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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines zwischen zumindest zwei Schaltzuständen umschaltbaren elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils, wobei das Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten der Schaltzustände aufgrund eines durch den Verbraucher fließenden Stroms mittels Anlegen einer elektrischen Spannung an den Verbraucher erfolgt. Ferner umfasst die Erfindung eine elektrische Schaltung.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen zur Ansteuerung eines zwischen zumindest zwei Schaltzuständen umschaltbaren elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils, sind aus der
DE 4 341 797 A1 sowie der
EP 0 764 238 B1 bekannt. Bei den dort beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen wird eine Spannung an einen elektromagnetischen Verbraucher angelegt. Aufgrund der angelegten Spannung steigt der durch den Verbraucher fließende Strom an. Dieser erste Stromanstieg, im Folgenden Stromhochlauf genannt, setzt sich so lange fort, bis der durch den elektrischen Verbraucher fließende Strom einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Ab Erreichen des Schwellwertes endet der Stromhochlauf und über eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung wird der durch den Verbraucher fließende Strom, vorzugsweise durch Takten der Spannung - also periodisches Anlegen und Nicht-Anlegen der Spannung - , auf einen Sollwert geregelt. Ein Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers von einem ersten in einen zweiten der Schaltzustände findet stets nach dem Stromhochlauf statt. Bei dem Umschalten bewegen sich aufgrund des durch den Verbraucher fließenden Stroms magnetische Teile oder mit diesen verbundene Teile, wie beispielsweise ein Anker und eine Ventilnadel, von einer Stellung in eine andere. Die Stellungen entsprechen beispielsweise Endstellungen, insbesondere einer Ruhe- und einer Arbeitsstellung. Die Bewegung der magnetischen Teile bewirkt, sofern ein mit ihnen zusammenwirkender magnetischer Kreis des elektromagnetischen Verbrauchers nicht in Sättigung gegangen ist, eine charakteristische Änderung im Verlauf des Stroms. Für eine Bestimmung des Zeitpunkts des Umschaltens wird der Stromverlauf während der Stromregelung ausgewertet und anhand des zeitlichen Verlaufs des Stroms der Schaltzeitpunkt des elektromagnetischen Verbrauchers bestimmt. Der so angesteuerte elektromagnetische Verbraucher kann beispielsweise ein Magnetventil sein, das vorzugsweise zur Steuerung einer Einspritzung, beispielsweise von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Zur exakten Zumessung kleinster Einspritzmengen ist insbesondere der Zeitpunkt des Umschaltens von Interesse, bei dem die beweglichen, magnetischen Teile des elektromagnetischen Verbrauchers jeweils eine ihrer beiden Endstellungen erreichen.
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Bei den bekannten Systemen wird - wie vorstehend dargestellt - derart vorgegangen, dass der Strom nach dem Stromhochlauf getaktet und so auf einen konstanten Sollwert geregelt wird. Das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers erfolgt stets während dieser Sollwertregelung nach dem Stromhochlauf. Daher wird eine Änderung im Stromverlauf, die nicht auf der Regelung, sondern dem Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers beruht, stets in dieser Phase als Zeitpunkt des Umschaltens ausgewertet. Im Anschluss an das Umschalten wird die an den elektromagnetischen Verbraucher angelegte Spannung weiterhin getaktet, solange der Schaltzustand des elektromagnetischen Verbrauchers beibehalten werden soll. Bei diesem Verfahren muss stets sichergestellt sein, dass das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers nicht bereits während des Stromhochlaufs erfolgt, sondern insbesondere in der Phase der Stromregelung. Eine Schaltung zur Umsetzung des Verfahrens muss daher ebenfalls entsprechend ausgelegt sein. Somit müssen Verfahren und Schaltung an Rahmenbedingungen, wie beispielsweise angelegte Spannung und Kenngrößen des elektromagnetischen Verbrauchers angepasst sein, weshalb sie nicht universell einsetzbar sind.
