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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Treiberschaltungen für lichtemittierende
Dioden (LEDs) insbesondere für
batteriebetriebene Anwendungen.
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Lichtemittierende
Dioden (LEDs) werden immer häufiger
zu Beleuchtungszwecken verwendet seit LEDs mit hoher Lichtstärke zu verhältnismäßig niedrigen
Kosten verfügbar
sind. Um eine konstante Lichtstärke
bzw. eine konstante Beleuchtungsstärke (Intensität) zu erreichen,
müssen
LEDs mit einem konstanten Laststrom betrieben werden.
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Um
eine einzelne LED oder eine Vielzahl von LEDs mit einem konstanten
Strom zu betreiben, sind spezielle Treiberschaltungen entwickelt
worden. In batteriebetriebenen Beleuchtungsanwendungen, insbesondere
im Automobilbereich, ist die Versorgungsspannung, die von der (Auto-)Batterie
zur Verfügung
gestellt wird, viel höher
als der Spannungsabfall über
einer Leuchtdiode. Als Folge davon wird ein Großteil der Leistung in der Treiberschaltung
umgesetzt, insbesondere in Stromquellenschaltungen und Serienwiderständen der
LEDs. Die in der Treiberschaltung umgesetzte Verlustleistung kann
reduziert werden, indem man mehrere LEDs in Serie schaltet. So können zum
Beispiel bis zu fünf
LEDs mit einer typischen Flussspannung ("forward voltage") von 2,1 V an einer 12 V Autobatterie
betrieben werden. Die Helligkeit der LEDs kann so jedoch nicht einzeln
gesteuert bzw. geregelt werden, was jedoch bei der Verwendung von
LEDs unterschiedlicher Farbe häufig
wünschenswert
ist.
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Eine
Mehrfarben-LED-Schaltung umfasst häufig eine rote LED, eine grüne LED,
eine blaue LED und optional eine weiße LED, wobei die Helligkeit
von jeder LED einzeln einstellbar sein muss, um eine beliebige Farbe
im sichtbaren Spektrum erzeugen zu können.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine neuartige
LED-Treibschaltung mit niedriger Verlustleistung zur Verfügung zu
stellen, die eine individuelle Helligkeitseinstellung für jede einzelne
mit der Treiberschaltung verbundene LED ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Treiberschaltung gemäß den Ansprüchen 1 und 7 bzw. durch die Beleuchtungseinrichtung
gemäß Anspruch
12 gelöst. Unterschiedliche
Ausführungsbeispiele
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Ein
erstes Beispiel der Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zur
Ansteuerung zumindest eines ersten Arrays von Leuchtdioden. Die
Treiberschaltung umfasst: eine erste Bypass-Stromquelle, die parallel
zu der ersten Leuchtdiode geschaltet ist, sodass die erste Stromquelle
und die erste Leuchtdiode eine erste Parallelschaltung bilden; eine
Hauptstromquelle, die in Serie zu der ersten Parallelschaltung geschaltet
ist; und eine erste Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, einen
ersten Bypass-Strom der ersten Bypass-Stromquelle einzustellen.
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Gemäß einem
anderen Beispiel der Erfindung umfasst die Treiberschaltung folgendes:
eine Vielzahl von Bypass-Stromquellen, die eine Kette von Stromquellen
bilden, wobei jede Stromquelle einen Bypass-Strom treibt; eine Hauptstromquelle,
die in Serie zu der Kette von Bypass-Stromquellen geschaltet ist,
eine Vielzahl von Steuereinheiten, von denen jede mit einer korrespondierenden
Bypass-Stromquelle verbunden ist und dazu ausgebildet ist, den Bypass-Strom
der jeweiligen Bypass-Stromquelle
einzustellen; und eine Vielzahl von Anschlüssen zum Anschluss je eines
Arrays von Leuchtdioden parallel zu jeder Bypass-Stromquelle.
