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Die vorliegende Erfindung betrifft Bussysteme in Fahrzeugen.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Anbindung von Bussystemen an Kfz-Steuergeräte mit magnetischer und/oder elektrischer Schirmung in einem Anschlusssteckerelement.
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Stand der Technik
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Die Verkabelung in Kraftfahrzeugen wird meist unter Verwendung eines Bussystems realisiert. Eine Mehrzahl von Steuergeräten wird elektrisch über einen gemeinsamen Bus miteinander verbunden. Die Steuergeräte tauschen unter Verwendung des Busses miteinander Daten bzw. Informationen aus und/oder steuern Komponenten des Fahrzeugs. Beispielsweise wird hierzu das CAN-Bussystem oder das Flexray-Bussystem verwendet.
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Von einem zentral verlegten Kabelbaum aus werden einzelne Steuergeräte mittels im/am Kabelbaum angeordneten Stecker bzw. Buchsen angebunden. Die Steuergeräte weisen jeweils komplementäre Buchsen bzw. Stecker auf, welche eingerichtet sind, das Bussystem an das Steuergerät anzuschließen.
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In Steuergeräten, insbesondere in Kfz-Steuergeräten, werden Steckerpins eines entsprechenden Anschlusssteckers üblicherweise parallel zueinander liegend bzw. ausgerichtet bis zu einer Platine des Steuergerätes geführt bzw. im Stecker/in der Buchse eingespritzt bzw. eingeschossen.
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Die Verkabelung eines entsprechenden Steuergerätes mag einerseits (Low Speed-)Signal- und/oder Versorgungsleitungen aufweisen, beispielsweise Versorgungsleitungen für eine Spannungsversorgung des Steuergerätes, und andererseits Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen (High Speed) aufweisen.
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Für High Speed-Bussysteme werden üblicherweise spezielle wellenwiderstandsangepasste und geschirmte Stecker verwendet. Entsprechende Stecker erhöhen jedoch meist signifikant die Kosten eines Bussystems. Aufgrund des hohen Kostendrucks wird oft auf diese Spezialstecker verzichtet und die Signale des Hochgeschwindigkeitsbusses über einfache Steckerpins in ein Steuergerät geführt.
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Die beispielsweise im Kfz-Bereich üblichen Stecker sind jedoch meist als in parallel liegenden Kammern geführte Einlegeteile ausgebildet, welche bis zu einer Platine reichen oder nur im Stecker eingespritzt bzw. eingeschossen werden.
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Sind nun in einem System viele parallele Leitungen vorhanden, besteht die Gefahr von Überkopplungen auf Nachbarleitungen. Um diesen Überkopplungen entgegenzuwirken werden beispielsweise im Falle von High Speed-Bussystemen die entsprechenden zusammengehörigen Leiter im Kabelbaum bis zum Stecker verdrillt ausgeführt, als ein sogenanntes „Twisted Pair”.
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Ab dem Punkt, an dem die Kabel jedoch in den Stecker bzw. die Buchse übergehen, ist diese Verdrillung aufgehoben. Im Stecker werden beispielsweise mit schnellen Signalen beaufschlagten Leitungen wieder parallel nebeneinander liegend und insbesondere neben anderen Leitungen liegend (aus)geführt. Auf diese mag nachfolgend eine Überkopplung stattfinden. Solch eine Überkopplung mag in den parallel angeordneten Leitungen ein Störsignal hervorrufen; die Leitungen können sodann zu erhöhten elektromagnetischen Emissionen des Steuergerätes beitragen.
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Bekannte Stecker, die einer entsprechenden Einkopplung entgegenwirken, sind entweder Stecker ausgeführt, welche unter Hochfrequenzgesichtspunkten entwickelt wurden, beispielsweise mit vollständiger Schirmung mit Hochfrequenzschirmelementen, z. B. Hochfrequenzblechen, und somit erhöhte Kosten verursachen mögen.
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Alternativ werden Pins in der Nähe des Hochgeschwindigkeitsbussystems nicht benutzt, somit der Abstand von weiteren Leitungen zum Bussystem vergrößert, so dass es zu keiner bzw. einer reduzierten Überkopplung kommt. Im zweiten Fall sinkt jedoch aufgrund einer nicht vollständigen Belegung die Effizienz eines Steckersystems.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag somit darin gesehen werden, elektromagnetische Emissionen eines Steuergerätes zu reduzieren und hierzu Überkopplungen in einem Bussystem auf benachbarte Leitungen ohne die Verwendung von speziellen hochfrequenzoptimierten Steckersystemen zu reduzieren.