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Aus den Offenlegungsschriften
DE 34 26 799 A1 und
DE 10 2006 009 628 A1 geht jeweils ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Verbrauchers hervor, wobei das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers ohne Takten der an dem elektromagnetischen Verbraucher anliegenden Spannung während des Stromhochlaufs erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber weist das Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers unabhängig von angelegter Spannung oder Kenngrößen des Verbrauchers stets während des Stromhochlaufs erfolgt. Dazu wird gegebenenfalls die Spannung mit beziehungsweise ab dem Anlegen der Spannung an den Verbraucher getaktet, wenn aufgrund der angelegten Spannung ohne Takten das Umschalten außerhalb des Stromhochlaufs erfolgen würde. Somit ist das Verfahren unabhängig von der Höhe der angelegten Spannung, und somit beispielsweise sowohl für 12V- als auch 24V-Bordnetze von Fahrzeugen, einsetzbar. Ebenso ist das Verfahren auf verschiedene elektromagnetische Verbraucher anwendbar. Wie vorstehend ausgeführt wird die Spannung mit Anlegen der Spannung an den Verbraucher getaktet, wenn aufgrund der angelegten Spannung ohne Takten das Umschalten des Verbrauchers außerhalb des Stromhochlaufs erfolgen würde. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Spannung also entweder mit Anlegen der Spannung an den Verbraucher und somit bereits während des Stromhochlaufs getaktet, oder vor dem Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers nicht getaktet. Unabhängig von dem Stromhochlauf kann der Strom nach dem Umschalten, beispielsweise durch Takten, auf einen bestimmten Wert geregelt werden, der erforderlich ist, um den elektromagnetischen Verbraucher in seinem Schaltzustand zu halten. Das Verfahren ist unabhängig von der angelegten Spannung und unabhängig von dem elektromagnetischen Verbraucher durchführbar, da das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers erfindungsgemäß stets während des Stromhochlaufs erfolgt. Somit ist das Nutzen des Verfahrens unabhängig von den genannten Rahmenbedingungen möglich, womit eine Standardisierung erfolgen kann, die zur Kostensenkung beiträgt. Durch das Takten während des Stromhochlaufs wird sichergestellt, dass der magnetische Kreis des elektromagnetischen Verbrauchers nicht vor dem Umschalten in Sättigung geht. Ginge der magnetische Kreis vor dem Umschalten in Sättigung, könnte der Zeitpunkt des Umschaltens nicht anhand der Änderung des Stromverlaufs bestimmt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Spannung mittels eines Schaltmittels getaktet wird. Durch das Takten der Spannung mittels eines, beispielsweise mit dem elektromagnetischen Verbraucher in Reihe geschalteten Schaltmittels kann eine Stromregelung realisiert werden. Aufgrund der induktiven Eigenschaften des elektromagnetischen Verbrauchers ändert sich der durch den Verbraucher fließende Strom nicht sprunghaft, wenn der Schalter geöffnet oder geschlossen wird. So kann durch regelmäßiges Öffnen und Schließen des Schaltmittels der Strom in einem bestimmten Bereich geregelt werden. Eine solche Stromregelung kann nötig sein, wenn aufgrund der angelegten Spannung das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers ohne Takten außerhalb des Stromhochlaufs erfolgen würde. Durch dieses Takten der Spannung mit Anlegen der Spannung an den Verbraucher ist es möglich, dass das Umschalten stets im Rahmen des Stromhochlaufs erfolgt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch Auswerten eines einem Stromverlauf entsprechenden Signals das Umschalten des Verbrauchers ermittelt wird. Das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers, das innerhalb des Stromhochlaufs erfolgt, bewirkt eine Änderung des Stromverlaufs in dem Verbraucher sowohl im getakteten als auch im nicht-getakteten Stromhochlauf. Durch das Auswerten eines dem Stromverlauf entsprechenden Signals kann somit das Umschalten des Verbrauchers ermittelt werden. Darüber hinaus kann das Auswerten des dem Stromverlauf entsprechenden Signals einer Stromregelung während des Stromhochlaufs und/oder einer Haltestromregelung nach dem Stromhochlauf dienen. Das Takten während des Stromhochlaufs und die Auswertung des Stromverlaufs müssen derart aufeinander abgestimmt sein, dass eine Änderung im Stromverlauf, die durch das Umschalten bewirkt wird, zuverlässig ausgewertet werden kann. Das Takten nach dem Umschalten, das beispielsweise einer Haltestromregelung dient, erfolgt unabhängig davon, ob die Spannung bereits mit Anlegen der Spannung getaktet wurde, oder vor dem Umschalten des ersten in den zweiten der Schaltzustände des elektromagnetischen Verbrauchers nicht getaktet wurde.