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Ein
weiteres Beispiel der Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung,
die folgendes umfasst: zumindest ein erstes Array und ein zweites
Array von Leuchtdioden; zumindest zwei Bypass-Stromquellen, die
jeweils einen Bypass-Strom treiben, wobei jedem Array von Leuchtdioden
eine Bypass-Stromquelle parallelgeschaltet ist; eine Hauptstromquelle,
wobei die Hauptstromquelle und alle Bypass-Stromquellen in Serie
geschaltet sind; und zumindest zwei Steuereinheiten, wobei jede Steuereinheit
mit einer korrespondierenden Bypass-Stromquelle verbunden ist und
dazu ausgebildet ist, den Bypass-Strom der jeweiligen Bypass-Stromquelle
einzustellen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert:
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1 beschreibt
eine bekannte LED-Treibschaltung;
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2 beschreibt
eine neuartige LED-Treiberschaltung als erstes Beispiel der Erfindung;
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3 beschreibt
eine andere LED-Treiberschaltung, wobei die Lastströme, die
durch die LEDs fließen,
moduliert werden;
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4 beschreibt
eine andere LED-Treiberschaltung als weiteres Beispiel der Erfindung;
und
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5 zeigt Beispiele (5A, 5B, 5C)
unterschiedlicher Reihen bzw. Felder ("Arrays") von Leuchtdioden.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten
bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
eine häufig
verwendete Treiberschaltung 1 zum Ansteuern einer Leuchtdiode
LD1. Die Treiberschaltung 1 umfasst
eine Stromquelle Q1 und optional einen Serienwiderstand R1, die beide in Serie zu der Leuchtdiode
LD1 geschaltet sind. In diesem Beispiel
wird die Stromquelle Q1 von einem Versorgungspotential
VBAT aus versorgt, welches zum Beispiel
von einer Autobatterie bereitgestellt wird. Die Kathode der Leuchtdiode
LD1 ist mit einem Anschluss verbunden, der
auf einem Referenzpotential, z. B. Massepotential GND liegt. Die
Positionen der Leuchtdiode LD1, des optionalen
Widerstands R1 und der Stromquelle Q1 können
jedoch beliebig vertauscht werden.
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Um
die Helligkeit der Leuchtdiode LD1 einzustellen,
kann die Stromquelle Q1 steuerbar ausgeführt sein,
d. h. der Laststrom IQ1, der durch die Stromquelle
Q1 fliest, ist abhängig von einem Steuersignal
CTRL, das der Stromquelle Q1 zugeführt ist.
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Die
Verlustleistung PD, die in der Treiberschaltung
umgesetzt wird, kann entsprechend der folgenden Gleichung berechnet
werden für
den Fall, dass kein Widerstand vorhanden ist: PD = IQ1(VBAT – VLD1), (1a)wobei
VLD1 die Flussspannung ("forward voltage") über
der Leuchtdiode LD1 bezeichnet.
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Für den Fall,
dass ein Serienwiderstand R1 vorhanden ist,
ist die Verlustleistung: PD = IQ1(VBAT – IQ1·R1 – VLD1). (1b)
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Der
Widerstand R1 ist hilfreich, um die in der Stromquelle
Q1 umgesetzte Verlustleistung zu reduzieren.
Der Widerstand R1 "übernimmt" einen Teil der gesamten
Verlustleistung und kann helfen, eine Überhitzung der Stromquelle
Q1 zu vermeiden.
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Da
typische Batteriespannungen VBAT viel höher sind
als die Flussspannung VLD1 einer Leuchtdiode,
ist die Verlustleistung in der Treiberschaltung verhältnismäßig groß. Dies
hat erhöh ten
Aufwand für die
Kühlung
der Treiberschaltung zufolge, sowie einen überhöhten Energieverbrauch.
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Wenn
mehr als eine Leuchtdiode angesteuert wird und wenn die Helligkeit
von jeder Leuchtdiode einstellbar sein soll, dann kann für jede einzelne Leuchtdiode
eine separate Treiberschaltung 1 gemäß 1 verwendet
werden. Die resultierende Verlustleistung PD kann
entsprechend den Gleichungen 1a bzw. 1b berechnet werden, wobei
die Leistung mit der Anzahl der Leuchtdioden zu multiplizieren ist.
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2 zeigt
eine neuartige Treiberschaltung 2 zur Ansteuerung einer
Vielzahl von "Arrays" (Reihen oder Felder)
von Leuchtdioden LD1, LD2,
..., LDN. Die Treiberschaltung 2 gemäß 2 kann
jedoch auch zur Ansteuerung von zumindest zwei in Serie geschalteten
Arrays von Leuchtdioden LD1, LD2 verwendet
werden. Die Treiberschaltung umfasst eine Hauptstromquelle QM, die einen Hauptstrom IQM zur Verfügung stellt.
