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Schlatungsanordnung zum wahlweisen Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes - Dokument DE102004030161A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004030161A1 16.03.2006
Titel Schlatungsanordnung zum wahlweisen Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes
Anmelder i f m electronic gmbh, 45127 Essen, DE
Erfinder Walter, Heinz, 88145 Hergatz, DE
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr & Eggert, 45128 Essen
DE-Anmeldedatum 22.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004030161
Offenlegungstag 16.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.03.2006
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 19/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01R 21/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G05F 3/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Beschrieben und dargestellt ist eine Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes in Abhängigkeit von einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertes und/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, mit einer Stromsteuereinheit (1), einer Spannungssteuereinheit (2), einer von der Stromsteuereinheit (1) angesteuerten Stromausgangsquelle (3) und einer von der Spannungssteuereinheit (2) angesteuerten Spannungsausgangsquelle (4).
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist schaltungstechnisch einfacher und kann damit kostengünstiger realisiert werden als die bekannten Schaltungsanordnungen, die funktional das realisieren, was eingangs ausgeführt worden ist, und zwar dadurch, daß die Stromausgangsquelle (3) und die Spannungsausgangsquelle (4) parallel angesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes in Abhängigkeit von einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertes und/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, mit einer Stromsteuereinheit, einer Spannungssteuereinheit, einer von der Stromsteuereinheit angesteuerten Stromausgangsquelle und einer von der Spannungssteuereinheit angesteuerten Spannungsausgangsquelle.

Im Stand der Technik sind umfangreich Meßgeräte bekannt, die als Meßwert eine physikalische Größe, z. B. eine Temperatur, einen Druck, einen Durchfluß oder ein Flüssigkeitsniveau, oder eine elektrische Größe, z. B. einen Strom, eine Spannung oder eine Leistung, erfassen und in Form eines analogen Meßwertes zur Verfügung stellen. Seit langem ist es im Stand der Technik auch bekannt, von Meßgeräten der zuvor angesprochenen Art zur Verfügung gestellte Meßwerte zu normieren, so daß statt der zunächst erfaßten bzw. zur Verfügung gestellten analogen Meßwerte für die Weiterverarbeitung insbesondere in Steuer- und Regelschaltungen normierte Meßwerte zur Verfügung stehen. Als normierte Meßwerte sind in der industriellen Praxis umfangreich eingeführt einerseits Stromwerte von 4 bis 20 mA, gelegentlich aber auch von 0 bis 20 mA, andererseits Spannungswerte von 0 bis 10 V.

Die Schaltungsanordnung, um die es erfindungsgemäß geht, generiert also in Abhängigkeit von einem analogen Eingangswert wahlweise einen analogen Stromwert, Stromausgangswert genannt, oder einen analogen Spannungswert, Spannungsausgangswert genannt. Der zu generierende Stromausgangswert bzw. der zu generierende Spannungsausgangswert kann auch zusätzlich abhängig sein von einem Eingangssockelwert und/oder einem vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwert.

Zu der Schaltungsanordnung, um die es erfindungsgemäß geht, gehört also funktionsnotwendig zunächst eine Stromsteuereinheit und eine Spannungssteuereinheit; der analoge Eingangswert sowie gegebenenfalls der Eingangssockelwert und/oder der vorzeichenbehaftete Eingangskorrekturwert werden auf den Eingang der Stromsteuereinheit und der Spannungssteuereinheit gegeben. Abhängig von dem Eingangswert sowie gegebenenfalls dem Eingangssockelwert und/oder dem vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwert generieren die Stromsteuereinheit in Verbindung mit der Stromausgangsquelle den analogen Stromausgangswert und die Spannungssteuereinheit in Verbindung mit der Spannungsausgangsquelle den analogen Spannungsausgangswert.

Bei den bekannten Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden und zuvor hinsichtlich ihrer Funktion beschriebenen Art sind die Stromsteuereinheit und die Spannungssteuereinheit häufig als Operationsverstärker ausgeführt und weisen die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquelle in der Regel einen Transistor auf. Üblich ist es auch, in der Stromausgangsquelle mit einer Darlington-Transistorstufe oder mit mehreren Darlington-Transistorstufen zu arbeiten, um die für die Ansteuerung erforderlichen Basisströme möglichst gering zu halten.