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Dieser Aspekt wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, dass normale, im Kfz-Bereich übliche Stecker weiterhin verwendet werden können und insbesondere kein geschlossener Schirm bzw. Abschirmung um ein High Speed-Signal gelegt werden muss. Kopplungen auf benachbarte Leitungen zu den Datenleitungen des High Speed-Bussystems werden gedämpft durch gezieltes Schwächen eines elektromagnetischen Feldes, welches von dem Bussystem ausgeht. Hierdurch mögen sich geringere Emissionswerte erzielen lassen.
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Die vorliegende Erfindung verwendet insbesondere den Effekt einer Gegenstrominduktion in einer Leiterschleife, welche beispielsweise unmittelbar um die Datenleitung(en) eines High Speed-Busses angeordnet ist. Eine entsprechende Leiterschleife mag sich beispielsweise dadurch realisieren lassen, dass in einem Steckersystem verwendete Stecker bzw. Steckerpins oder Leitungen, welche unmittelbar neben den Leitungen des High Speed-Busses angeordnet sind, derart miteinander verbunden bzw. verschaltet werden, so dass sie die gewünschte Leiterschleife ausbilden.
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Ein übliches Steckersystem für ein Steuergerät ist meist aus zwei Anschlusselementen aufgebaut, welche einerseits am Steuergerät angeordnet und andererseits am Kabelbaum des Bussystems angebracht sind. Erstes und zweites Anschlusselement mögen somit beispielsweise eine im oder am Gehäuse des Steuerelementes angeordneter Stecker sowie eine am Kabelbaum angeordnete Buchse sein. Stecker bzw. Buchse weisen interne Leitungen, zum Beispiel Steckerpins auf, welche letztendlich im Stecker als parallel verlaufende Leiter angesehen werden mögen.
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Ein Anschlusselement muss hierbei nicht zwingend notwendig als ein kompaktes Element aufgefasst werden, welches beispielsweise ermöglicht, eine Vielzahl von elektronischen Kontakten in einem Ansteckvorgang herzustellen. Auch ist denkbar, dass ein Anschlusselement einfach aus einer Vielzahl an einzelnen Kontaktelementen besteht, welche beispielsweise auf Pins des jeweils anderen Anschlusselementes aufgesteckt wird.
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Das zu schirmende Datensignal wird, je nach seiner Ausgestaltung, über zumindest ein erstes Kontaktelement durch das erste und zweite Anschlusselement geführt, wodurch Bussystem und Steuergerät miteinander verbindbar sind. Im Falle der Verwendung einer verdrillten Hochgeschwindigkeitsdatenleitung, beispielsweise ausgeführt als „Twisted Pair”, mögen beispielsweise zumindest zwei erste Kontaktelemente verwendet werden.
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Das Bussystem weist somit z. B. im Kabelbaum die verdrillte Hochgeschwindigkeits-Datenleitung auf, welche in den beiden Anschlusselementen in parallel verlaufende Leitungen bzw. Steckerpins übergehen. Die zweiten Kontaktelemente mögen somit diejenigen Steckerpins sein, die unmittelbar neben den Steckerpins der Hochgeschwindigkeits-Datenleitung in den beiden Anschlusselementen geführt werden.
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Diese unmittelbar neben dem/den Kontaktelement(en) des Hochgeschwindigkeits-Datensignals angeordneten Steckerpins mögen nun verwendet werden, um die Leiterschleife auszubilden. Hierbei mögen diese zweiten Kontaktelemente, zumindest zwei zweite Kontaktelemente, an beiden Enden der in den Anschlusselementen parallel verlaufenden Leitungen leitend miteinander verbunden sein. Somit ergibt sich im Wesentlichen eine Leiterschleife, welche den oder die parallel geführten Leiter des Hochgeschwindigkeitsdatensignals in den Anschlusselementen umgibt. Die Leiterschleife mag im Weiteren auch mit zumindest einer Seite auf Masse gelegt bzw. durch Masse ausgebildet sein, beispielsweise auf der Seite des Steuergerätes.
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In anderen Worten ergibt sich die Leiterschleife dadurch, dass zumindest zwei zweite Kontaktelemente im ersten Anschlusselement und im zweiten Anschlusselement leitfähig miteinander verbunden sind. Die Leiterschleife umgibt hierbei bevorzugt die parallel geführten Leitungen der High Speed-Datenleitung vollständig.
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Der Effekt der Abschwächung des magnetischen Feldes der High Speed-Datenleitung ergibt sich dadurch, dass die Steckerpins neben denen des High Speed-Busses elektrisch leitfähig verbunden sind und damit die beschriebene Leiterschleife ausbilden, so dass in dieser ein Gegenstrom induzierbar ist. Damit dieser Strom fließen kann, müssen die Pins der zweiten Kontaktelemente auf beiden Seiten verbunden sein. Ein entsprechender Effekt ergibt sich gleichfalls im Falle, dass erstes und zweites Anschlusselement eine Vollschirmung aufweisen, und somit die zweiten Kontaktelemente mit beispielsweise einem Blech, somit einem leitfähigen Material, umgeben sind. Die zweiten Kontaktelemente mögen dieses leitfähige Material gleichfalls verwenden, um die Leiterschleife auszubilden.
