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Title:
REDUCTION IN A VOLTAGE OFFSET BETWEEN EARTH CONNECTIONS IN A VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/104665
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a circuit arrangement for reducing a voltage difference between the earth potentials of at least two control units, in particular in a vehicle. The circuit arrangement (50) brings about a reduction in a voltage difference (Up12) between a first earth connection (21) of a first control unit (20) and a second earth connection (31) of a second control unit (30) in a vehicle. The circuit arrangement (50) has a first parasitic resistor (R1), which is arranged between the first earth connection (21) of the first control unit (20) and a first earth potential (GND1), and a second parasitic resistor (R2), which is arranged between the second earth connection (31) of the second control unit (30) and a second earth potential (GND2). The first earth potential (GND1) is arranged on a third earth connection (35) of the second control unit (30), with the result that the voltage difference (Up12) between the first earth connection (21) and the third earth connection (35) is less than a predefined value.

Inventors:
SCHWARZ AXEL (DE)
LISTNER MICHAEL (DE)
MIDDELBERG LUDGER (DE)
DAMER ANATOLI (DE)
Application Number:
EP2019/082252
Publication Date:
May 28, 2020
Filing Date:
November 22, 2019
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (DE)
International Classes:
B60R16/03
Domestic Patent References:
WO2017076342A12017-05-11
Foreign References:
DE102005015443A12006-10-05
DE102018003573A12018-10-25
DE102014207845A12015-10-29
DE102014019263A12015-07-30
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Claims:
Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung (50) zur Reduktion einer Spannungsdifferenz (Up12) zwischen einem ersten Masseanschluss (21 ) einer ersten Steuereinheit (20) und einem zweiten Masseanschluss (31 ) einer zweiten Steuereinheit (30) in einem Fahrzeug, die Schaltungsanordnung (50) aufweisend:

einen ersten parasitären Widerstand (R1 ), der zwischen dem ersten Mas seanschluss (21 ) der ersten Steuereinheit (20) und einem ersten Massepo tential (GND1 ) angeordnet ist, und

einen zweiten parasitären Widerstand (R2), der zwischen dem zweiten Masseanschluss (31 ) der zweiten Steuereinheit (30) und einem zweiten Massepotential (GND2) angeordnet ist,

wobei das erste Massepotential (GND1 ) auf einen dritten Masseanschluss (35) der zweiten Steuereinheit (30) angeordnet ist, so dass die Spannungs differenz (Up12) zwischen dem ersten Masseanschluss (21 ) und dem dritten Masseanschluss (31 ), weniger als einen vordefinierten Wert beträgt.

2. Schaltungsanordnung (50) nach Anspruch 1 ,

wobei die erste Steuereinheit (20) einen niedrigeren Strombedarf aufweist als die zweite Steuereinheit (30).

3. Schaltungsanordnung (50) nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die erste Steuereinheit (20) und die zweite Steuereinheit (30) je einen USB-Anschluss (22, 32) aufweisen und der vordefinierte Wert der Span nungsdifferenz (Up12) 250 mV beträgt.

4. Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Maximalstrom (I2max) durch die zweite Steuereinheit (30) mehr als 5 A, insbesondere mehr als 10 A, beträgt.

5. Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste parasitäre Widerstand (R1 ) und/oder der zweite parasitäre Widerstand (R2) ein Widerstand eines Verbindungskabels und/oder eines Anschlusselements sind.

6. Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste parasitäre Widerstand (R1 ) und/oder der zweite parasitäre Widerstand (R2) einen Widerstandswert zwischen 10 itiW und 50 itiW, ins besondere von 30 itiW, aufweist.

7. Verwendung einer Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorherge henden Ansprüche zur Reduktion einer Spannungsdifferenz zwischen den Massepotentialen von mindestens zwei Steuereinheiten (20, 30) in einem Fahrzeug (10).

8. Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Description:
Beschreibung

Reduktion eines Spannungsversatzes zwischen Masseanschlüssen in einem Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduktion einer Spannungs differenz zwischen den Massepotentialen von mindestens zwei Steuereinheiten, insbesondere in einem Fahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwen dung und ein Fahrzeug mit dieser Schaltungsanordnung.