Charakteristisch für die bekannten Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art ist es, daß entweder die Stromausgangsquelle oder die Spannungsausgangsquelle angesteuert wird. Das wahlweise Ansteuern der Stromausgangsquelle oder der Spannungsausgangsquelle ist schaltungstechnisch aufwendig. Insbesondere werden mehr als zwei Operationsverstärker benötigt, teilweise werden auch insgesamt vier oder gar fünf Operationsverstärker eingesetzt.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der in Rede stehenden Art zur Verfügung zu stellen, die schaltungstechnisch einfacher und damit kostengünstiger realisiert werden kann als die bekannten Schaltungsanordnungen, die funktional das realisieren, was eingangs ausgeführt worden ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquelle parallel angesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Stromsteuereinheit und die Spannungssteuereinheit jeweils als Operationsverstärker ausgeführt und weisen die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquelle jeweils einen Ausgangstransistor auf.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in besonderer Weise auszugestalten und weiterzubilden, was nachfolgend erläutert wird.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt, ist zum Generieren des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle durchgesteuert; damit ist gemeint, daß die Spannungsausgangsquelle, gegebenenfalls der dort vorgesehene Ausgangstransistor, als elektronischer Schalter leitend ist.

Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Generieren eines analogen Stromausgangswertes verwendet, so ist der von der Stromausgangsquelle zur Verfügung gestellte Strom der, der als vom äußeren Lastwiderstand praktisch unabhängiger Strom über den Lastwiderstand fließt. Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Generieren eines Spannungsausgangswertes verwendet, so muß die Schaltungsanordnung an der Spannungsausgangsquelle ausgangsseitig den analogen Spannungsausgangswert praktisch unabhängig vom äußeren Lastwiderstand zur Verfügung stellen; der – von außen gesehene – Innenwiderstand der Spannungsausgangsquelle muß also klein sein gegenüber dem – äußeren – Lastwiderstand. Beim Generieren des Spannungsausgangswertes stellt also die Stromausgangsquelle – bis zu einem bestimmten minimalen äußeren Lastwiderstand – den über den Lastwiderstand fließenden Laststrom zur Verfügung.

Eine weitere Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsausgangsquelle als längsregelnder Class-A-Verstärker mit einem Ausgangstransistor, einem Basiswiderstand und einem Pull-Down-Widerstand ausgeführt ist. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gilt für das Generieren des Stromausgangswertes bzw. das Generieren des Spannungsausgangswertes folgendes:

Zum Generieren des Stromausgangswertes ist der Pull-Down-Widerstand der als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle über einen ersten Vorwiderstand "hochgezogen", so daß die als Operationsverstärker ausgeführte Spannungssteuereinheit bis zum positiven Anschlag übersteuert ist und der Ausgangstransistor über den Basiswiderstand leitend durchgesteuert ist. Zum Generieren des Spannungsausgangswertes ist der nicht-invertierende Eingang des die Spannungssteuereinheit realisierenden Operationsverstärkers über einen zweiten Vorwiderstand und einen leitenden Auswahlschalter auf Bezugspotential gelegt.

Bei der erfindungsgemäßen, bisher beschriebenen Schaltungsanordnung ist also die jeweils realisierte Funktion des Auswahlschalters entscheidend dafür, ob der Stromausgangswert oder der Spannungsausgangswert generiert wird. Bei nicht-leitendem Auswahlschalter wird der Stromausgangswert, bei leitendem Auswahlschalter der Spannungsausgangswert generiert.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

2 eine detailliertere Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die in den Figuren dargestellte Schaltungsanordnung dient zum wahlweisen Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes in Abhängigkeit von einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertes und/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes. Zu dieser Schaltungsanordnung gehören funktionsnotwendig, wie schematisch in 1 dargestellt eine Stromsteuereinheit 1, eine Spannungssteuereinheit 2, eine von der Stromsteuereinheit 1 angesteuerte Stromausgangsquelle 3 und eine von der Spannungssteuereinheit 2 angesteuerte Spannungsausgangsquelle 4.

Wie schematisch die 1, im einzelnen die 2 zeigt, gilt für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, daß die Stromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 parallel angesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Damit, daß die Stromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 parallel angesteuert sind, ist gemeint, daß die Stromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 immer angesteuert sind, die Stromausgangsquelle 3 von der Stromsteuereinheit 1, die Spannungsausgangsquelle 4 von der Spannungssteuereinheit 2, unabhängig davon, ob ein analoger Stromausgangswert oder ein analoger Spannungsausgangswert generiert werden soll.

Für das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gilt, daß die Stromsteuereinheit 1 und die Spannungssteuereinheit 2 jeweils als Operationsverstärker ausgeführt sind. Im übrigen ist vorgesehen, daß die Stromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 jeweils einen Ausgangstransistor aufweisen; in der 1 ist die Stromausgangsquelle 3 allgemein – eben als Stromquelle – dargestellt. Im Gegensatz dazu zeigt die 2, daß sowohl zu der Stromausgangsquelle 3 als auch zu der Spannungsausgangsquelle 4 jeweils ein Ausgangstransistor gehört bzw. sowohl die Stromausgangsquelle 3 als auch die Spannungsausgangsquelle 4 als Ausgangstransistor ausgeführt ist.

