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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Koppeldämpfung einer elektrischen Komponente insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Komponente eine erste und mindestens eine davon verschiedene zweite Spannungsebene aufweist.
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In modernern Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, werden Hochspannungen eingesetzt, um die erforderlichen Leistungen der Verbraucher zweckmäßig aufbringen zu können. Dabei werden Hochspannungen von beispielsweise 120 V, 380 V, 800 V und dergleichen verwendet. Unter dem Begriff „Hochspannung” werden hier Spannungen verstanden, die größer 100 V sind.
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In den Kraftfahrzeugen, die mit Hochspannungsantrieben versehen sind, werden aber nicht sämtliche elektrischen Verbraucher mit Hochspannung gespeist. Vielmehr besitzen die Kraftfahrzeuge in der Regel Steuerungselektronik, die in einer 12 V Spannungsebene angesiedelt ist. Dies bedeutet, dass die Komponenten in dieser Spannungsebene mit einer Versorgungsspannung von 12 V betrieben werden. Demgegenüber werden die Komponenten in der Hochspannungsebene mit einer Hochspannung versorgt bzw. geben eine Hochspannung ab.
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In jedem Bordnetz, ob Hochspannungsnetz oder Niederspannungsnetz (12 V) können Störungen auftreten. Diese Störungen pflanzen sich durch das jeweilige Bordnetz fort und beeinflussen die jeweiligen Komponenten entsprechend. Es sind jedoch auch Störungen bekannt, die in einem Bordnetz auftreten und in ein anderes Bordnetz übergekoppelt werden. Auch in dem Fall ist es notwendig, das Emissionsverhalten der betroffenen Komponenten zu kennen, um beurteilen zu können, ob sie die entsprechenden Normen (z. B. CISPR 25) erfüllen.
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Aus der Druckschrift
WO 2005/038477 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung einer Zwischenkreisverbindung bekannt. Insbesondere soll die Zuverlässigkeit von elektrischen Komponenten in der Zwischenkreisverbindung zwischen einem elektrischen Versorgungskreis und einem Antriebskreis eines elektrischen Fahrzeugs geprüft werden. Die Zwischenkreisverbindung, die zwischen einem Netzumrichter, der eine Einphasenumrichtung ausführt und einem Antriebswandler, der eine Dreiphasenwandlung vornimmt hergestellt ist, wird mit einem ersten Testsignal erregt. Die Systemantwort auf das Testsignal wird gemessen und mit einer erwarteten Antwort verglichen. Für den Fall, dass die Abweichung zwischen der Systemantwort und der erwarteten Antwort groß genug ist, wird ein Fehlersignal erzeugt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Emissionsverhalten einer elektrischen Komponente, die zwei Spannungsebenen aufweist, besser überprüfen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es wird demnach erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Bestimmen einer Koppeldämpfung einer elektrischen Komponente insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Komponente eine erste und mindestens eine davon verschiedene zweite Spannungsebene aufweist, durch Einspeisen eines vorgegebenen Signals in die erste Spannungsebene der Komponente, Messen einer Signalantwort in der zweiten Spannungsebene und Berechnen der Koppeldämpfung aus der Signalantwort und dem vorgegebenen Signal. Dass die Komponente zwei Spannungsebenen aufweist, bedeutet, dass ihre Elemente zum Teil mit einer ersten Spannung zum Teil mit einer anderen zweiten Spannung betrieben werden oder diese Spannungen führen.
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Außerdem wird vorgeschlagen eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens, umfassend eine Signalerzeugungseinrichtung zum Einspeisen eines vorgegebenen Signals in die erste Spannungsebene der Komponente, eine Messeinrichtung zum Messen einer Signalantwort in der zweiten Spannungsebene und eine Auswerteeinrichtung zum Berechnen der Koppeldämpfung aus der Signalantwort und dem vorgegebenen Signal.
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In vorteilhafter Weise ist es so möglich, die Koppeldämpfung zwischen den einzelnen Spannungsebenen einer Komponente zu ermitteln. Daraus lassen sich dann unmittelbar Schlüsse ziehen, welches Emissionsverhalten die elektrische Komponente in einer Spannungsebene hat, wenn in der anderen Spannungsebene eine Störung auftritt bzw. erzeugt wird. Damit können auch Komponenten, die an der Schnittstelle zweier Spannungsebenen liegen, hinsichtlich ihres Emissionsverhaltens besser eingestuft werden.
