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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung oder ein Gerät mit einer
Fehlererkennungseinrichtung gemäß Anspruch
1 sowie ein Zuleitungsfehlererkennungsverfahren gemäß Anspruch
8.
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In
modernen elektronischen Steuergeräten, insbesondere Steuergeräten mit
sehr hohen Verfügbarkeitsanforderungen,
wie z. B. Kraftfahrzeugsteuergeräten
oder speziell Bremsensteuergeräten,
werden durch die immer höher
werdende Anzahl von integrierten sicherheitsrelevanten Funktionen
in ein Gerät
redundante Versorgungspannungsleitungen gefordert.
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Insbesondere
im Kraftfahrzeugbereich, wo der Versorgungsstrom masseseitig auch über Karosserieteile
geführt
wird (Masse bzw. GND), können Leitungsabrisse
während
der Fahrzeuglebensdauer auftreten.
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Zur
Erhöhung
der Sicherheit bei solchen Massedefekten ist es bei Kraftfahrzeugsteuergeräten schon
praktiziert worden, die Schaltung in zwei redundante Versorgungsbereiche
aufzuteilen, die jeweils masseseitig mit getrennten Versorgungsleitungen
versorgt werden. Bei einer Unterbrechung einer der beiden Masseleitungen
kann dann der jeweils noch mit der anderen Masseleitung versorgte
Schaltungsbereich weiter betrieben werden kann.
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An
Stelle der vollständigen
Trennung der Versorgungsbereiche ist es auch möglich, eine schaltungstechnische
Verknüpfung
der intern geführten Versorgungsleitungen
vorzusehen, beispielsweise in dem Zuleitungen bzw. Leiterbahnen über Dioden,
Widerständen
oder Halbleitern miteinander elektrisch gekoppelt werden. Da bei
solchen Anordnungen sich leistungsmäßige Einschränkungen
und/oder Verschlechterungen der EMV-Eigenschaften ergeben können, sind
solche Lösungen
nicht immer zufriedenstellend. Aber auch der relativ große Schaltungsbedarf
und eine erhöhte
Ausfallwahrscheinlichkeit solcher Anordnung ist nachteilhaft.
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Zur
Erhöhung
der Sicherheit bei der Spannungsversorgung ist es außerdem möglich, außerhalb
des Steuergeräts
redundante GND-Versorgungsleitungen (zwei GND-Versorgungsleitungen) vorzusehen.
Werden die Versorgungsleitungen dann über einen Knotenpunkt innerhalb
des Geräts
lediglich einfach, also nicht redundant, weitergeführt, ist eine
Fehlerüberwachung/-erkennung, welche
die Funktionsfähigkeit
der beiden Leitungen überwacht, nicht
möglich,
da diese nicht zuverlässig
feststellen kann, ob tatsächlich
beide Leitungen angeschlossen und funktionsfähig sind. Eine vollständige Überwachung
der redundanten Zuleitungen wird jedoch besonders bei Anwendungen
für Steuergeräte mit sicherheitskritischen
Funktionen gefordert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Schaltung
anzugeben, welche einen Abriss einer Versorgungsleitung, zum Beispiel einen
GND-Abriss, erkennt und dabei eine sehr einfache Lösung darstellt,
die zudem die im Automobilbereich bestehenden Anforderungen an elektromagnetischer
Verträglichkeit
(EMV) ausreichend erfüllt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die elektronische Schaltung oder das Gerät gemäß Anspruch 1.
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung oder ein
Gerät,
insbesondere ein elektronisches Steuergerät, wie zum Beispiel ein Kraftfahrzeugsteuergerät, welche
bzw. welches eine Fehlererkennungseinrichtung umfasst, mit der Fehler in
einer oder mehreren stromführenden
Spannungsversorgungsleitungen erkannt werden können. Die Spannungsversorgungsleitungen
verlaufen beispielsweise als Leitungsdrähte außerhalb der Schaltung bzw.
des Geräts,
wobei mindestens eine redundant ausgeführt ist. Dabei können entweder
die GND-Zuleitungen und/oder die Plus-Zuleitungen redundant ausgeführt sein.
Mit den Versorgungsleitungen wird die Schaltung oder das Gerät zumindest
teilweise oder ganz mit der zum Betrieb notwendigen Energie versorgt.
Die Versorgungsleitungen sind jeweils mit innerhalb der Schaltung
oder des Geräts angeordneten
Innenleitern, welche z. B. als Leiterbahnen ausgeführt sind,
elektrisch verbunden.