In der 1 ist nur angedeutet, in der 2 demgegenüber im einzelnen dargestellt, daß zum Generieren des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle 4 durchgesteuert ist; damit ist gemeint, daß die Spannungsausgangsquelle 4, also im Ausführungsbeispiel der Ausgangstransistor, als elektronischer Schalter leitend ist. Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Generieren eines analogen Spannungsausgangswertes verwendet, so ist der von der Stromausgangsquelle 3 zur Verfügung gestellte Strom der, der als vom äußeren Lastwiderstand 5 praktisch unabhängiger Strom über den Lastwiderstand 5 fließt. Beim Generieren eines Spannungsausgangswertes muß die dargestellte Schaltungsanordnung an der Spannungsausgangsquelle 4 ausgangsseitig den analogen Spannungsausgangswert praktisch unabhängig vom äußeren Lastwiderstand 5 zur Verfügung stellen; folglich muß der – von außen gesehene – Innenwiderstand der Spannungsausgangsquelle 4 klein sein gegenüber dem – äußeren – Lastwiderstand 5. Das ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung jedenfalls dann gegeben, wenn der Widerstandswert des äußeren Lastwiderstandes 5 nicht kleiner als 2 k&OHgr; ist.

In dem in 2 im einzelnen dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Spannungsausgangsquelle 4 als längsregelnder Class-A-Verstärker mit einem Ausgangstransistor 6, einem Basiswiderstand 7 und einem Pull-Down-Widerstand 8 ausgeführt. Zum Generieren des Stromausgangswertes wird der Pull-Down-Widerstand 8 der als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle 4 über einen ersten Vorwiderstand 9 "hochgezogen", also auf ein relativ zum Bezugspotential hohes Potential gebracht, so daß die als Operationsverstärker ausgeführte Spannungssteuereinheit 2 bis zum positiven Anschlag übersteuert ist und der Ausgangstransistor 6 über den Basiswiderstand 7 leitend durchgesteuert ist. Damit ist also praktisch nur die Stromausgangsquelle 3 wirksam, die Spannungsausgangsquelle 4 wirkt wie ein leitender Schalter. Zum Generieren des Spannungsausgangswertes ist der nicht-invertierende Eingang des die Spannungssteuereinheit 2 realisierenden Operationsverstärkers über einen zweiten Vorwiderstand 10 und einen leitenden Auswahlschalter 11 auf Bezugspotential gelegt.

Bei dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist also die jeweils realisierte Funktion des Auswahlschalters 11 – nicht-leitend oder leitend – entscheidend dafür, ob der Stromausgangswert oder der Spannungsausgangswert generiert wird. Bei nichtleitendem Auswahlschalter 11 wird der Stromausgangswert, bei leitendem Auswahlschalter 11 der Spannungsausgangswert generiert.

Die 2 zeigt insoweit ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, als in Reihe zu der Reihenschaltung aus der Stromausgangsquelle 3 und der Spannungsausgangsquelle 4 ein Shuntwiderstand 12 vorgesehen ist. Dadurch wird der eingeprägte Basisstrom mitberücksichtigt. Dadurch, daß der Shuntwiderstand 12 sich gleichsam auf den Lastwiderstand 5 abstützt, ist erreicht, daß die Stromausgangsquelle 3 etwa im 12 Volt-Bereich bleibt und folglich ein JFET-Operationsverstärker mit einer Versorgungsspannung im 16 Volt-Bereich verwendet werden kann.

Wie die 2 zeigt, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die die Stromsteuereinheit 1 und die Spannungssteuereinheit 2 andererseits bildenden Operationsverstärker als symmetrische Differenzverstärkerstufen ausgeführt. Dabei bilden der Eingangswert U11, der Eingangssockelwert U21 und der Eingangskorrekturwert U31 zusammen mit ihren jeweiligen Bezugspotentialen U12, U22 und U32 Wertepaare, die über paargleiche Eingangswiderstände R11 und R12, R21 und R22 sowie R31 und R32 den nicht-invertierenden Eingängen und den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker zugeführt sind. Im übrigen sind die zu den Operationsverstärkern gehörenden Rückkopplungswiderstände 19 und 20 sowie 21 und 22 ebenfalls paargleich, also symmetrisch ausgeführt.