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Vorzugsweise wird das Signal für die Bestimmung der Koppeldämpfung durch einen Impuls gebildet und die Signalantwort ist eine Impulsantwort. Aus der Impulsantwort lässt sich beispielsweise durch Fouriertransformation leicht die Übertragungsfunktion der elektrischen Komponente von der einen Spannungsebene auf die andere Spannungsebene ermitteln. Außerdem sind die meisten (genormten) Prüfverfahren auf das Testen mit Impulsen ausgerichtet.
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Beispielsweise ist die erste Spannungsebene eine 12 V-Ebene und die zweite Spannungsebene eine Hochvoltebene oder umgekehrt, es kann damit beispielsweise eine Koppeldämpfung einer Komponente in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug bestimmt werden, die in beide Spannungsebenen involviert ist (z. B. Steuergeräte).
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Darüber hinaus kann an den Eingang der Komponente, in den das vorgegebene Signal eingespeist wird, und an den Ausgang der Komponente, an dem die Signalantwort gemessen wird, jeweils ein impedanzabschlusselement angeschlossen sein. Damit lassen sich die realen Bedingungen nachbilden, in denen die elektrische Komponente in die jeweiligen Bordnetze integriert ist.
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Insbesondere können die Impedanzabschlusselemente mindestens ein LISN-Element umfassen. Diese Elemente sind speziell für die Impedanzanpassung in Bordnetzen eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Das LISN-Element kann einen gegenüber seinem Ausgang kapazitiv ausgekoppelten Messanschluss aufweisen, in den das vorgegebene Signal eingespeist wird. Dieser Messanschluss dient üblicherweise zum Abgriff einer Spannung an der zu überbrückenden elektrischen Komponente. Im vorliegenden Fall wird er zum Einspeisen des Messsignals bzw. Messimpulses genutzt, und gleichzeitig ist die elektrische Komponente, deren Koppeldämpfung bestimmt werden soll, hinsichtlich der Impedanz angemessen abgeschlossen.
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Das Signal bzw. Messsignal kann sowohl in einen positiven Pol als auch in einen negativen Pol eines Hochvoltversorgungsanschlusses der Komponente eingespeist werden. Damit lässt sich überprüfen, welche Auswirkung eine Störung beispielsweise einer Hochvoltbatterie auf ein Niederspannungsnetz mit einer mit Niederspannung gesteuerten Hochvoltkomponente besitzt.
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Das Einspeisen des Signals erfolgt vorteilhafterweise in beide Pole zeitlich versetzt. Damit treten die Signalantworten bei geeigneter Wahl des zeitlichen Versatzes ebenfalls zeitlich getrennt auf, können aber kurzzeitig hintereinander erfasst werden. Damit werden die beiden Pole quasi gleichzeitig vermessen, und es erfolgt keine Auslöschung von Signalanteilen, wie es der Fall sein kann, wenn beispielsweise ein positiver Impuls für den ersten Pol und ein negativer Impuls für den zweiten Pol verwendet wird.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform wird der zeitliche Versatz durch unterschiedliche Leitungslängen bei der Signaleinspeisung erreicht. Durch die unterschiedlichen Leitungslängen ergeben sich Laufzeitunterschiede der Signale für die beiden Pole, sodass letztlich auch die Signalantworten für beide Pole zeitlich versetzt auftreten.
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Das Messen der Signalantwort kann mit einer Stromzange erfolgen. Eine Stromzange ist leicht anzubringen und misst den Strom durch induktive Einkopplung. Für die Messung kann aber auch eine kapazitive Koppelzange oder eine Antenne für elektromagnetische Strahlung (gegebenenfalls auch eine galvanische Messmethode) verwendet werden.
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Die Signalerzeugungseinrichtung (z. B. ein Impulsgenerator) kann zusammen mit mindestens einem Impedanzabschlusselement in ein elektromagnetisch schirmendes Gehäuse integriert sein, wobei das Signal der Signalerzeugungseinrichtung in einen Messausgang des Impedanzabschlusselements eingespeist wird. Damit kann das Einspeisen des Messsignals unter verbesserten Abschirmbedingungen erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen Testaufbaus; und
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2 ein Detail des Testaufbaus von 1 für die Impulseinkopplung.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In einem Kraftfahrzeug, das ein Hochspannungsbordnetz und ein Niederspannungsbordnetz aufweist, kommen in der Regel mehrere Komponenten vor, die an beide Netze gekoppelt sind. Dies sind beispielsweise Spannungswandler (DC-AC-Wandler, DC-DC-Wandler), Hochspannungsbatterien, Motorsteuergeräte, Sitzheizungssteuergeräte und dergleichen. Es wird also beispielsweise ein Hochspannungsverbraucher mit einer Niederspannung gesteuert. Die jeweilige Komponente besitzt Hochspannungsanschlüsse und Niederspannungsanschlüsse. Sie weist also eine Hochspannungsebene und eine Niederspannungsebene auf. Störungen können von den einen Anschlüssen zu den anderen überkoppeln. Die Dämpfung dieser Überkopplung muss bestimmt werden, um eine Komponente beispielsweise hinsichtlich der Erfüllung bestimmter Emissionsvorschriften zu prüfen (z. B. die Norm CISPR 25).