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Die leitfähige Verbindung mag einerseits durch eine dedizierte Verbindung der beiden zweiten Kontaktelemente erfolgen, oder aber diese mögen beispielsweise nur mit Masse verbunden werden und hierdurch die Leiterschleife ausbilden. Eine Leiterschleife mag jedoch gleichfalls unabhängig von Masse ausgebildet sein.
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Im Falle einer von Masse getrennten Leiterschleife, somit einer ausschließlich in sich geschlossenen Leiterschleife mag im Wesentlichen eine magnetische Abschirmung vorgenommen werden, während zusätzlich, im Falle, dass die zweiten Kontaktelemente mit Masse verbunden sind, gleichfalls noch eine Abschwächung eines elektrischen Feldes realisierbar sein mag.
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Eine leitfähige Verbindung von Kontaktelementen mag beispielsweise unter Verwendung sogenannter Codierbrücken im Stecker bzw. in der Buchse erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit beispielsweise eine Dämpfung von ca. 6 dB oder mehr zu im Weiteren angeordneten Nachbarpins und ist sehr kostengünstig auszuführen, da nur die benachbarten Pins im Gerät auf Masse gelegt werden müssen. Im Stecker mag eine zuvor erwähnte Brücke eingesetzt werden.
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Das zumindest eine erste Kontaktelement, auch im Fall, dass zumindest zwei erste Kontaktelemente Verwendung finden, beispielsweise für eine Twisted Pair-Datenverbindung, sowie die zumindest zwei zweiten Kontaktelemente mögen bevorzugt im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sein. Hierdurch lässt sich eine Art zweidimensionale Abschirmung ausbilden.
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Weitere Kontaktelemente zur Abschirmung, somit zur Ausbildung einer zweiten Leiterschleife, zum Beispiel zumindest zwei dritte Kontaktelemente, mögen demgegenüber derart angeordnet sein, so dass die dritten Kontaktelemente gleichfalls das zumindest eine Kontaktelement im Wesentlichen einschließen, somit zwischen den zwei dritten Kontaktelementen angeordnet ist und hierdurch eine zweite Ebene ausbilden, welche zweite Ebene zum Beispiel senkrecht auf der Ebene steht, welche durch die ersten und zweiten Kontaktelemente ausgebildet wird.
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Weitere, vierte, fünfte, etc. Kontaktelemente mögen vorgesehen sein, welche weitere Ebenen zusammen mit dem ersten Kontaktelement ausbilden und dieses in sich einschließen, so dass die nachfolgenden Ebenen weiterhin unter einem gewissen Winkel, beispielsweise 45 Grad oder 22,5 Grad zu erster und zweiter Ebene angeordnet sind. Hierdurch lässt sich eine weitere bevorzugte Abschirmung des zumindest einen ersten Kontaktelementes ausbilden.
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Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, wonach sämtliche Kontaktelemente, welche das zumindest eine erste Kontaktelement umgeben, als Leiterschleife ausgebildet sind, somit zumindest teilweise miteinander leitfähig verbunden sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Es zeigen
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1 eine exemplarische Ausgestaltung eines Steckers eines Steuergerätes;
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2a, b eine schematische Zeichnung sowie eine zugehörige per Simulation berechnete Feldverteilung einer exemplarische Ausgestaltung eines Steckersystems;
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3a, b eine schematische Zeichnung sowie eine zugehörige per Simulation berechnete Feldverteilung einer exemplarische Ausgestaltung eines Steckersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 dargestellt ist ein exemplarisches Beispiel eines Steckersystems 2, beispielsweise eine Kfz-Steckers eines ESP-Steuergerätes.
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Das Steckersystem 2 gemäß 1 ist hierbei mittig geöffnet, so dass die einzelnen Kontaktelemente 8 sichtbar sind. Der Stecker ist exemplarisch derart ausgeführt, so dass er mit der nach oben gerichteten Seite direkt auf eine Leiterplatte oder Platine eines Steuergerätes aufbringbar, zum Beispiel auflötbar, ist.
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Die in 1 nach unten gerichteten Steckerkontakte bzw. Kontaktelemente 8 stellen hierbei die vom Steuergerät wegragenden Anschlussmittel dar. Ein zweites Anschlusselement 6 mag nun auf das erste Anschlusselement 4 aufbringbar sein, welches im Wesentlichen sämtliche Kontaktelemente 8 gleichzeitig leitfähig verbindet bzw. ankoppelt oder aber, wie in 1 dargestellt, mögen einzelne Kontaktelemente 8 mit Steckerpins einzeln kontaktiert werden.