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das dem Stromverlauf entsprechende Signal mittels eines Messwiderstands bestimmt wird. Mittels eines beispielsweise mit dem elektromagnetischen Verbraucher in Reihe geschalteten Messwiderstands kann mit einem Auswertemittel eine über dem Messwiderstand abfallende Spannung bestimmt werden. Über die direkte Abhängigkeit von Strom und Spannung kann so der durch den Verbraucher fließende Strom und dessen Verlauf bestimmt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das dem Stromverlauf entsprechende Signal mittels eines Verstärkers, insbesondere eines Differenzverstärkers, verstärkt wird. Eine Verstärkung des dem Stromverlauf entsprechenden Signals kann dazu dienen, das Signal auf einen gewissen Wert zu normieren, wenn dies für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung notwendig ist. Zusätzlich kann der Verstärker so ausgelegt sein, dass er für den erwarteten Stromverlauf optimiert ist, damit eine sehr genaue Bestimmung des Stroms erfolgen kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das dem Stromverlauf entsprechende Signal in ein Digitalsignal umgewandelt wird. Für die weitere Auswertung des dem Stromverlauf entsprechenden Signals kann es notwendig sein, dass das dem Stromverlauf entsprechende Signal als Digitalsignal vorliegt. Aus diesem Grund erfolgt das Umwandeln.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das dem Stromverlauf entsprechende Signal von einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgewertet wird. Eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die das dem Stromverlauf entsprechende Signal unverstärkt, verstärkt, analog und/oder digital auswertet, dient beispielsweise dazu, eine Einspritzdauer des Magnetventils zu erfassen und zu steuern beziehungsweise zu regeln. Mittels des dem Stromverlauf entsprechenden Signals ist es somit möglich, exakt das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers zu erfassen und folglich exakt die Dauer eines Schaltzustands des elektromagnetischen Verbrauchers zu bestimmen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Schaltung, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, zur Ansteuerung eines zwischen zumindest zwei Schaltzuständen umschaltbaren elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils, wobei elektrische Spannung mittels eines Schaltmittels zum Umschalten zwischen einem ersten und einem zweiten der Schaltzustände an den Verbraucher anlegbar ist, wodurch elektrischer Strom durch den Verbraucher fließt. Die elektrische Schaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Schaltmittel dazu vorgesehen ist, die Spannung mit dem Anlegen der Spannung zu takten, wenn aufgrund der angelegten Spannung das Umschalten außerhalb eines Stromhochlaufs erfolgen würde. Durch das Takten der Spannung mit Anlegen der Spannung an den elektromagnetischen Verbraucher soll das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers während des Stromhochlaufs erfolgen. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, dass die Spannung während des Stromhochlaufs nicht getaktet wird, wenn aufgrund der angelegten Spannung das Umschalten dennoch während des Stromhochlaufs erfolgt. Durch das Umschalten innerhalb des Stromhochlaufs können die hinsichtlich des Verfahrens genannten Vorteile umgesetzt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine auf das Schaltmittel einwirkende Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen ist. Mittels der auf das Schaltmittel einwirkenden Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist es einerseits möglich, Spannung an den elektromagnetischen Verbraucher anzulegen, und andererseits die Spannung mit beziehungsweise ab dem Anlegen der Spannung zu takten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert, ohne dass diese eine Beschränkung der Erfindung darstellen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung;
- 2 einen über die Zeit aufgetragenen Stromverlauf und
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schaltung.