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Zur Bestimmung der Koppeldämpfung dient beispielsweise der in 1 dargestellte Messaufbau. Eine Hochspannungsversorgungseinrichtung 1 dient zum Bereitstellen einer Hochspannung von typischerweise über 100 V, dabei kann es sich beispielsweise um eine Hochspannungsbatterie oder um ein Netzgerät für Testzwecke handeln. Bei der Hochspannung handelt es sich um eine Gleichspannung und die Hochspannungseinrichtung weist folglich einen Plus-Pol und einen Minus-Pol auf. Die Anschlussleitungen für beide Pole sind in der Regel geschirmt, so dass Spannungsschwankungen praktisch keine elektromagnetischen Abstrahlungen nach außen hervorrufen.
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Über zwei Hochspannungs-LISN-Elemente 2 ist die Hochspannungsversorgungseinrichtung 1 an den Hochspannungsversorgungseingang des eigentlichen Prüflings 3 angeschlossen. Ein HV-Leitungssatz 14 symbolisiert die elektrische Verbindung zwischen den Hochspannungs-LISN-Elementen 2 und dem Hochspannungseingang des Prüflings 3. Die beiden Hochspannungs-LISN-Elemente 2 befinden sich beispielsweise zur besseren Abschirmung in einer Schirmbox 15. Außerdem besitzen sie hier jeweils einen Masseanschluss. Beispielsweise können durch Wechselrichter auf der HV-Seite (Hochvoltseite) Störungen auftreten, die in das 12 V-Netz übergekoppelt werden.
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Der Prüfling 3 besitzt im vorliegenden Beispiel einen sechspoligen Niedervoltanschluss (z. B. 12 V), an dem hier ein 12 V-Leitungssatz 16 angeschlossen ist. Dieser Leitungssatz 16 wird durch eine Stromzange 4 induktiv abgegriffen, die unten näher dargestellt werden wird. Die mittleren beiden Leitungen des 12 V Leitungssatzes 16 dienen zur 12 V-Versorgung. Es führen daher spiegelbildlich zur HV-Seite zwei Leitungen über zwei 12 V-LISN-Elemente 5 zum Plus-Pol und Minus-Pol einer 12 V-Versorgungseinrichtung 6. Bei dieser 12 V-Versorgungseinrichtung 6 kann es sich wiederum um eine Batterie oder um ein Netzgerät handeln. Die beiden 12 V-LISN-Elemente 5 besitzen ebenfalls jeweils Masseanschlüsse. Mit den LISN-Elementen 2 und 5 ist somit die Hochspannungsversorgung und die Niederspannungsversorgung, wie sie in den realen Hochspannungs- und Niederspannungsnetzen in einem Fahrzeug bestehen, für den konkreten Fall nachgebildet.
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Um reale Prüfbedingungen zu erzielen, werden auch die übrigen Komponenten, die die Peripherie des Prüflings 3 im realen Kraftfahrzeug bilden, für den Testfall gemäß 1 nachgebildet. So führen beispielsweise zwei der Leitungen des 12 V-Leitungssatzes 16 zu einer Lastnachbildung 7. Weitere zwei Leitungen führen zu einem exemplarischen Signalwandler, der beispielsweise eine elektrooptische Signalwandlung durchführt. Da sich der gesamte Messaufbau zu Mess- und Bestimmungszwecken auf einer Masseplatte 12 innerhalb eines geschirmten Raums 13 befindet, ist an der Wand des geschirmten Raums 13 eine Leitungsdurchführung 9 vorzusehen, um mit einer Prüfungsansteuerung 11 über den Signalwandler 8 Kontakt zu dem Prüfling 3 herzustellen. Ebenso werden die von der Stromzange 4 aufgenommenen Messsignale über eine weitere Leistungsdurchführung 9 zu einem Messempfänger 10 geleitet.
