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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Sende- und Empfangseinheiten, nachfolgend Transceiver genannt, von Schnittstellen für drahtgebundene Kommunikation umfassend wenigstens ein Überspannungsschutzelement mit einem spannungsabhängigen Widerstand, wie zum Beispiel einer Supressordiode oder einem Varistor, das mit einem Leiter einer Kommunikationsleitung verbindbar ist, wobei der Leiter mit einem Anschluss des Transceivers verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Gerät mit einer Schnittstelle für drahtgebundene Kommunikation, wobei die Schnittstelle einen Steckverbinder zur Verbindung mit einer äußeren Kommunikationsleitung, eine in dem Gerät angeordnete innere Kommunikationsleitung und einen in dem Gerät angeordneten und über die innere Kommunikationsleitung mit dem Steckverbinder verbundenen Transceiver aufweist, und mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz des Transceivers der Schnittstelle.
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Es ist Stand der Technik, einzelne Geräte mit Kommunikationsschnittstellen nicht nur in Gebäuden oder anderen geschützten Umgebungen sondern auch in Umwelteinflüssen stark ausgesetzten Bereichen, wie in Fahrzeugen zu vernetzen. In Straßenfahrzeugen werden der CAN- und LIN-Bus besonders häufig verwendet. Für Kommunikationsschnittstellen von Netzwerken, insbesondere in Fahrzeugen gelten strenge Anforderungen an die Störfestigkeit. Störungen in Form von kurzen energiereichen Überspannungspulsen, auch transiente Störungen genannt, können elektronische Bauteile zerstören. Eine bekannte transiente Störung ist eine elektrostatische Entladung. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrades im Fahrzeug sind Kommunikationsschnittstellen besonders gefährdet.
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Die Anforderungen an die Störfestigkeit werden durch Transceiver nicht immer vollständig abgedeckt. Reicht der bauteileigene Überspannungsschutz des Transceivers nicht aus, ist eine äußere Beschaltung zum Schutz vor Überspannungstransienten notwendig.
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Diese äußere Schutzbeschaltung soll die Kommunikation möglichst nicht beeinflussen. Die Kommunikationsschnittstelle sollte daher insbesondere nicht zusätzlich kapazitiv belastet werden. Bei hohen Übertragungsraten kann eine hohe kapazitive Belastung zu hohen Umladeströmen führen, was die elektromagnetische Verträglichkeit des mit der Schnittstelle ausgestatteten Geräts verringert.
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Transceiver sind in der Regel bereits mit einem inneren Überspannungsschutz ausgestattet. Mittels dieses Überspannungsschutzes wird die anliegende Spannung auf einen definierten Wert beschränkt. Damit eine äußere Schutzbeschaltung den Transceiver schützen kann, muss diese früher ansprechen als der Überspannungsschutz im Transceiver, dass heißt, dass sie schon bei Spannungen ansprechen muss, die geringer sind als die Ansprechspannung des inneren Überspannungsschutzes.
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Eine Kommunikationsschnittstelle eines Geräts in einem Fahrzeug muss jedoch nicht nur gegen Überspannungstransienten geschützt werden sondern zusätzlich dauerhaft kurzschlussfest gegen die positiven und negativen Versorgungsspannungen im Bordnetz des Fahrzeug sein. Im Kurzschlussfall kann es, je nach Spannung des Bordnetzes am Transceiver zu einem Spannungsabfall kommen, der die äußere Schutzbeschaltung ansprechen lässt. Die äußere Schutzbeschaltung darf durch die im Kurzschlussfall dauerhaft anliegende Spannung und den nach dem Ansprechen der äußeren Schutzbeschaltung über die Überspannungsschutzelemente fließenden Strom nicht geschädigt werden. In diesem Fall darf die Überspannungsschutzbeschaltung nicht mit einem Strom belastet werden, der dauerhaft fließend zu einer Erwärmung des Überspannungsschutzelementes führt, die das Überspannungsschutzelement zerstört. Die Überspannungsschutzbeschaltung selbst muss also auch geschützt werden. Der einfachste Ansatz ist es, die Bauelemente der äußeren Schutzbeschaltung, insbesondere das Überspannungsschutzelement so zu dimensionieren, dass diese dauerhaft den durch die im Kurzschluss anliegende Spannung getriebenen Strom aushalten können, ohne zerstört zu werden. Dieser Ansatz scheitert aber zum Beispiel in 24-Volt Bordnetzen daran, dass derzeit keine Überspannungsschutzelemente verfügbar sind, die eine Kennlinie haben, die den Strom bei der im Kurzschlussfall gegebenen Spannung begrenzt und zugleich einen Stromfluss beim Auftreten einer transienten Überspannung ermöglicht.