Viele der heute hergestellten Fahrzeuge weisen eine große Anzahl von Steuer einheiten auf. Die Steuereinheiten sind über Verbindungskabel mit der Stromver sorgung und mit einem Masseanschluss des Fahrzeugs verbunden. Die Verbin dungskabel weisen meist einen parasitären Widerstand von weniger als einem Ohm (1 W) auf. Da bei zumindest einigen Steuereinheiten in einem Fahrzeug aber hohe Ströme fließen, kann dies zu einem Spannungsversatz („ground shift“) zwischen zwei Steuereinheiten führen. Wenn beispielsweise die Verbindungskabel einer ersten und einer zweiten Steuereinheit 0,1 W aufweisen und die erste Steuereinheit einen Strom von 5 A, die zweite Steuereinheit einen Strom von 1 A aufweist, dann entsteht zwischen den Masseanschlüssen der ersten und der zweiten Steuereinheit ein Spannungsversatz von 0,4 V. Dieser Spannungsversatz kann unzulässig hoch sein, insbesondere wenn die Steuereinheiten über ein Kommunikationskabel kommunizieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spannungsversatz zwischen Massean schlüssen von Steuereinheiten in einem Fahrzeug zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduktion einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Masseanschluss einer ersten Steuer- einheit und einem zweiten Masseanschluss einer zweiten Steuereinheit in einem Fahrzeug. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten parasitären Widerstand auf, der zwischen dem ersten Masseanschluss der ersten Steuereinheit und einem ersten Massepotential angeordnet ist, und einen zweiten parasitären Widerstand, der zwischen dem zweiten Masseanschluss der zweiten Steuereinheit und einem zweiten Massepotential angeordnet ist. Das erste Massepotential ist dabei auf demselben Knoten angeordnet wie der zweite Masseanschluss, so dass die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Masseanschluss und dem zweiten Masseanschluss weniger als einen vordefinierten Wert beträgt.

Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff oder ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug. Eine Fahrzeugbatterie für eines dieser Fahrzeuge weist häufig niedrige Spannungen auf, beispielsweise eine Spannung von etwa 12 V oder etwa 48 V.

Die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit weisen zur Spannungsver sorgung jeweils zwei Pole auf: je einen Anschluss an die Fahrzeugbatterie und je einen Masseanschluss; die erste Steuereinheit weist also einen ersten Massean schluss, und die zweite Steuereinheit weist einen zweiten Masseanschluss auf. Durch die niedrigen Spannungen der Fahrzeugbatterie können bei den Steuer einheiten hohe Ströme auftreten. Die erste Steuereinheit kann beispielsweise eine Haupteinheit (Head Unit) sein. Die zweite Steuereinheit kann beispielsweise ein Leistungsverstärker sein oder eine leistungsfähige Leistungs- und/oder Kommu nikationsversorgung, z.B. ein USB-Hub.

Der erste und der zweite Masseanschluss sind je an ein Massepotential ange schlossen; der erste Masseanschluss also an ein erstes Massepotential, und der zweite Masseanschluss an ein zweites Massepotential. Zwischen dem ersten Masseanschluss und dem ersten Massepotential ist ein erster parasitärer Wider stand angeordnet, zwischen dem zweiten Masseanschluss und dem zweiten Massepotential ist ein zweiter parasitärer Widerstand angeordnet. Das erste Massepotential ist dabei auf demselben Knoten angeordnet wie der zweite Masseanschluss. Damit wird erreicht, dass das zweite Massepotential in Abhängigkeit von einem Gesamtstrom durch die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit angehoben wird. Damit wird die Strom-Differenz zwischen der ersten Steuereinheit und der zweiten Steuereinheit irrelevant. Tatsächlich hängt durch diese Schaltungsanordnung die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Masse anschluss (der ersten Steuereinheit) und dem zweiten Masseanschluss (der zwei ten Steuereinheit) nicht mehr von dem Strom durch die zweite Steuereinheit ab. Damit beträgt die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Masseanschluss und dem zweiten Masseanschluss, auch wenn die zweite Steuereinheit mit einem Ma ximalstrom durchflossen wird, weniger als einen vordefinierten Wert.

Diese Schaltungsanordnung ist einfach, robust und kostengünstig. Weiterhin er fordert sie keine zusätzlichen Komponenten und keinen zusätzlichen Bauraum auf den Baugruppen der Steuereinheiten. Darüber hinaus weist diese Schaltungs anordnung eine geringe Verlustleistung auf.

In einer Ausführungsform weist die erste Steuereinheit einen niedrigeren Strom bedarf auf als die zweite Steuereinheit. Die geschilderte Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft für Konstellationen, bei denen die zweite Steuereinheit als eine Leistungskomponente ausgelegt ist und die damit durch den Spannungsver satz in einen Bereich kommen könnte, in dem das Risiko besteht, dass sie be stimmte spezifizierte Anforderungen nicht mehr erfüllen können.