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Erzeugt nun beispielsweise die Hochspannungsversorgungseinrichtung 1 (z. B. ihr Wechselrichter) Störsignale, so werden diese über den HV-Leitungssatz 14 der Hochspannungsseite des Prüflings 3 geführt. Innerhalb des Prüflings 3 koppeln diese Signale auf die 12 V-Seite über und können so mit der Stromzange 4 gemessen werden. Aus dem Eingangssignal und der Signalantwort am Prüfling 3 kann die resultierende Koppeldämpfung berechnet werden.
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Alternativ kann auch auf der Niederspannungsseite ein Prüfsignal (z. B. ein Impuls) in den Prüfling eingespeist werden. Der Impuls liefert an der Hochspannungsseite dann aufgrund der Überkopplung eine Signalantwort, die sich ebenfalls messen lässt. Auch in diese Richtung lässt sich eine Koppeldämpfung ermitteln.
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Um die Koppeldämpfung exakt bestimmen zu können und einen Testaufbau für einen CP-Test nach CISPR 25 durchführen zu können, wird beispielsweise auf der Hochspannungsseite gemäß 2 ein Impuls eingekoppelt. Dazu ist in 2 die Schirmbox 15 vergrößert dargestellt. Die beiden LISN-Elemente 2 sind über geschirmte HV-Leitungen 17 und 18, die den HV-Leitungssatz 14 bilden, an den Prüfling 3 angeschlossen. Die beiden LISN-Elemente 2 besitzen typischerweise einen gegen den jeweiligen Innenleiter 17' bzw. 18' kapazitiv abgekoppelten Messanschluss 19. Diese Messanschlüsse 19 werden hier benutzt, um in beide Leitungen 17, 18 jeweils einen oder mehrere Impulse einzukoppeln. Erzeugt werden die Impulse durch einen Impulsgenerator 20 dem ein Dämpfungsglied 21 nachgeschaltet ist, um die Impulshöhe einzustellen.
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Optional ist dem Dämpfungsglied ein Tiefpassfilter 22 nachgeschaltet, um etwaige Oberwellen des Pulssignals auszufiltern. Im Anschluss an das Tiefpassfilter 22 befindet sich ein Leistungsteiler 23, der aus einem erzeugten Impuls gleichzeitig zwei Impulse bereitstellt. Im vorliegenden Beispiel werden zwei gleiche Impulse erzeugt, die gegenüber einander nicht gedreht sind (0°). Alternativ könnten beispielsweise für die beiden HV-Leitungen 17 und 18 ein positiver Impuls und ein negativer Impuls erzeugt werden, wobei die Drehung dann 180° betragen würde. Dies führt aber unter Umständen zu Teilauslöschungen. Das Dämpfungsglied 21, das Tiefpassfilter 22 und der Leistungsteiler 23 können in den Pulsgenerator 20 integriert sein.
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Die vom Leistungsteiler 23 gelieferten Impulse werden nun zu den Messanschlüssen 19 der jeweiligen LISN-Elemente 2 über Leitungen 24 und 25 geführt. Die beiden Leitungen haben unterschiedliche Länge. Beispielsweise ist die Leitung 24 1 m und die Leitung 25 4 m lang. Daraus ergeben sich Laufzeitunterschiede. Die Impulse werden also zeitversetzt in die Plus-Leitung 17 und die Minus-Leitung 18 der Hochspannungsebene eingekoppelt. Daraus ergeben sich auf der Niederspannungsebene entsprechend zeitversetzte Signalantworten. Die Differenz der Leitungslängen ist so zu wählen, dass sich die Signalantworten nicht wesentlich überlagern. Somit kann getrennt für eine Einkopplung auf der Plus-Leitung 17 und der Minus-Leitung 18 jeweils eine Koppeldämpfung in Richtung auf die Niederspannungsebene ermittelt werden.