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Die
Innenleiter sind vorzugsweise auf einem Schaltungsträger (z.
B. eine Leiterplatte) angeordnet. Nach der Erfindung verlaufen die
Innenleiter in einem Bereich benachbart, dabei führen sie vorzugsweise den Versorgungsstrom
für die
Schaltung oder das Gerät
in der gleichen Stromrichtung. Benachbart zu den Innenleitern, bevorzugt
zwischen den Innenleitern, ist mindestens eine Magnetfelddetektoreinheit angeordnet,
mit der ein statisches und/oder ein zeitabhängiges Magnetfeld messbar ist,
das von den Innenleitern zumindest im Fehlerfalle herrührt.
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In
der Fehlererkennungseinrichtung ist eine Zuleitungsfeh lererkennungsschaltung
vorgesehen, welche aus dem mit der Magnetfelddetektoreinheit gewonnenen
Signal ein Fehlersignal gewinnt, mit dem ein Fehler in der Versorgungsleitung
feststellbar ist.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren gemäß Anspruch
8.
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Nach
dem Verfahren wird ein Fehler in einer mit einer Schaltung oder
einem Gerät
verbundenen Spannungsversorgungsleitung erkannt, wobei die Spannungsversorgungsleitung
als ein- oder mehrfach
redundante stromführende
Zuleitung ausgeführt ist.
Die Versorgungsleitungen sind an im Inneren der Schaltung oder des
Geräts
angeordneten Innenleitern elektrisch angeschlossen. Die Innenleiter
verlaufen innerhalb der Schaltung oder des Geräts, wobei der Strom über die
Innenleiter bei nicht fehlerhafter Versorgung in die gleiche Richtung
fließt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die Schritte:
- – Bildung eines Messwerts aus
dem absoluten Magnetfeld (5) oder aus der Induktionsspannung, die
von der zeitlichen Ableitung des Magnefelds (5) abhängt, wobei
das Magnetfeld (5) von den Innenleitern (1) herrührt,
- – Prüfen der
Zulässigkeit
des Messwerts und
- – Erkennen
auf einen Zuleitungsfehler, wenn der Messwert unzulässig ist.
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Bevorzugt
erfolgt zur Prüfung
der Zulässigkeit
des Messwerts ein Vergleich des Messwerts mit einem zulässigen Wert
oder mit einem zulässigen Bereich.
Dabei wird beispielsweise geprüft,
ob der Messwert den Wert oder Bereich in bestimmten Situationen
oder ggf. auch kontinuierlich über-
und/oder unterschreitet.
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Bei
der Bildung des Messwerts kann vorzugsweise eine Messung eines Induktionssignals vorgenommen
werden, wobei die Messung insbesondere mit mindestens einer Detektoreinheit
durchgeführt
wird, die in der Nähe
der beiden stromführenden
Innenleiter angeordnet ist.
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Die
Schaltung gemäß der Erfindung
ist besonders vorteilhaft, weil bei Schaltungen oder Geräten mit
einer redundanten Versorgung über
zwei oder mehrfach vorhandenen Versorgungsleitungen nicht nur eine
Verfügbarkeit
bei Abriss einer Versorgungsleitung ohne nennenswerte Einschränkungen
dargestellt werden kann, sondern auch der Bedarf an zusätzlichen
Bauelementen trotz der Möglichkeit
einer auf jede Zuleitung gerichteten Fehlererkennung dabei vergleichsweise
gering ist. Außerdem
zeichnet sich die Schaltung durch eine hohe Ausfallsicherheit und
sehr hoher Robustheit aus.
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Die
Erkennungsschaltung nach der Erfindung ist zur Erkennung eines Leitungsabrisses
von doppelt oder mehrfach ausgeführten
Masseversorgungsleitungen geeignet, wobei die Erkennungsschaltung
prinzipiell auch auf mehrfach ausgeführte Plus-Versorgungsleitungen
anwendbar ist.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Lösung eine Überprüfung der GND-Leitungen
ohne einen schaltungstechnischen Eingriff in die redundante Versorgung selbst
ermöglicht.
Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass lediglich über das
Magnetfeld die Verfügbarkeit
geprüft wird.
Die erfindungsgemäße Schaltung
weist hierzu mindestens eine oder mehrere redundante Magnetfelddetektoreinheiten
auf, mit der bzw. mit denen eine quantitative oder lediglich qualitative
Messung des Magnetfelds, welches die GND-Leitungen umgibt, durchgeführt wird.
