoge Schnittstellen (Pulsweitenmodulation,
Spannung) zu nutzen. Die Logikeinheit 13 ist mit dem Temperatursensor 12 verbunden,
der die Temperatur der Leistungselektronik bzw. deren Umgebungstemperatur
misst. In Abhängigkeit
der gemessenen Temperatur werden die Stromquellen 23, 24 angesteuert,
wodurch die Schaltzeiten der Leistungstransistoren 17 bis 22,
hier des Leistungstransistors 21, verändert werden.
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In 3 ist
eine einfachere Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Mit Hilfe dieser Ausführungsform kann nur zwischen
drei unterschiedlichen Schaltzeiten variiert werden, was aber bereits
zu einer deutlichen Verbesserung der EMV beiträgt. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist
lediglich die Ansteuerung eines Leistungstransistors 21 bildlich
erläutert. Die
Anordnung des Elektromotors 7 sowie des Umrichters 9 entspricht
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2.
Der Gate-Anschluss G des Leistungs transistors 21 ist mit
zwei Ansteuerleitungen 29, 30 verbunden, die parallel
geschaltet sind und einen gemeinsamen Anschluss zu einer Konstantstromquelle 31 mit
einer Nennspannung von 10 V aufweisen. Weiterhin ist der Source-Anschluss
S des Leistungstransistors 21 über eine Steuerleitung 34 an
die Konstantstromquelle 31 angeschlossen. In jeder Ansteuerleitung 29, 30 ist
ein ohmscher Widerstand 32, 33 angeordnet, wobei
die beiden Widerstände 32, 33 unterschiedlich
groß sind.
Jede Ansteuerleitung 29, 30 ist mit Hilfe eines
Schalters 35, 36 zu- bzw. abschaltbar. Zur Betätigung der
Schalter 35, 36 sind diese mit einer Logikeinheit 13 verbunden,
die wiederum mit einem Temperatursensor 12 zum Messen der
Temperatur der Leistungselektronik 8 verbunden ist. Der
Temperatursensor kann beispielsweise, wie gezeigt, außerhalb
der Elektronikbauteile (rechte Zeichnungsebene) oder zusätzlich oder
alternativ beispielsweise als Teil der Leistungstransistor-Treibereinheit 10 ausgebildet
sein (mittlere Zeichnungsebene). Je nach nachdem, in welchem Temperaturbereich
sich die gemessene Temperatur bewegt, werden die Schalter 35, 36 betätigt. Damit
können
die Ansteuerleitungen alternativ oder kumulativ genutzt werden.
Durch den daraus resultierenden unterschiedlich großen Spannungsabfall
aufgrund der unterschiedlichen Widerstände wird Einfluss auf den Steuerstrom
bzw. die Steuerspannung des Leistungstransistors 21 genommen,
wodurch zwischen drei unterschiedlichen Schaltzeiten variiert werden kann.
Es ist denkbar, noch weitere Ansteuerleitungen und somit eine feinere
Abstufung der Schaltzeiten vorzusehen.
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Um
einen Ausschaltvorgang des Leistungstransistors 21 zu bewirken,
ist jede Ansteuerleitung 29, 30 über je eine
Verbindungsleitung 38, 39 mit je einem Schalter 40, 41 mit
der Steuerleitung 34 verbunden. Durch schließen der
Schalter 40, 41 wird der zwischen Gate-Anschluss
G und Source-Anschluss S gebildete Kondensator entladen, wodurch
der Leistungstransistor 21 den Stromfluss zwischen Gate-Anschluss
G und Drain-Anschluss D abschaltet.
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- 1
- Lenkvorrichtung
- 2
- Lenkmittel
- 3
- Lenkstange
- 4
- Lenkgetriebe
- 5
- Lenkgestänge
- 6
- Fahrzeugräder
- 7
- Elektromotor
- 8
- Leistungselektronik
- 9
- Umrichter
- 10
- Leistungselektronik-Treibereinheit
- 11
- Verbindungsleitungen
- 12
- Temperatursensor
- 13
- Logikeinheit
- 14
- Wicklung
- 15
- Wicklung
- 16
- Wicklung
- 17
- Leistungstransistor
- 18
- Leistungstransistor
- 19
- Leistungstransistor
- 20
- Leistungstransistor
- 21
- Leistungstransistor
- 22
- Leistungstransistor
- 23
- variable
Stromquelle
- 24
- variable
Stromquelle
- 25
- Schalter
- 26
- Schalter
- 27
- Schnittstelle
- 28
- Schnittstelle
- 29
- Ansteuerleitung
- 30
- Ansteuerleitung
- 31
- Konstantstromquelle
- 32
- Widerstand
- 33
- Widerstand
- 34
- Steuerleitung
- 35
- Schalter
- 36
- Schalter
- 37
- Verbindungsleitung
- 38
- Verbindungsleitung
- 39
- Verbindungsleitung
- 40
- Schalter
- 41
- Schalter