Eine Vielzahl von Bypass-Stromquellen Q1,
Q2, ... QN sind
in Serie zu der Hauptstromquelle QM geschaltet
und weisen Anschlüsse
auf zum Anschluss von Arrays von Leuchtdioden jeweils parallel zu
einer Bypass-Stromquelle Q1, Q2,
..., QN auf. Jede Bypassstromquelle Q1, Q2, ..., QN treibt einen Bypassstrom IQ1,
IQ2, ..., IQN.
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In
der Schaltung gemäß 2 weist
jedes Array von Leuchtdioden nur eine einzelne Leuchtdiode auf.
Statt einer einzelnen Leuchtdiode kann jedoch auch eine Serienschaltung
mehrerer Leuchtdioden, eine Parallelschaltung mehrerer Leuchtdioden oder
eine Parallelschaltung mehrerer Serienschaltungen von Leuchtdioden
aufweisen. Jedes dieser Arrays von Leuchtdioden kann jeweils einer
einzelnen Bypass-Stromquelle Q1, Q2, ..., QN parallel
geschaltet sein.
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Beispiele
derartiger Arrays (Reihen von Leuchtdioden) sind in der 5 gezeigt, wobei die 5a ein
Array zeigt, das eine Serienschaltung mehrerer Leuchtdioden LD11, ..., LD1N aufweist,
die Figur B ein Array zeigt, das eine Parallelschaltung mehrerer
Leuchtdioden LD11, ..., LDN1 aufweist,
und die 5c eine Parallelschaltung mehrerer
Serienschaltungen zeigt.
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Die
Hauptstromquelle QN wird mit einem ersten
Versorgungspotential VBAT versorgt, welches
z. B. von einer Autobatterie zur Verfügung gestellt wird. Die Versorgungsspannung
VBAT, die die Treiberschaltung 2 speist,
soll hoch genug gewählt
werden, um die Serienschaltung sämtlicher
Dioden LD1, LD2,
..., LDN versorgen zu können. In der Schaltung gemäß 2 bilden
jede Bypass-Stromquelle Q1, Q2,
..., QN und die dazugehörige Leuchtdiode (bzw. das
dazugehörige
Array von Leuchtdioden) LD1, LD2,
..., LDN eine Parallelschaltung, wobei alle
diese Parallelschaltungen in Serie zwischen der Hauptstromquelle QM und einem Anschluss, der auf einem Referenzpotential,
z. B. Massepotential GND, liegt, geschaltet sind.
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Eine
Steuereinheit 21, 22, ... 2N ist mit
je einer Bypass-Stromquelle
Q1, Q2, ..., QN verbunden und dazu ausgebildet, den jeweiligen
Bypass-Strom IQ1, IQ2,
..., IQN, der durch die jeweilige Bypass-Stromquelle
Q1, Q2, ..., QN fließt,
einzustellen. Als Folge ist der effektive Laststrom ILD1,
der durch eine bestimmte Leuchtdiode LD1 der
Vielzahl von Leuchtdioden fließt gleich
der Differenz zwischen dem Hauptstrom IQM und
dem jeweiligen Bypass-Strom IQ1, d. h.: ILDi = IQM – IQi, (2)wobei
i ein Index ist, der von 1 bis N läuft und der die Nummer der
Bypass-Stromquelle Qi mit dem Bypass-Strom
IQi und die Nummer der Leuchtdiode ILDi mit dem Laststrom ILDi bezeichnet.
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Mit
Hilfe der Steuereinheiten 21, 22, ..., 2N kann
die Helligkeit jeder einzelnen Leuchtdiode LDi entsprechend
einem Sollwert eingestellt werden, indem die jeweiligen Bypass-Ströme IQi und folglich die Lastströme ILDi eingestellt werden. Jede Steuereinheit 21, 22,
..., 2N kann ein digital adressierbares Datenbus-Interface
aufweisen, z. B. ein serielles Interface zum Anschluss eines seriellen
Datenbusses 30. Der Sollwert für den Laststrom oder die Helligkeit kann
von dem Bus 30 als binäres
Datenwort empfangen werden. Für
den Fall, dass Sollwerte für
die Helligkeit von dem Datenbus 30 empfangen werden, können die
Steuereinheiten 21, 22, ..., 2N eine
Kalibriertabelle beinhalten zur Konvertierung der empfangenen Sollwerte
für die
Helligkeit in einen Sollwert IDi für den Laststrom
ILDi für
die entsprechende Leuchtdiode LDi.