Aus Gründen
der Magnetfeldempfindlichkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Störmagnetfeldern
ist es notwendig, dass die GND-Leitungen möglichst nahe an der oder den
Detektoreinheiten vorbeigeführt
wird. Bevorzugt ist die Leitungsführung der redundanten Zuleitungen
derart, dass zwei Kontakte und zwei über eine kurze Distanz getrennt
geführte
Innenleitungen im Steuergerät
vorhanden sind, zwischen denen die Detektoreinheit angeordnet ist.
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Bei
nicht fehlerhafter Versorung der Schaltung oder des Geräts führen die
redundanten Versorgungsleitungen normalerweise im Vergleich zueinander
einen ähnlich
großen
Strom, der außerdem
in die gleiche Richtung führt.
Die mit den Versorgungsleitungen elektrisch verbundenen, getrennt
geführten Innenleiter
(bzw. Leiterbahnen) insbesondere zumindest in einem Teilbereich
nahezu parallel geführt. Vorteilhafterweise
ist genau in diesem Teilbereich die Magnetfelddetektoreinheit angeordnet.
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Im
einfachsten Fall ist die Magnetfelddetektoreinheit bevorzugt eine
Magnetspule, welche insbesondere zur Erhöhung der Signalstärke einen
Spulenkern aus einem Material mit hoher Permeabilität aufweist.
Der Spulenkern ist beispielsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff
hergestellt.
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Die
Windungszahl der Magnetspule ist so hoch ausgelegt, dass im Verhältnis zum
verfügbaren Bauraum
eine möglichst
hohe Messempfindlichkeit erreicht wird. Zweckmäßigerweise ist die Magnetspule
nicht magnetisch gekapselt. Typischerweise hat die Magnetspule einen
Wickelkern, der so aufgebaut ist, dass eine kompakte Montage auf
einer Leiterplatte möglich
ist. So kann beispielsweise die Spule einen garnrollenartigen Wickelkern
aufweisen, der einen lediglich kurz bemessenen Zylinderabschnitt
hat.
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Die
Magnetfelddetektoreinheit kann gemäß einem alternativen Beispiel
auch durch ein Hall-Element oder einen Magnetfeldsensor gebildet
sein, der nach dem an sich bekannten GMR oder dem AMR-Prinzip arbeitet
(sogenannte XMR-Sensoren). Magnetfeldsensoren nach diesem Wirkprinzip
werden seit langer Zeit verbreitet im Automobilbau für Raddrehzahlsensoren
eingesetzt. Zur Verstärkung des
Messsignals der Detektoreinheit kann kann es sinnvoll sein, benachbart
zum Magnetfeldsensor ein Material mit hoher Permeabilität anzuordnen.
Auf diese Weise lässt
sich eine Verstärkung
des Messsignals an der Detektoreinheit erzielen.
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Nachfolgend
wird das Prinzip der Zuleitungsfehlererkennung beschrieben. Im Falle
von zwei nebeneinandergeführten
Innenleitern heben sich an bzw. in der Magnetfelddetektoreinheit
die von dem Strom in den Innenleitern erzeugten Magnetfelder bei idealen
Bedingungen vollständig
auf, wobei hierzu ein nahezu gleicher Strom durch die Innenleiter
fließen
muss und geeignete geometrische Bedingungen notwendig sind. Das
Magnetfeld hebt sich dann auch bei abrupten Stromänderungen
auf, wenn die Stromänderung
in beiden Leitern gleich ist. Ist jedoch eine der redundanten Zuleitungen
defekt, hebt sich das Feld in der Magnetfelddetektoreinheit nicht
mehr auf, da lediglich der noch stromführende Leiter ein Magnetfeld
erzeugt. Im Falle von statischen Strömen kann ein Leitungsabriss
nur mit einem Magnetfelddetektor festgestellt werden, welcher zur
Messung eines absoluten Magnetfelds geeignet ist (z. B. Hall- oder
XMR-Sensor). Wenn jedoch zum Zeitpunkt einer Stromänderung
geprüft
wird, kann ein erheblich kostengünstigerer
einfacherer Spulendetektor eingesetzt werden.
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Der
Strom, welcher sich in den Zuleitungen einstellt, hängt im Falle
einer Stromänderung
neben dem ohmschen Widerstand auch vom induktiven Widerstand ab.
Die Leitungsfehlererkennung beruht auf dem Prinzip der Erkennung
eines Stromunterschieds zwischen den redundanten Versorgungsleitungen.