In einer Ausführungsform weisen die erste Steuereinheit und die zweite Steuer einheit je einen USB-Anschluss auf (USB: Universal Serial Bus). Damit sind die Steuereinheiten geeignet, miteinander über USB-Kabel zu kommunizieren. Eine USB-Spezifikation - z.B. die Spezifikation des USB C (Release 1 .3 vom 14.7.2017), Abschnitt 4.4.1 - fordert jedoch eine maximale Spannungsdifferenz von 250 mV zwischen zwei kommunizierenden Einheiten. Daher beträgt in diesem Fall der vordefinierte Wert der Spannungsdifferenz 250 mV. Dieser Wert kann mit dieser Schaltungsanordnung innerhalb eines genau spezifizierten Bereichs (d.h. maximal zulässiger Strombedarf der ersten Steuereinheit) eingehalten werden. Diese Schaltungsanordnung ist also vorteilhafterweise z.B. für Geräte einsetzbar, die einen hohen Strombedarf aufweisen und mit einem Gerät mit niedrigerem, insbe sondere deutlich niedrigerem, Strombedarf über USB kommunizieren. In einem Fahrzeug kann ein Beispiel für diese Konstellation sein, wenn eine Haupteinheit (Head Unit) mit einen USB-Hub, der z.B. für 120 W ausgelegt ist, oder mit einem Leistungsverstärker mit einer Verlustleistung in dieser Größenordnung kommuni ziert.

In einer Ausführungsform beträgt der Maximalstrom durch die zweite Steuereinheit mehr als 5 A, insbesondere mehr als 10 A. Bei derartigen Geräten besteht das Risiko, eine Spezifikation - z.B. die USB-Spezifikation - zu verletzen; diese kann mit dieser Schaltungsanordnung vermieden werden.

In einer Ausführungsform sind der erste parasitäre Widerstand und/oder der zweite parasitäre Widerstand ein Widerstand eines Verbindungskabels und/oder eines Anschlusselements. Der Widerstand des Verbindungskabels kann beispielsweise durch einen geringen Querschnitt und/oder durch die Verwendung von weniger leitfähigen Materialien, wie z.B. Aluminium, erhöht sein. Das Anschlusselement kann z.B. ein Stecker sein, der z.B. durch Korrosion und/oder mangelnde Vergütung und/oder besondere Auslegung einen hohen Übergangswiderstand aufweist.

In einer Ausführungsform weist der erste parasitäre Widerstand und/oder der zweite parasitäre Widerstand einen Widerstandswert zwischen 10 itiW und 50 itiW, ins besondere von 30 itiW, auf. Diese Werte gelten insbesondere bei Fahrzeugen als realistisch für den parasitären Widerstand zwischen Masseanschluss und Steuer einheit.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Schaltungsan ordnung wie oben oder im Folgenden erläutert zur Reduktion einer Spannungsdif ferenz zwischen den Massepotentialen von mindestens zwei Steuereinheiten in einem Fahrzeug.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Schaltungsan- Ordnung wie oben oder im Folgenden erläutert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind nur zur weiteren Erläuterung, nicht aber als Ein schränkungen zu verstehen.

Dabei zeigt:

Fig. 1 : ein schematisches Beispiel für ein Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: ein schematisches Beispiel für die Problemstellung der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 3: ein schematisches Beispiel für eine erste Lösung gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4: ein schematisches Beispiel für eine zweite Lösung gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung; und,

Fig. 5: ein schematisches Beispiel für eine dritte Lösung gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Beispiel für ein Fahrzeug 10 mit einer Schaltungs anordnung 50. Die Schaltungsanordnung 50 weist eine erste Steuereinheit 20 und eine zweite Steuereinheit 30 auf. Die erste Steuereinheit 20 und die zweite Steu ereinheit 30 sind über eine Kommunikationsverbindung 25, beispielsweise ein USB-Kabel, verbunden. Die erste Steuereinheit 20 kann z.B. eine Flaupteinheit (Flead Unit), z.B. die Steuerung eines Multimedia-Systems Infotainment-System, sein. Die zweite Steuereinheit 30 kann beispielsweise ein USB-Hub sein, an dem verschiedene Geräte - z.B. Audio-, Videogeräte und/oder Geräte, die über eine USB-Schnittstelle versorgt und/oder aufgeladen werden - angeschlossen sind. Für einige Typen einer Kommunikationsverbindung 25 ist ein maximaler Spannungs versatz, bezogen auf das Massepotential („ground shift“), zwischen zwei Steuer einheiten mit dieser Kommunikationsverbindung 25 spezifiziert. Im Falle z.B. einer USB-Schnittstelle ist dieser maximale Spannungsversatz mit 250 mV spezifiziert.