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An die beiden dargestellten Steckerpins sind exemplarisch zwei Leitungen angeschlossen. Wie in 1 zu sehen, ist keine explizite magnetische und/oder elektromagnetische Schirmung des Steckers vorgesehen.
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Im Falle, dass die beiden dargestellten Leitungen der Steckerpins eine High Speed-Datenleitung darstellen, würde diese aufgrund der parallelen Führung im ersten Anschlusselement 4 magnetische und/oder elektromagnetische Störungen in benachbarte Kontaktelemente 8 hervorrufen.
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In 2a ist eine derartige Verkabelung bzw. ein derartiges Steckersystem 2 schematisch dargestellt.
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Exemplarisch sind insgesamt vier Signal- bzw. Versorgungsleitungen 16 (Pins 1, 4, 5, n) dargestellt sowie eine High Speed-Datenleitung 14 (Pins 2, 3), welche ein zu schirmendes Datensignal 10 führt.
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Im Kabelbereich 20 erfolgt die Schirmung durch eine Verdrillung der Hochgeschwindigkeitsdatenleitung 14, dargestellt als aufeinander folgende Leitungsschleifen der Hochgeschwindigkeitsdatenleitung 14.
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Im Steckerbereich 22, im Steuergerät 26, jedoch, dadurch dass ausschließlich geradlinige Leitungen im Steckergehäuse vorgesehen sind, ist eine verdrillte Ausbildung der Hochgeschwindigkeitsdatenleitung 14 nicht mehr möglich. Somit ergibt sich eine magnetische bzw. elektromagnetische Belastung der umliegenden Leitungen (Pins 1, 4, 5 ... n) durch die parallel geführten Leitungen (Pins 2 und 3) der High Speed-Datenleitung 14 im Steckerbereich 22.
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In 2b dargestellt ist ein Schnitt durch das Steckersystem 2, insbesondere durch die parallel geführten Kontaktelemente 8. Hierbei ist exemplarisch an die Kontaktelemente 8a angeschlossen eine High Speed-Datenverbindung 14 dargestellt. Durch die im Stecker selbst parallel geführten Kontaktelemente 8a wird ein magnetisches Feld H 18a erzeugt, welches in 2b schraffiert dargestellt ist.
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Weiter Bezug nehmend auf 3a wird eine schematische Zeichnung sowie eine zugehörige per Simulation berechnete Feldverteilung eines Steckersystems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Steckersystem 2 gemäß 3a entspricht hierbei im Wesentlichen dem Steckersystem 2 gemäß 2a.
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Im Unterschied zu 2a werden im Steckersystem 2 gemäß 3a jedoch die zur verdrillten Hochgeschwindigkeitsdatenleitung 14 nebenliegenden Kontaktelemente 8b unter Verwendung eines Brückenelementes 24 überbrückt. Ein vergleichbares Brückenelement mag auf der im Steuergerät 26 angeordneten Leiterplatte 28 erfolgen, alternativ mögen die jeweiligen Kontaktelemente 8b im Steuergerät 26, beispielsweise auf Leiterplatte 28 mit Masse 12 verbunden sein. Über das zweite Brückenelement (nicht dargestellt) oder aber über die Verbindung zu Masse 12 wird in Kontaktelementen 8b (Pins 1 und 4) eine Leiterschleife aufgebaut, welche zur Schirmung eines magnetischen Feldes H verwendet werden mag. Im Falle, dass nicht ausschließlich eine Leiterschleife ausgebildet wird, sondern die Kontaktelemente 8b auch (zusätzlich) auf Masse 12 gelegt werden, lässt sich gleichfalls ein elektrisches Feld E reduzieren.
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In 3b dargestellt ist der Effekt einer Leiterschleife dargestellt, welche ein Magnetfeld H 18b, das durch die Kontaktelemente 8a der High Speed-Datenleitung 14 verursacht wird, reduziert. Die Kontaktelemente 8b sind hierbei leitfähig miteinander verbunden sind und bilden eine erfindungsgemäße Leiterschleife aus.
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Die Feldverteilung gemäß 2b und 3b wurde per Simulation berechnet.
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2b und 3b zeigen die Verteilung des magnetischen Feldes in einer Schnittebene durch den Stecker. Deutlich ist im Vergleich von 2b zu 3b zu erkennen, dass das magnetische Feld 18a weiter in den Stecker bzw. zu den umliegenden Nachbarpins reicht als das magnetische Feld 18b.
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Somit lässt sich eine Reduktion der Störungen von Nachbarpins durch Verwendung einer Leiterschleife reduzieren.