In der Praxis ist es relativ wahrscheinlich, dass selbst bei ähnlich dimensionierten
Versorgungsleitungen und Innenleitern z. B. durch Steckerübergangswiderstände in der
Praxis nennenswert unterschiedliche Widerstände auftreten, welche prinzipiell
zu unterschiedlichen Strömen
in den Versorgungsleitungen führen.
Um diese nicht auf einen Fehler zurückzuführenden Stromunterschiede bei
der Auswertung möglichst
auszublenden wird vorzugsweise eine Messung bei einer deutlichen Änderung
des Versorgungsstroms durchgeführt.
In diesem Fall – unter
der Voraussetzung, dass kein Versorungsleitungsdefekt vorliegt – überwiegt
der induktive Anteil des Zuleitungswiderstands gegenüber dem
ohmschen Widerstand, so dass die Stromdifferenz in den redundanten Versorgungsleitungen
während
einer Stromänderung kleiner
ist, als bei einem Gleichstrom. Es ist daher besonders vorteilhaft,
die Messung genau dann durchzuführen,
wenn sich der Gerätestromverbrauch
besonders stark ändert
(zum Beipiel zum Zeipunkt des An- oder Abschaltens eines Verbrauchers).
Die Fehlererkennung bei einer Stromänderung bietet außerdem den
Vorteil, dass das Signal an der Magnetfelddetektoreinheit mit einer
einfachen Messspule messbar ist, weil dann in der Spule eine Spannung
induziert wird. Wird eine der Zuleitungen unterbrochen, so fließt der gesamte
Strom über
die zweite Leitung und in der Spule wird je nach dem welche Leitung
unterbrochen ist, eine Spannung in der einen oder anderen Richtung
induziert. Geht man von nahezu identischen Induktivitäten der
Innenleiter aus, wirken sich dann Stromunterschiede auf Grund von
geringfügig unterschiedlichen
Leitungswiderständen
nur wenig auf das Messsignal aus. Ein Erkennung eines Fehlers in
der Versorgungsleitung ist nach der hier beschriebenen Möglichkeit
mit größerer Erkennungssicherheit
möglich.
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Die
Schaltungsanordnung kann sehr einfach auf einem Schaltungsträge z. B.
einer Leiterplatte in SMD-Technik oder auch gemäß der Technik der an sich bekannten
versenkten Spulenmontage angebracht werden. Die Leiterbahnführung kann
ein oder mehrlagig erfolgen, wodurch geringe Verlustleistungen durch
Leitungswiderstände
machbar sind.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von
Figuren.
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Es
zeigen
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1 Leiterbahnen
zur redundanten Versorgung in Aufsicht,
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2 die
Leiterbahnen wie in 1 in räumlicher Dar stellung,
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3 den
Feldverlauf an einer auf die Leiterplatte aufgesetzten Detektorspule,
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4 ein
Beispiel für
ein in die Leiterplatte eingebettetes Detektorelement,
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5 die
prinzipielle Möglichkeit
eines gemeinsamen GND-Knotens innerhalb der Schaltung,
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6 den
Anschluss redundanter Versorgungsleitungen an ein Kraftfahrzeugsteuergerät,
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7, 8 Beispiele
für Verstärkerschaltungen
für das
Ausgangssignal des Magnetfelddetektors,
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9 eine
Leiterplatte mit geeignet geführten
Leiterbahnen zur Anbindung an einen Stecker mit einem Lochraster
in Aufsicht und
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10 ein
Gehäuse
eines Kraftfahrzeugreglers mit einem integrierten Steckerteil.
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In 1 und
sind die zur Fehlererkennung benachbart an einer Magnetspule 3 vorbeigeführte Leiterbahnen 1 dargestellt.
An den Enden der Leiterbahnen 1 sind jeweils Kontaktpunkte 5 angebracht, mit
denen die redundanten GND-Versorgungsleitungen 2 (6)
elektrisch verbunden werden können.
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Magnetspule 3 in 3 bildet
den Magnetfelddetektor der Fehlererkennungseinrichtung. Dabei ist
Magnetspule 3 als SMD-Bauelement ausgeführt und daher direkt auf einer
mehrlagigen Leiterplatte 7, zum Beispiel eine Leiterplatte
mit mehrlagigen GND-Leiterbahnen aufgelötet. Die Feldlinien 8 symbolisieren
den Magnetfeldlinienverlauf einschließlich der Feldrichtung (Pfeile)
durch die Magnetspule 3 für dem Fall, dass über Leiterbahnen 1 ein
Strom fließt. Fließt ein Strom
gleicher Stärke
in den dargestellten Leiterbahnen 1 in die gleiche Richtung,
hebt sich das Magnetfeld im Bereich von Spule 3 nahezu
vollständig
auf.