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Bei Fahrzeugen mit 24 V-Bordnetz stellt es sich also als besonderes Problem dar, dass die im Kurzschlussfall am Transceiver anliegende Spannung nahe der üblichen Durchbruchsspannung des internen Überspannungsschutzes des Transceivers liegt. Das heißt, ein dauerhafter Strom über das Überspannungsschutzelement muss vermieden werden und zugleich muss, um die Funktionsfähigkeit der Schnittstelle und des mit der Schnittstelle ausgestatteten Geräts zu erhalten, eine Überspannung auf einen Pegel niedriger der Auslöseschwelle des Überspannungsschutzes im Transceiver begrenzt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bauelemente bekannt, die als Überspannungsschutzelement verwendet werden. Bei diesen Bauelementen handelt es sich zum Beispiel um Zener-Dioden, Varistoren, Supressordioden, ESD-Dioden (esd = electrostatic discharge) oder andere Bauelemente mit einem spannungsabhängigen Widerstand. Diese Überspannungsschutzelemente werden üblicherweise zwischen einem Leiter, auf dem ein Kommunikationssignal transportiert wird, und einem negativem Bezugspotential, zum Beispiel Masse, angeschlossen. Ihnen gemeinsam ist der spannungsabhängige Widerstandsverlauf. Ab einem definierten Spannungspegel verringert sich der Widerstandswert des Bauteils rapide. Dies führt zu einem Ableitstrom durch das Bauteil, der einen Spannungsabfall am Innenwiderstand der Störquelle erzeugt und dadurch die am Bauteil anliegende Spannung begrenzt.
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Zener-Dioden gibt es in einer Vielfalt von Leistungsklassen, Durchbruchsspannungen und Schaltgeschwindigkeiten. Aufgrund der hohen Sperrschichtkapazität sind sie nur eingeschränkt als Schutzelement für Kommunikationsschnittstellen geeignet. Die erhöhte kapazitive Belastung verschlechtert die elektromagnetische Verträglichkeit.
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Varistoren besitzen im Vergleich zu Standard Zener-Dioden eine weitaus geringere Kapazität. Nachteilig sind die höheren Bauteilkosten. Zudem hat ein steigender Ableitstrom einen im Vergleich zur Zener-Diode großen Anstieg der am Transceiver anliegenden Spannung zur Folge. Bei der Bauteilauswahl ist die Durchbruchsspannung des Varistors so zu wählen, dass ein Kurzschluss an der Kommunikationsschnittstelle zu keiner Schädigung des Varistors führt. Im Falle einer Überspannung würde der Spannungspegel an der Kommunikationsschnittstelle stark ansteigen. In Folge dessen wird der Überspannungsschutz im Transceivers vor dem Varistor leitend und der Transceiver ist nicht mehr durch den Varistor geschützt.
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ESD-Dioden verbinden die Vorteile von Zener-Dioden und Varistoren. Der prinzipielle Aufbau ist mit einer mehrfachen Zener-Diode vergleichbar. In einem Gehäuse sind mehrere Diodeneinheiten verschaltet, so dass mit einem Bauteil eine Kommunikationsschnittstelle vollständig geschützt werden kann. ESD-Dioden können kurze energiereiche Überspannungstransienten sicher ableiten. Zudem gibt es spezielle Derivate mit einer besonders geringen Sperrschichtkapazität, die für den Einsatz an Kommunikationsschnittstellen mit hohen EMV-Anforderungen optimiert sind.
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Die derzeit auf dem Markt befindlichen ESD-Dioden mit geringer Sperrschichtkapazität verfügen über keine ausreichend hohe Durchbruchsspannung, um für den Einsatz im 24 V-Bordnetz geeignet zu sein. Die Durchbruchsspannung ist niedriger als die im Kurzschlussfall auf der Kommunikationsschnittstelle anliegende Spannung.