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Grundsätzlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Komponenten mit mehr als zwei verschiedenen Spannungsebenen geprüft werden. Solche Komponenten haben beispielsweise einen 12 V-Anschluss, einen 24 V-Anschluss und einen HV-Anschluss mit 400 V. Ebenso sind Komponenten prüfbar, mit beispielsweise einem 12 V-Anschluss und 2 HV-Anschlüssen (z. B. 120 V und 360 V oder Ähnliches). Bei diesen Komponenten kann mit dem Verfahren eine paarweise Prüfung der verschiedenen Spannungsebenen durchgeführt werden.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren nochmals näher insbesondere hinsichtlich der Funktionsweise erläutert. Das beschriebene Verfahren dient vornehmlich zur Bestimmung der inneren Koppeldämpfung von elektrischen Komponenten generell und insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Mit der Bestimmung der Koppeldämpfung kann ermittelt werden, in welchem Maße Störungen von einem elektrischen Anschluss einer ersten Spannungsebene (z. B. HV-Ebene) auf einen anderen (z. B. der 12 V Ebene) durch die Schaltung und den Aufbau im Inneren der Komponente übergekoppelt werden. Die Einhaltung eines Mindestwerts für die innere Koppeldämpfung ist für die Sicherstellung der zulässigen Störausstrahlung (Emissionsverhalten) und der notwendigen Störfestigkeit (Imissionsverhalten) von elektrischen Komponenten im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erforderlich.
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Das geschilderte Verfahren kann prinzipiell für alle Messverfahren der EMV verwendet werden, bei denen als Leitungsabschluss im Prüfaufbau ein Line Impedence Stabilisation Network (LISN) verwendet wird. Es können elektrische Komponenten mit ungeschirmten und geschirmten Leitungsanschlüssen geprüft werden.
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Die Funktionsweise beruht auf der Einkopplung von Pulsen bzw. Impulsen in einem Leitungsabschluss der Komponente und der Messung der Pulsantwort bzw. Impulsantwort auf den anderen Leitungen durch ein Emissionsmessverfahren. Die Einkopplung des Prüfpulses in den Leitungsanschluss erfolgt vorzugsweise am kapazitiv entkoppelten Messanschluss des LISN. Die Generierung des Prüfpulses kann durch geeignete Puls- oder Signalgeneratoren oder durch einen Netzwerkanalysator oder ähnliches erfolgen. Die Form und Wiederhohlfrequenz des Prüfpulses sollte an die Parameter des gewählten Emissionsmessverfahrens angepasst werden. Das Messverfahren kann beispielsweise so ausgelegt sein: Der Ausstrahlungsgrenzwert auf der 12 V-Seite bzw. -Spannungsebene liegt bei 6 dB. Die Koppeldämpfung der Komponente soll mindestens 30 dB betragen. Es ist dann günstig beispielsweise einen Impuls auf der HV-Spannungsebene einzukoppeln, der 30 dB über dem Ausstrahlungsgrenzwert liegt. Wird dann als Signalantwort ein Wert unter 6 dB gemessen, so erfüllt die Komponente die geforderte Mindestdämpfung, andernfalls erfüllt sie sie nicht.
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Der Frequenzbereich, in dem das Verfahren angewendet werden kann, ist prinzipiell unbeschränkt. Er wird nur durch die Parameter der Pulsgenerierung und des Emissionsmessverfahrens begrenzt.
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Speziell in der Automobilindustrie werden für elektrische Komponenten allgemein die nach CISPR 25 definierten Emissionsmessverfahren angewendet. Dazu zählen die Messung an der Bordnetznachbildung bzw. der LISN (AN-Test), die Messung mit der Stromzange (CP-Test), mit der kapazitiven Koppelzange (CV-Test) und die Antennenmessung (ALSE-Test). Da bei diesen Messverfahren die elektrischen Leitungen durch LISN abgeschlossen werden, kann das beschriebene Verfahren ohne Einschränkung für die Prüfung von elektrischen Komponenten in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochspannungsversorgungseinrichtung
- 2
- Hochspannungs-LISN-Elemente
- 3
- Prüfling
- 4
- Stromzange
- 5
- 12 V-LISN-Elemente
- 6
- 12 V-Versorgungseinrichtung
- 7
- Lastnachbildung
- 8
- Signalwandler
- 9
- Leistungsdurchführung
- 10
- Messempfänger
- 11
- Prüfungsansteuerung
- 12
- Masseplatte
- 13
- Geschirmter Raum
- 14
- HV-Leitungssatz
- 15
- Schirmbox
- 16
- 12 V-Leitungssatz
- 17, 18
- Leitung
- 17', 18'
- Innenleiter
- 19
- Messanschluss
- 20
- Impulsgenerator
- 21
- Dämpfungsglied
- 22
- Tiefpassfilter
- 23
- Leistungsteiler
- 24, 25
- Leitungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Normen (z. B. CISPR 25) [0004]
- Norm CISPR 25 [0025]
- CISPR 25 [0032]
- CISPR 25 [0040]