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4 zeigt
eine alternative Anordnung mit einer Einbettung der Magnetspule 3 in
die Leiterplatte 7.
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Die
Anordnung in 5 zeigt die prinzipielle Möglichkeit,
die redundanten Versorgungsanschlüsse, die im Innern der Schaltung
als Innenleiter 1 am Magnetfelddetektor 3 vorbeigeführt werden,
nach der Detektoreinheit nicht mehr redundant, also in Form einer
gemeinsamen internen GND-Leitung 9 zur Versorgung eines
Geräts
oder einer Schaltung weiterzuführen.
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6 zeigt
den Anschluss zweier (redundanter) GND-Versorgungsleitungen 2 (GND 1 und GND 2)
an ein Reglergehäuse 10 eines
Bremsensteuergeräts 11.
Zum Anschluss der in der Regel in einem Kabel geführte Leitungen
ist am Reglergehäuse 10 ein
Steckerteil 12 angebracht (siehe auch 10).
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In 7 ist
eine Verstärkerschaltung
mit einem Operationsverstärker 14 dargestellt.
Mit dem Eingang des Operationsverstärkers 14 sind die
beiden Enden der Magnetspule 15 des Detektorelements 3 direkt
oder indirekt elektrisch verbun den. Operationsverstärker 14 ist
als Differenzverstärker geschaltet.
Das verstärkte
Signal wird dann von Fehlererkennungsschaltung 16 zur Erkennung
einer Leitungsunterbrechung ausgewertet.
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8 zeigt
ein alternatives Beispiel für
eine Verstärkerschaltung,
bei der ein Ende der Magnetspule 15 mit Masse verbunden
ist und das andere Ende mit einem Eingang des Operationsverstärkers 14,
wobei das an diesem Eingang zugeführte Signal über einen
als Hochpass wirkenden Eingangskondensator 17 geführt ist,
um Gleichspannungsanteile aus dem Messignal herauszufiltern.
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Die
Leiterplatte 7 in 9 ist für die Montage eines
Steckerteils 12 vorgesehen. Hierzu sind in die Leiterplatte 7 mehrere
Kontaktpunkte 5 in einem für das Steckerteil geeigneten
Lochraster eingearbeitet. Gemäß dem dargestellten
Beispiel sind die vier auf der linken Seite des Rasters angeordneten
Kontaktpunkte 5' für die redundanten
GND-Versorgungsleitungen vorgesehen. Zu den Kontaktpunkten 5' führen geeignet
geformte Leiterbahnen 1, die von den Kontaktpunkten zunächst doppelt
an einem Magnetfelddetektor 3 vorbeiführen und dann, nach dem Detektorelement,
in einem gemeinsamen GND-Knotenpunkt 4 münden. Vom
gemeinsamen GND-Knotenpunkt 4 aus verzweigt die Masseleitung
je nach Anforderung der Schaltung ggf. wieder. Wie auch in den vorangegangenen
Figuren dargestellt, umschließen die
redundanten Leiterbahnen 1 das Detektorelement 3,
welches zur Messung des durch den auf den Leitern 1 fließenden Differenzstrom
hervorgerufenen Magnetfelds dient.
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In 10 ist
das Reglergehäuse
gemäß 6 im
Seiten schnitt dargestellt. Die Leiterplatte gemäß 9 ist so
im Reglergehäuse 10 angeordnet,
dass die Metallstifte 6 (Steckerpins) des Steckerteils 12 direkt
in Löcher
der Leiterplatte 7 geführt
werden können,
wobei im Bereich der Löcher
auch die Kontaktpunkte 5 bzw. 5' angeordnet sind. Steckerteil 12 bildet
dabei eine in das Reglergehäuse
integrierte Einheit.
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Im
Gegensatz zur Ausführungsform
in 9 ist das Detektorelement 3 in 10 so
orientiert, dass das Magnetfeld der parallel verlaufenden Kontaktstifte 6 für die GND-Zuleitungen
erfasst wird. Diese Ausführungsform
ermöglicht
eine besonders einfache Auslegung der geräteinternen Masseführung, da
die Massen bereits im Bereich der Kontaktpunkte 5' des Steckerteils 6 miteinander
elektrisch zu einem gemeinsamen Knotenpunkt 4 verbunden
werden können.
Dies bietet den Vorteil, dass keine doppelten GND-Leiterbahnen im
Bereich der Leiterplatte benötigt
werden.