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In der Patentschrift
DE 102 00 830 B4 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Überspannungstransienten gezeigt. Bei dieser Schaltungsanordnung ist ein Kondensator mittels Dioden von der Kommunikationsschnittstelle entkoppelt. Die Dioden sind gegen eine Hilfsspannung vorgespannt. Die Hilfsspannung legt fest auf welchen Spannungswert eine Überspannungstransiente begrenzt wird. Das Prinzip ist aus der Halbleitertechnik allgemein bekannt, wo Ein- und Ausgänge über solche Diodenstrukturen vor Störungen geschützt werden.
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Die in der Patentschrift
DE 102 00 830 B4 beschriebene Schaltungsanordnung erfordert eine zusätzliche Hilfsspannung und somit zusätzlichen Aufwand. Des Weiteren fehlt in der Schaltungsanordnung das für unsere Problemstellung erforderliche strombegrenzende Element. Ohne diese wird, im Falle eines Kurzschlusses gegen die positive Versorgungsspannung, die Diode überlastet. Die Hilfsspannung muss geräteintern erzeugt werden. Fällt die externe Spannungsversorgung des Gerätes aus, wird keine Hilfsspannung mehr erzeugt. In diesem Fall ist der Schutz gegen externe Kurzschlüsse im Bordnetz nicht mehr gegeben.
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Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Transceivern von Schnittstellen für drahtgebundene Kommunikation der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ein Schutz in Bordnetzen mit höherer Spannung bei Kurzschlüssen und bei transienten Überspannungen gegeben ist, ohne das ein interner Überspannungsschutz des Transceivers ansprechen muss.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in die Schaltungsanordnung elektrisch in Reihe zu dem Überspannungsschutzelement ein Kondensator geschaltet ist. Der Kondensator in Reihe zum Überspannungsschutzelement schützt das Überspannungsschutzelement vor Überlastung durch eine dauerhaft anliegende Spannung, die größer ist als die Durchbruchsspannung des Überspannungsschutzbauteiles. Die Erfindung erlaubt den Einsatz unterschiedlicher Überspannungsschutzelemente und schützt diese im Falle einer dauerhaften Spannung vor Zerstörung. Dies wird erreicht, indem mit Hilfe des Kondensators die Dauer des Stromflusses durch das Überspannungsschutzelement begrenzt wird und nur während der Dauer des Stromflusses Leistung in dem Überspannungsschutzelement umgesetzt wird. Der Stromfluss durch das Überspannungsschutzelement erfolgt nur so lange, wie der in Reihe zu dem Überspannungsschutzelement geschaltete Kondensator einen Stromfluss zulässt. Der Kondensator erlaubt einen Stromfluss nur so lange, bis er von dem Strom durch das Überspannungsschutzelement aufgeladen werden kann. Der Stromfluss stoppt, nachdem der Kondensator vollständig aufgeladen ist.
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Bei der in der Patentschrift
DE 102 00 830 B4 beschriebene Schaltungsanordnung ist im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Schaltung der Kondensator parallel zu dem Überspannungsschutzelement geschaltet.
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Im Fall einer transienten Spannung übernimmt der Kondensator das Ableiten der Überspannung. Der von der transienten Spannung getriebene Strom fließt vom Kondensator weitgehend unbeeinflusst durch das Überspannungsschutzelement, dass im Vergleich zu dem Innenwiderstand der Spannungsquelle einen geringen Widerstand hat, so dass über dem Überspannungsschutzelement nur eine geringe Spannung abfällt, die sich am Transceiver einstellt.
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Der Kondensator ist durch das Überspannungsschutzelement von der Kommunikationsschnittstelle entkoppelt, weswegen der Kondensator die Kommunikationsschnittstelle nicht kapazitiv belastet.
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Bei gattungsgemäßen Stand der Technik musste die Durchbruchsspannung des Überspannungsschutzelementes höher als die maximal dauerhaft an der Kommunikationsschnittstelle anliegende Spannung gewählt werden, um das Überspannungsschutzelement vor einer thermischen Zerstörung durch einen Kurzschlussstrom zu schützen. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darf die Durchbruchsspannung des Überspannungsschutzelementes auch niedriger als die maximal dauerhaft anliegende Spannung gewählt werden, so lange die Durchbruchsspannung höher als die für den normalen Betrieb erforderlichen Pegel an der Kommunikationsschnittstelle ist.
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Vorzugsweise ist dem Kondensator ein Widerstandsbauelement parallelgeschaltet.