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Der 1 ist eine schematische Darstellung einer auf wesentliche Bauelemente reduzierten Schaltung 1 zu entnehmen. Ein elektromagnetischer Verbraucher 3, insbesondere ein Magnetventil, ist über ein Schaltmittel 5, beispielsweise einen Transistor, das von einer Ansteuereinrichtung 7 angesteuert wird, mit einer Spannungsversorgungseinrichtung 9 verbunden, welche eine Spannung UBatt zur Verfügung stellt. Die Ansteuerungseinrichtung kann mit einer hier nicht dargestellten Steuer- und/oder Regelungseinrichtung verbunden sein. Der Verbraucher 3 steht über einen Messwiderstand 11 mit einer Masse 13 in Verbindung. Zwei Anschlüsse 15 und 17 des Messwiderstands 11, wobei der Anschluss 15 dem Verbraucher 3 und der Anschluss 17 der Masse 13 zugeordnet beziehungsweise an diese angeschlossen ist, sind mit einem Auswertemittel 19, beispielsweise einem Operationsverstärker, verbunden. Auf diese Weise kann eine dem durch den Verbraucher 3 fließenden Strom entsprechende Größe beziehungsweise ein entsprechendes Signal bestimmt werden. Das so bestimmte, dem Stromverlauf entsprechende Signal kann zusätzlich verstärkt und/oder in ein Digitalsignal umgewandelt werden. Dieses Signal kann mittels der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgewertet werden. Die Masse 13 steht mit einer Anode 21 einer Diode 23 in Verbindung. Eine Kathode 25 der Diode 23 ist mit einem Verbindungspunkt 27, welcher zwischen dem elektromagnetischen Verbraucher 3 und dem Schaltmittel 5 vorgesehen ist, schaltungstechnisch verbunden. Die Diode 23 dient als Freilaufdiode. Diese Anordnung aus elektromagnetischem Verbraucher 3, Messwiderstand 11 und Diode 23 stellt eine einfache Realisierung eines Freilaufkreises dar.
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Wird in der dargestellten Schaltung 1 das Schaltmittel 5 geschlossen, so liegt eine Spannung an dem elektromagnetischen Verbraucher 3 und an dem Messwiderstand 11 an. Über das Auswertemittel 19 wird das dem durch den Verbraucher 3 und den Messwiderstand 11 fließenden Strom entsprechende Signal bestimmt. Das Signal wird nachfolgend verstärkt oder unverstärkt als Analog- oder Digitalsignal von der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgewertet. Während eines ersten Zeitabschnitts, nachdem das Schaltmittel 5 geschlossen wurde, steigt der Strom an, der durch den Verbraucher 3 fließt. Das Umschalten des Verbrauchers 3 erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stets in diesem Zeitabschnitt des Stromhochlaufs. Dazu wird die Spannung mit Anlegen der Spannung an den Verbraucher 3 getaktet, wenn aufgrund der angelegten Spannung ohne Takten das Umschalten außerhalb des Stromhochlaufs erfolgen würde. Der Zeitpunkt des Umschaltens wird durch Auswerten des dem Stromverlauf entsprechenden Signals ermittelt. Wird das geschlossene Schaltmittel 5 wieder geöffnet, fließt der Strom aufgrund der in dem Verbraucher 3 gespeicherten Energie zunächst über den Messwiderstand 11 und die Diode 23 weiter, bis die Energie verbraucht ist.
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Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens wird auf die 2 verwiesen, in welcher der Verlauf des Stroms, der durch den elektromagnetischen Verbraucher 3 fließt, über der Zeit aufgetragen ist. Die Bezugsziffern entsprechen den in 1 für die Schaltung 1 verwendeten. Beispielhaft ist dargestellt, dass der Strom in der Phase des Stromhochlaufs nicht getaktet wird. Der 2 ist zu entnehmen, dass bis zu einem Zeitpunkt T0 kein Strom durch den elektromagnetischen Verbraucher 3 fließt. Bis zu diesem Zeitpunkt T0 ist das Schaltmittel 5 geöffnet. Im Zeitpunkt T0 wird das Schaltmittel 5 mittels eines Ansteuersignals der Ansteuereinrichtung 7 geschlossen. Ab diesem Moment fällt eine Spannung über dem elektromagnetischen Verbraucher 3 sowie dem Messwiderstand 11 ab. Da sich der Strom, der durch den elektromagnetischen Verbraucher 3 fließt, nicht sprunghaft ändern kann, steigt dieser ab dem Zeitpunkt T0 an. Dieser Anstieg ist von verschiedenen Faktoren abhängig