Fig. 2 zeigt ein schematisches detailliertes Beispiel für eine Schaltungsanordnung 40. Die Schaltungsanordnung 40 weist eine erste Steuereinheit 20 und eine zweite Steuereinheit 30 auf. Die erste Steuereinheit 20 weist einen ersten Kommunikati- onsanschluss 22 auf, die zweite Steuereinheit 30 weist einen zweiten Kommunikati- onsanschluss 32 auf. Die Anschlüsse 22, 32 der Steuereinheiten 20, 32 sind über eine Kommunikationsverbindung 25, beispielsweise ein USB-Kabel, verbunden. Die erste Steuereinheit 20 ist an die Spannung U1 und, über den ersten Masse anschluss 21 , an das erste Massepotential GND1 angeschlossen. Zwischen dem ersten Masseanschluss 21 und dem ersten Massepotential GND1 ist ein erster parasitärer Widerstand R1 angeordnet. Analog dazu ist die zweite Steuereinheit 30 an die Spannung U2 und, über den zweiten Masseanschluss 31 und den zweiten parasitären Widerstand R2, an das zweite Massepotential GND2 angeschlossen. Der erste parasitäre Widerstand R1 verursacht einen Spannungsabfall Up1 , der zweite parasitäre Widerstand R2 verursacht einen Spannungsabfall Up2. Damit ergibt sich ein Spannungsversatz oder eine Spannungsdifferenz Up12 gegenüber einer gemeinsamen Masse GND von

Up12 = Up2 - Up1 .

Zur Illustration der Spannungsverhältnisse können Werte angenommen werden, die für Steuereinheiten in einem Fahrzeug realistisch sind, also z.B.

U1 = U2 = 12 V; R1 = R2 = 50 mQ; 11 = 1 A; I2 = 10 A.

Damit ergibt sich Up12 zu:

Up12 = (10 A - 1 A) * 50 mQ = 450 mV.

Dieser Wert liegt jedoch z.B. über dem für USB-Geräte maximal zulässigem Wert von 250 mV. Im Folgenden werden Schaltungsanordnungen gezeigt, mittels derer die Kommunikationsverbindung 25 zulässige Werte für den, für die Kommunikati onsverbindung 25 relevanten, Spannungsversatz („ground shift“) erreicht.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Beispiel für eine erste Schaltungsanordnung 45 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie bei Fig. 2 dieselben Komponenten der Schaltung. Bei der Schaltungsanordnung 45 wurden jedoch zusätzliche Komponenten in die Schaltung aufgenommen, nämlich ein ersten galvanischer Trenner 29, der zwi schen einem Kommunikationsausgang (nicht dargestellt) der ersten Steuereinheit 20 und dem ersten Kommunikationsanschluss 22 angeordnet ist. Ein zweiter gal vanischer Trenner 39 ist zwischen einem Kommunikationsausgang der zweiten Steuereinheit 30 und dem zweiten Kommunikationsanschluss 32 angeordnet. Die galvanischen Trenner 29 und 39 können beispielsweise durch Transformatoren oder Optokoppler realisiert sein. Zwar wird bei der Schaltungsanordnung 45 nicht die Spannungsdifferenz Up12, außerhalb der Steuereinheiten 20 und 30, reduziert, aber durch die galvanische Trennung werden die Spezifikationen der Kommunika tionsleitungen, z.B. der USB-Anschlüsse, erfüllt.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Beispiel für eine zweite Schaltungsanordnung 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist das erste Massepotential GND1 auf demselben Knoten K wie der zweite Masseanschluss 31 angeordnet. Zwischen Knoten K und den zweiten Masseanschluss 31 ist der (pa rasitären) Widerstand null. Dies hat den Effekt, dass die Spannungsdifferenz Up12 zwischen dem ersten Masseanschluss 21 und dem zweiten Masseanschluss 31 weniger als einen vordefinierten Wert beträgt, selbst wenn die zweite Steuereinheit 30 mit einem Maximalstrom I2 = I2max durchflossen wird. Tatsächlich gelingt es, bei der Schaltungsanordnung 50, die Spannungsdifferenz Up12 unabhängig von dem Strom I2, durch die zweite Steuereinheit 30, zu halten. Die Spannungsdifferenz Up12 ist gleich Up1 , und ist nur noch abhängig von 11 , durch die erste Steuereinheit 20, und dem ersten parasitären Widerstand R1 . Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Schaltungen der ersten Steuereinheit 20 und der zweiten Steuereinheit 30 unverändert belassen werden können.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Beispiel für eine dritte Schaltungsanordnung 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist das erste Massepotential GND1 auf einen dritten Masseanschluss 35 der zweite Steuerein heit 30 angeordnet. Auch dies hat den Effekt, dass die Spannungsdifferenz Up12 zwischen dem ersten Masseanschluss 21 und dem dritten Masseanschluss 35 weniger als einen vordefinierten Wert beträgt.