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In der Parallelschaltung aus dem Kondensator und Widerstandsbauelement sorgt das Widerstandsbauelement für eine definierte Entladung des Kondensators nach dem Verschwinden einer transienten Überspannung.
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Das Überspannungsschutzelement kann eine Zener-Diode, ein Varistor, eine Supressordiode oder eine ESD-Diode sein.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann mehrere Überspannungsschutzelemente aufweisen, die mit einem ersten Anschluss mit je einem Leiter der Kommunikationsleitung zu einem Anschluss des Transceiver angeschlossen sind und die mit einem zweiten Anschluss gemeinsam mit dem Kondensator oder der Parallelschaltung aus dem Kondensator und dem Widerstandsbauelement verbunden sind.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in einem erfindungsgemäßen Gerät mit einer Schnittstellen für drahtgebundene Kommunikation vorgesehen sein, wobei die Schnittstelle einen Steckverbinder, eine in dem Gerät angeordnete Kommunikationsleitung und einen in dem Gerät angeordneten und über die Kommunikationsleitung mit dem Steckverbinder verbundenen Transceiver aufweist.
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Ein solches erfindungsgemäßes Gerät kann an ein Gleichspannungsnetz, insbesondere an ein Bordnetz eines Fahrzeuges, zum Beispiel mit 24 V Nennspannung anschließbar sein. Jeder Leiter der Kommunikationsleitung kann über eine Reihenschaltung aus einem Überspannungsschutzelement und der Parallelschaltung aus dem Kondensator und dem Widerstandsbauelement mit einem Masseanschluss verbunden sein.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Gerät mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Schutz einer Zwei-Leiter-Kommunikationsschnittstelle
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Im Ausführungsbeispiel sind zwei Geräte A, B dargestellt, die jeweils eine Kommunikationsschnittstelle haben, die über eine äußere Kommunikationsleitung Be miteinander verbunden sind. Die Schnittstellen weisen einen Steckverbinder (nicht dargestellt), eine innere Kommunikationsleitung Bi und eine Sende- und Empfangseinheit, nachfolgend Transceiver T genannt, auf, der über die innere Kommunikationsleitung Bi mit dem Steckverbinder verbunden ist.
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Das dargestellte Beispiel kann Bestandteil einer Automobilelektronik, Nutzfahrzeugelektronik, Industrieelektronik oder sonstiger Elektronik sein.
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Als Kommunikationsschnittstellen kommen alle Arten von kabelgebundener elektrischer Nachrichtenübertragung in Frage. Beispielhaft werden CAN-, LIN- oder Flexray-Bus genannt. Kommunikationsschnittstellen dieser Art müssen wegen der für den Gebrauch in der Praxis hinreichend sicher gegen Störungen, so auch gegen transiente Störungen oder Überspannungstransienten, wie ESD oder ISO-Prüfpulse geschützt sein. Die Kommunikationsschnittstelle kann entweder als Ein-Leiter- oder als Mehrleitert-Schnittstelle aufgebaut sein, insbesondere wie in der 1 gezeigt als Zwei-Leiter-Schnittstelle.
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Die Transceiver sind in der Regel integrierte elektronische Bauteile, zum Beispiel CAN-Transceiver.
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Beide Geräte A, B sind von einer Stromversorgung PS gespeist. Die positive Versorgungsspannung der Geräte sowie deren Transceiver ist mit + gekennzeichnet, die Negative mit dem Massesymbol.
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Im Gerät A ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Schutz des Transceivers der Schnittstellen vorgesehen. Auch im Gerät B kann die Schaltungsanordnung vorgesehen sein. Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist mit ESD-Dioden D1, D2 als Überspannungsschutzelementen gegen transiente Störungen und aus einer Parallelschaltung aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1 aufgebaut. Die ESD-Dioden D1, D2 sind mit einem ihrer Anschlüsse mit jeweils einem Leiter der internen Kommunikationsleitung Bi verbunden. Mit einem anderen Anschluss sind die ESD-Dioden D1, D2 miteinander und mit einem ersten Anschluss der Parallelschaltung aus dem Kondensator C1 und dem Widerstand R1 verbunden.
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Im Gerät A ist nur eine Parallelschaltung aus R1 und C1 erforderlich. Pro Leiter der Kommunikationsleitung Bi ist eine ESD-Diode D1, D2 notwendig.