Durch die zuvor beschriebene Realisierung der Eingangswiderstände R11 bis R32 und der Rückkopplungswiderstände 19 bis 22 ist realisiert, daß theoretisch beliebig viele Eingangswerte zugeführt werden können, ohne den wirksamen Verstärkungsfaktor – wirksamer Verstärkungsfaktor = Verhältnis der Ausgangswerte zu den einzelnen Eingangswerten – zu verändern. Im übrigen gewährleistet die dargestellte und beschriebene Symmetrie die Unabhängigkeit der einzelnen Eingangswerte voneinander und die Unabhängigkeit vom Bezugspotential.

Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt noch insoweit eine Besonderheit, als in Reihe zu dem zwischen dem Ausgang des die Stromsteuereinheit 1 darstellenden Operationsverstärkers und dessen invertierenden Eingang liegenden Rückkopplungswiderstand 19 ein Unsymmetriewiderstand 23 geschaltet ist. Damit kann der "Stromverlust" kompensiert werden, der beim Generieren des Stromausgangswertes dadurch entsteht, daß abhängig vom Widerstandswert des Lastwiderstandes 5 Strom parasitär in den Rückkopplungszweig der Spannungssteuereinheit 2 fließt.

Zuvor ist nicht beschrieben und es soll auch im einzelnen nicht beschrieben werden, wie die einzelnen Bauteile miteinander verbunden bzw. angeschlossen sind, weil das der Fachmann der 2 ohne weiteres entnehmen kann. Gleichwohl ist auch das, was der Fachmann in Bezug auf das Verbinden der einzelnen Bauteile miteinander bzw. das Anschließen der Bauteile der 2 entnehmen kann, für die insgesamt vermittelte Lehre von Bedeutung, – auch insoweit, als eine detaillierte Beschreibung nicht gegeben ist und der Inhalt der nachfolgenden Patentansprüche darauf nicht gerichtet ist.


Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes in Abhängigkeit von einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertes und/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, mit einer Stromsteuereinheit, einer Spannungssteuereinheit, einer von der Stromsteuereinheit angesteuerten Stromausgangsquelle und einer von der Spannungssteuereinheit angesteuerten Spannungsausgangsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausgangsquelle (3) und die Spannungsausgangsquelle (4) parallel angesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuereinheit (1) und die Spannungssteuereinheit (2) jeweils als Operationsverstärker ausgeführt sind.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausgangsquelle (3) und die Spannungsausgangsquelle (4) jeweils einen Ausgangstransistor aufweisen.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Generieren des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle (4) durchgeschaltet ist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Generieren des Spannungsausgangswertes die Stromausgangsquelle (3) – bis zu einem bestimmten minimalen äußeren Lastwiderstand (5) – den über den Lastwiderstand (5) fließenden Laststrom zur Verfügung stellt.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsausgangsquelle (4) als längsregelnder Class-A-Verstärker mit einem Ausgangstransistor (6), einem Basiswiderstand (7) und einem Pull-Down-Widerstand (8) ausgeführt ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Generieren des Stromausgangswertes der Pull-Down-Widerstand (8) der als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle (4) über einen ersten Vorwiderstand (9) hochgezogen ist, so daß die als Operationsverstärker ausgeführte Spannungssteuereinheit (2) bis zum positiven Anschlag übersteuert ist und der Ausgangstransistor (6) über den Basiswiderstand (7) leitend durchgesteuert ist.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Generieren des Spannungsausgangswertes der nicht-invertierende Eingang des die Spannungssteuereinheit (2) realisierenden Operationsverstärkers über einen zweiten Vorwiderstand (10) und einen leitenden Auswahlschalter (11) auf Bezugspotential gelegt ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Reihenschaltung aus der Stromausgangsquelle (3) und der Spannungsausgangsquelle (4) ein Shuntwiderstand (12) vorgesehen ist.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stromsteuereinheit (1) einerseits und die Spannungssteuereinheit (2) andererseits bildenden Operationsverstärker als symmetrische Differenzverstärkerstufen ausgeführt sind.
  11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswert (U11), der Eingangssockelwert (U21) und der Eingangskorrektur (U31) zusammen mit ihren jeweiligen Bezugspotentialen (U12, U22 und U 32) Wertepaare bilden und über paargleiche Eingangswiderstände (R11 bis R32) den nicht-invertierenden Eingängen und den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker zugeführt sind.
  12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Operationsverstärkern gehörenden Rückkopplungswiderstände (19 bis 22) paargleich, also symmetrisch ausgeführt sind.
  13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu dem zwischen dem Ausgang des die Stromsteuereinheit (1) darstellenden Operationsverstärkers und dessen invertierenden Eingang liegenden Rückkopplungswiderstand (19) ein Unsymmetriewiderstand (23) geschaltet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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