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Nachdem
der Sollwert IDi für den Laststrom ermittelt wurde,
wird der Bypass-Strom IQi der entsprechenden
Bypass-Stromquelle
auf den Stromwert IQi = IQM – IDi gesetzt. Die Bypass-Stromquellen Qi müssten
nicht notwendigerweise einen kontinuierlichen Bypass-Strom IQi treiben. Die Steuereinheiten 21, 22,
..., 2N sind oft einfacher zu implementieren, wenn die
Bypass-Stromquellen Qi durch ein gepulstes
Steuersignal gesteuert werden, was gepulste Bypass-Ströme IQi und gepulste Lastströme ILDi zufolge hat,
deren Durchschnittstromwert gleich dem Sollwert IDi für den Laststrom
ist, d. h. IDi = mean{ILDi}.
Zu diesem Zweck kann jede Steuereinheit 21, 22,
..., 2N einen Modulator aufweisen, der ein gepulstes Steuersignal,
z. B. ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, ein pulsfrequenzmoduliertes
(PFM) Signal oder ein pulsdichtemoduliertes (PDM) Signal, zur Ansteuerung
der jeweiligen Bypass-Stromquelle Qi erzeugt. In
diesem Fall werden die Bypass-Ströme IQi ein-
und ausgeschaltet entsprechend dem gepulsten Steuersignal, das der
Bypass-Stromquelle Qi von der entsprechenden
Steuereinheit zugeführt
wird.
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Die
Bypass-Stromquellen Qi können also so angesteuert werden,
dass sie einen einstellbaren Strom IQi treiben,
der von Null bis zu einem bestimmten Maximalwert reicht, wobei der
aktuell eingestellte Strom abhängig
von einem Steuersignal ist, das von einem Stromregler der Steuereinheit
bereitgestellt wird. Der Maximalwert kann jenem Strom entsprechen,
der von der Hauptstromquelle QM zur Verfügung gestellt
wird, wobei in diesem Fall der Strom durch das Array von Leuchtdioden
Null ist, wenn der Bypass-Strom der jeweiligen Bypass-Stromquelle seinen
maximalen Wert annimmt. Alternativ kann die Bypass-Stromquelle Qi gepulst betrieben werden. Der Bypass-Strom
IQi ist in diesem Fall entweder Null oder
er entspricht dem bestimmten Maximalwert.
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Die 3 zeigt
ein Beispiel, bei dem die Bypass-Ströme IQi und
die Lastströme
ILDi mit Hilfe der Steuereinheiten 21, 22,
..., 2N moduliert werden, so dass im vorliegenden Fall
jeder Steuereinheit einen Modulator aufweist, z. B. einen Pulsweitenmodulator (PWM-Modulator),
einen Pulsfrequenzmodulator (PFM-Modulator) oder einen Pulsdichtemodulator (PDM-Modulator,
Sigma-Delta-Modulator). In diesem Fall können als Bypass-Stromquellen
Qi einfache Halbleiterschalter, z. B. MOSFETs,
verwendet werden, die ein- und ausgeschaltet werden abhängig von den
Ausgangssignalen der jeweiligen Steuereinheiten 21, 22,
..., 2N. Dabei wird die Eigenschaft von Feldeffekttransistoren
genutzt, als spannungsgesteuerte Stromquelle arbeiten zu können. In
dieser Anordnung ist ein Bypass-Strom IQi entweder
Null, wenn der MOSFET Qi, der den Baypass-Strom
treibt, ausgeschaltet ist, oder hat den Maximalwert entsprechend
dem Strom, der von der Hauptstromquelle QM zur
Verfügung
gestellt wird, wenn der MOSFET Qi, der den
Bypass-Strom treibt, eingeschaltet ist. Mit Ausnahme der Bypass-Stromquellen,
ist das Beispiel aus 3 identisch mit dem Beispiel
aus 2.