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Die ESD-Diode D1, D2 steht beispielhaft für eine Vielzahl einsetzbarer Überspannungsschutzelemente. Alternativ ist, abhängig von den individuellen Anforderungen, auch der Einsatz von Varistoren oder anderen Bauteilen mit einem spannungsabhängigen Widerstandsverlauf möglich.
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Die ESD-Dioden D1, D2 dürfen die normale Kommunikation nicht stören. Daher ist die Durchbruchsspannung der ESD-Dioden D1, D2 so hoch gewählt, dass die im Normalbetrieb zu erwartenden Spannungspegel an der Kommunikationsschnittstelle nicht zu einem Durchbruch der ESD-Dioden D1, D2 führen. Im Falle einer Überspannung auf einem Leiter der Kommunikationsleitung der Kommunikationsschnittstelle wird die mit diesem Leiter verbundene ESD-Diode D1, D2 leitend und begrenzt den Spannungspegel am Transceiver.
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Der Kondensator C1 ist im normalen Betrieb spannungs- und stromfrei. Erst im Fall einer Überspannung, wenn einer der ESD-Dioden D1, D2 leitet, fließt ein Ladestrom durch den Kondensator C1. Durch den Ladestrom steigt der Spannungsabfall am Kondensator C1. Während einer transienten Überspannung auf einem Leiter der Kommunikationsleitung wird der Kondensator C1 teilweise aufgeladen. Die durch diesen Ladevorgang entstehende Ladespannung ist zu dem Spannungsabfall an der leitenden ESD-Diode D1, D2 hinzu zu addieren. Die Summenspannung muss niedriger sein als der maximal zulässige Spannungspegel am Transceiver. Dieser Zusammenhang ist bei der Auswahl der passenden Durchbruchsspannung der ESD-Dioden D1, D2 zu berücksichtigen. Über eine Vergrößerung der Kapazität des Kondensators C1 kann die Ladespannung verringert werden, wobei die Kapazität nur in einem beschränkten Maß erhöht werden kann, wie noch ausgeführt wird.
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Auch bei einem Kurzschluss eines Leiters der inneren oder äußeren Kommunikationsleitung gegen die positive Versorgungsspannung wird eine der ESD-Dioden D1, D2 leitend. Im Unterschied zu einer transienten Überspannung wird dann der Kondensator C1 vollständig aufgeladen. Danach ist der Diodenstrom durch die leitende ESD-Diode D1, D2 nur noch durch den Widerstand R1 bestimmt. Während des Ladevorganges wird die leitende ESD-Diode D1, D2 durch den fließenden Strom belastet. Die Kapazität des Kondensators C1 beeinflusst die Ladezeit und somit die Dauer des Stromflusses. Über eine Verringerung der Kapazität des Kondensators C1 kann die zeitliche Belastung der leitende ESD-Diode D1, D2 durch den Ladestrom verringert werden, was die zuvor erwähnte Erhöhung der Kapazität einschränkt.
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Das Widerstandbauelement R1 ist notwendig, um den Kondensator C1 nach einem Ladevorgang wieder zu entladen. Ohne das Widerstandbauelement R1 würde sich bei aufeinanderfolgenden Überspannungstransienten der Kondensator C1 schrittweise aufladen, was zu einem Anstieg der Ladespannung und somit zu einer unerwünschten Erhöhung des Spannungspegels am Transceiver führt.
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Eine Verringerung des Widerstandswertes des Widerstandbauelementes R1 verkürzt die Entladezeit des Kondensators C1. Ferner bestimmt der Widerstandswert den Diodenstrom im Falle eines Kurzschlusses eines der Leiter mit der positiven Versorgungsspannung. Um diesen, die ESD-Dioden D1, D2 dauerhaft belastenden Strom so gering wie möglich zu halten, darf der Widerstandwert des Widerstandbauelementes R1 nicht zu gering gewählt werden.
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Bezugszeichenliste
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- A, B
- Geräte
- T
- Transceiver
- D1, D2
- ESD-Dioden
- C1
- Kondensator
- R1
- Widerstandbauelement
- PS
- Stromversorgung
- ESD
- elektrostatische Entladung
- Be
- äußere Kommunikationsleitung
- Bi
- innere Kommunikationsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10200830 B4 [0013, 0014, 0017]