und hier vereinfacht linear dargestellt. Es wäre ebenso möglich, die Spannung mit Anlegen der Spannung an den Verbraucher 3 zu takten, wenn dies notwendig ist, um das Umschalten des Verbrauchers 3 während des Stromhochlaufs zu erreichen. Ein Abfallens des Stroms um einen Zeitpunkt T1 herum ist charakteristisch für das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers 3. Durch Auswerten des dem Stromverlauf entsprechenden Signals kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung anhand dieses Abfallens des Stroms den Zeitpunkt des Umschaltens ermitteln. Nach dem Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers 3 steigt der Strom weiter an. Das Umschalten des elektromagnetischen Verbrauchers 3 erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stets während des Stromhochlaufs. Anschließend kann, wie hier beispielhaft dargestellt, in einem Zeitpunkt T2 das Schaltmittel 5 über ein weiteres Ansteuersignal der Ansteuereinrichtung 7 geöffnet werden, so dass der Verbraucher 3 nicht mehr mit der Spannungsversorgungseinrichtung 9 verbunden ist. Der Strom, der durch den elektromagnetischen Verbraucher 3 und den Messwiderstand 11 fließt, fällt dadurch wieder ab. Über die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung kann die Ansteuerschaltung 7 nun beispielsweise so gesteuert werden, dass das Schaltmittel 5 bei Unterschreiten eines bestimmten ersten Stromwertes wieder geschlossen wird und bei Überschreiten eines bestimmten zweiten Stromwertes wieder geöffnet wird. Somit kann eine Stromregelung realisiert werden, bei der ein Haltestrom für den elektromagnetischen Verbraucher 3 in einem bestimmten Bereich geregelt wird. In einem Zeitpunkt T3 wird das Schaltmittel 5 über die Ansteuereinrichtung 7 mittels eines Ansteuersignals geöffnet. Da das Schaltmittel 5 nachfolgend zunächst nicht wieder geschlossen wird, fällt der Strom auf 0 Ampere zurück.
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Das Verfahren ist, wie oben beschrieben, ebenso durchführbar, wenn der Strom, der durch den elektromagnetischen Verbraucher 3 fließt, auch zwischen den Zeitpunkten T0 und T2 , also während des Stromhochlaufs, getaktet wird. Es ist lediglich notwendig, dass trotz des Taktens des Stromes eine Änderung im Stromverlauf aufgrund des Umschaltens des elektromagnetischen Verbrauchers 3 ermittelt wird. Das Takten des Stroms während des Stromhochlaufs wird erfindungsgemäß dann angewendet, wenn aufgrund der angelegten Spannung ohne Takten das Umschalten außerhalb des Stromhochlaufs erfolgen würde.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung 2, die eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schaltung darstellt. Elemente, die den Elementen der 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Zusätzlich zu den in 1 dargestellten Elementen ist ein weiteres Schaltmittel 29, beispielsweise ein Transistor, mit einer weiteren Ansteuereinrichtung 31 schaltungstechnisch zwischen dem Verbraucher 3 und dem Messwiderstand 11 vorgesehen. Eine solche Anordnung des Verbrauchers 3 zwischen zwei Schaltmitteln 5 und 29 kann beispielsweise einer schnellen Unterbrechung des Stromflusses durch Öffnen des weiteren Schaltmittels 29 dienen. Bei geschlossenem weiterem Schaltmittel 29 kann eine Stromregelung durch das Schaltmittel 5 mittels Takten der Spannung erfolgen, wobei der Strom bei geöffnetem Schaltmittel 5 über die Diode 23 - im Sinne des Freilaufkreises - weiter fließen kann. Weiterhin sind ein weiterer Messwiderstand 33 zwischen dem Messwiderstand 11 und der Masse 13 sowie ein weiteres Auswertemittel 35, das dem weiteren Messwiderstand 33 parallel geschaltet ist, vorgesehen. Mit einer solchen Kombination von weiterem Messwiderstand 33 und weiterem Auswertemittel 35 kann beispielsweise ein Kurzschlussschutz realisiert sein, der beispielsweise die Schaltmittel 5 und 29 vor Beschädigung bei einem Kurzschluss, beispielsweise des Verbrauchers 3, schützt. Dazu können der weitere Messwiderstand 33 und das weitere Auswertemittel 35 zur Messung eines bei einem Kurzschluss zu erwartenden Stroms optimiert sein.