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Statt
die MOSFETs Qi ein- und auszuschalten, können die
MOSFETs auch analog gesteuert werden und dabei die Bypass-Ströme IQi kontinuierlich zwischen Null und einem
Maximalwert, der dem Strom der Hauptstromquelle QM entspricht,
eingestellt werden. In Mehrfarbenanwendungen, z. B. in einer Beleuchtungseinrichtung,
die eine rote Leuchtdiode LD1, eine grüne Leuchtdiode LD2 und eine
blaue Leuchtdiode LD3 und eine Treiberschaltung 2 gemäß 3 aufweist,
kann die Farbe durch die Mischung der Farben unterschiedliche Leuchtdioden
dadurch eingestellt werden, dass die Helligkeit jeder einzelnen
Leuchtdiode LD1, LD2,
LD3 mit Hilfe einer Steuereinheit 21, 22,
..., 23 eingestellt wird. Im Gegensatz dazu kann die Gesamthelligkeit
dadurch eingestellt werden, dass der Strom IQM der
Hauptstromquelle QM eingestellt wird.
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In
dem folgenden Absatz werden die Verlustleistungen des vorliegenden
Beispiels der Erfindung verglichen mit der Verlustleistungen, die
in der bekannten Treiberschaltung gemäß 1 auftreten. Die
Flussspannung VLD1 einer roten Leuchtdiode
LD1 ist ungefähr 2,5 V. die Flussspannungen
VLD2, VLD3 der grünen Leuchtdiode
LD2 und der blauen Leuchtdiode LD3 sind ungefähr 3,5 V bei einem Hauptstrom IQM von 50 mA. Für eine Treiberschaltung gemäß 3 wird
die gesamte Verlustleistung PD für eine Versorgungsspannung
VBAT von 18 V wie folgt berechnet PD = (VBAT – VLD1 – VLD3 – VLD3)IM = 0.425 W, (3)wobei für drei Treiberschaltungen
gemäß 1 sich die
Verlustleistung wie folgt berchnet: PD = IQ1(VBAT – VLD1) + IQ2(VBAT – VLD2) + IQ3(VBAT – VLD3) = 2.225 W, (4)
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Vorausgesetzt,
dass IQ1 = IQ2 =
IQ3 = 50 mA und das Puls-Pausen-Verhältnis der Steuersignale, welche
die Bypass-Stromquelle
Qi ansteuern gleich Eins ist.
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Der
gesamte Spannungsabfall über
den Leuchtdioden LD1, LD2 und
LD3 beträgt
rund 9,5 V und der minimale Spannungsabfall über der Hauptstromquelle ist
typischerweise 0,5 V, so dass mindesten eine Versorgungsspannung
von VBAT = 10 V notwendig ist, um die Treiberschaltung 2 ordnungsgemäß betreiben
zu können.
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Die 4 zeigt
ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Beispiel
ist speziell für geringe
Versorgungsspannungen VBAT geeignet, insbesondere
für Versorgungsspannungen,
die kleiner sind als 10 V. In diesem Beispiel werden zwei Treiberschaltungen
gemäß 2 verwendet,
wobei jede lediglich zwei Leuchtdioden LD1,
LD2 bzw. LD3 und
LD4 ansteuert. Die gesamte Treiberschaltung
ist als Treiberschaltung 3 bezeichnet. Die Treiberschaltung 3 und
die damit verbundenen Leuchtdioden LD1,
LD2, LD3 und LD4 bilden eine Mehrfarben-Beleuchtungseinrichtung,
wobei die Leuchtdiode LD1 eine rote, die Leuchtdiode
LD2 eine grüne, die Leuchtdiode LD3 eine blaue, und die Leuchtdiode LD4 eine weiße Leuchtdiode. ist. Wie bereits
oben erwähnt,
ist der Farbton das Ergebnis einer additiven Farbmischung des Lichtes,
das von den vier Leuchtdioden ausgestrahlt wird. Dieser Farbton
kann eingestellt werden durch ein geeignetes Ansteuern der Stromquellen Q1, Q2, Q3,
welche die grüne
und die blaue Leuchtdiode ansteuern. Die gesamte Helligkeit kann
entweder durch eine Variation der beiden Hauptströme IQM1 und IQM2 oder
durch eine Variation der Helligkeit der weißen Leuchtdiode mit Hilfe der
Steuereinheit 24 erreicht werden. Ein Vorteil der Treiberschaltungen
gemäß der 2 bis 4 ist,
dass immer ein Gleichstrom zwischen dem Versorgungspotentialanschluss und
der Hauptstromquelle QM fließt. Keine
elektromagnetischen Interferenzen können daher durch den Strom,
der durch die Versorgungsleitung fließt, die im Automobilbereich
mehr als einen Meter lang sein kann, erzeugt werden.