Gemäß einer Ausführungsform bildet der zweite Masseanschluss 31 den dritten Masseanschluss 35. Dies hat den Effekt, dass die Spannungsdifferenz Up12 zwi- sehen dem ersten Masseanschluss 21 und dem zweiten Masseanschluss 31 we niger als einen vordefinierten Wert beträgt. Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Steuereinheit 30 eine USB Hub. Die erste Steuereinheit 20 kann eine Head Unit sein.

Die folgenden Paragrafen beschreiben weitere Ausführungsformen:

Schaltungsanordnung (50) zur Reduktion einer Spannungsdifferenz (Up12) zwi schen einem ersten Masseanschluss (21 ) einer ersten Steuereinheit (20) und einem zweiten Masseanschluss (31 ) einer zweiten Steuereinheit (30) in einem Fahrzeug, die Schaltungsanordnung (50) aufweisend:

einen ersten parasitären Widerstand (R1 ), der zwischen dem ersten Massean schluss (21 ) der ersten Steuereinheit (20) und einem ersten Massepotential (GND1 ) angeordnet ist, und

einen zweiten parasitären Widerstand (R2), der zwischen dem zweiten Massean schluss (31 ) der zweiten Steuereinheit (30) und einem zweiten Massepotential (GND2) angeordnet ist,

wobei das erste Massepotential (GND1 ) auf demselben Knoten (K) wie der zweite Masseanschluss (31 ) angeordnet ist, so dass die Spannungsdifferenz (Up12) zwischen dem ersten Masseanschluss (21 ) und dem zweiten Masseanschluss (31 ), weniger als einen vordefinierten Wert beträgt.

Schaltungsanordnung (50) nach dem vorhergehenden Paragrafen, wobei die erste Steuereinheit (20) einen niedrigeren Strombedarf aufweist als die zweite Steuer einheit (30).

Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Paragrafen, wobei die erste Steuereinheit (20) und die zweite Steuereinheit (30) je einen USB-Anschluss (22, 32) aufweisen und der vordefinierte Wert der Spannungsdifferenz (Up12) 250 mV beträgt. Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Paragrafen, wobei der Maximalstrom (I2max) durch die zweite Steuereinheit (30) mehr als 5 A, insbe sondere mehr als 10 A, beträgt. Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Paragrafen, wobei der erste parasitäre Widerstand (R1 ) und/oder der zweite parasitäre Widerstand (R2) ein Widerstand eines Verbindungskabels und/oder eines Anschlusselements sind.

Schaltungsanordnung (50) nach einem der vorhergehenden Paragrafen, wobei der erste parasitäre Widerstand (R1 ) und/oder der zweite parasitäre Widerstand (R2) einen Widerstandswert zwischen 10 itiW und 50 itiW, insbesondere von 30 itiW, aufweist.

Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung (50) nach einem der der vorhergehenden Paragrafen.

Liste der Bezugszeichen

10 Fahrzeug

20 erste Steuereinheit

21 erster Masseanschluss

22 erster Kommunikationsanschluss, USB-Anschluss 25 Kommunikationsverbindung

29 erster galvanischer Trenner

30 zweite Steuereinheit

31 zweiter Masseanschluss

32 zweiter Kommunikationsanschluss, USB-Anschluss 35 dritter Masseanschluss

39 zweiter galvanischer Trenner

40, 45, 50 Schaltungsanordnung

GND1 erstes Massepotential

GND2 zweites Massepotential

R1 , R2 parasitärer Widerstand

Up1 , Up2 Spannungsabfall

Up12 Spannungsdifferenz