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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Leitungsreflexionen im Bereich einer Spannungsversorgungsleitung eines Fortbewegungsmittels und einen Ultraschallsensor umfassend eine solche Schaltungsanordnung.
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In Fortbewegungsmitteln können Spannungen bis zu 58 V in elektrische Leitungen der Fortbewegungsmittel eingekoppelt werden. Bei Lastkraftwagen mit besonders ausgedehnten Bordnetzleitungen kann es dadurch vorkommen, dass Scheinwerfer dieser Lastkraftwagen leicht zu glimmen beginnen, obwohl diese ausgeschaltet sind. Solche elektromagnetischen Einkopplungen können auch eine Elektronik von Steuergeräten und Sensoren der Fortbewegungsmittel derart stören, dass durch die Sensoren erfasste Messsignale nur noch eingeschränkt verwendet werden können. Insbesondere Sensoren, welche nur über gering dimensionierte oder keine Stützkondensatoren verfügen, können sich aufgrund solcher unerwünschter elektromagnetischer Einkopplungen mitunter kurzzeitig abschalten.
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Während solche Einkopplungen an offenen Kabelenden positiv reflektiert werden können, können die Einkopplungen an Kurzschlüssen und/oder Kondensatoren negativ reflektiert werden. Dies kann dazu führen, dass sich Einkopplungen im Spannungsversorgungsnetz eines Bordnetzes der Fortbewegungsmittel stetig weiter ausbreiten und über eine gewisse Zeit aufsummieren können.
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DE 102016103514 A1 beschreibt eine Filtereinrichtung zum Filtern einer Versorgungsspannung eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Ultraschallsensorvorrichtung und ein Kraftfahrzeug als solche. Zwischen einer Spannungsquelle zur Versorgung eines Ultraschallsensors mit einer Versorgungsspannung und einem Ultraschallsensor wird eine Filtereinrichtung mit einem Widerstand und einem Kondensator ausgebildet.
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DE 102013212710 A1 betrifft ein Sensorprodukt sowie Verfahren zur Validierung eines Sensormodells, insbesondere im Zusammenhang mit einem Fahrassistenzsystem. Dabei werden im Zusammenhang mit dem vorgestellten Sensorprodukt auch Ultraschallsensoren betrachtet und insbesondere deren Verhalten im Zusammenhang mit Schwankungen in der Versorgungsspannung, also im Hinblick auf die konkreten Filtereigenschaften des zugrundeliegenden Ultraschallsensors.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Leitungsreflexionen im Bereich einer Spannungsversorgungsleitung eines Fortbewegungsmittels und einen Ultraschallsensor umfassend eine solche Schaltungsanordnung bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Leitungsreflexionen im Bereich einer Spannungsversorgungsleitung eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z. B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Eingangsspanungsanschluss, einen Ausgangsspannungsanschluss, einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator, wobei der Eingangsspannungsanschluss eingerichtet ist, mit einer Spannungsversorgung verbunden zu sein, ein erster Anschluss einer Serienschaltung aus dem ersten Widerstand und dem ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss des Eingangsspannungsanschlusses verbunden ist, ein zweiter Anschluss der Serienschaltung mit einem zweiten Anschluss des Eingangsspannungsanschlusses verbunden ist und wobei die Schaltungsanordnung eingerichtet ist, durch den Eingangsspannungsanschluss und/oder den Ausgangsspannungsanschluss zur Schaltungsanordnung übertragene Störsignale zumindest anteilig zu absorbieren und über den Ausgangsspannungsanschluss einen Verbraucher mit einer Spannung der Spannungsversorgung zu versorgen. Die Spannungsversorgung kann eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle des Fortbewegungsmittels sein. Insbesondere kann die Spannungsversorgung eine Spannungsversorgung eines Ultraschallsteuergerätes des Fortbewegungsmittels sein, welches eingerichtet ist, einen oder eine Mehrzahl elektrisch an das Ultraschallsteuergerät angebundener Ultraschallsensoren des Fortbewegungsmittels mit einer Spannung zu versorgen. Der Verbraucher kann eine Auswerteeinheit, insbesondere ein Mikrocontroller und bevorzugt ein ASIC sein. Darüber hinaus kann der Verbraucher auch ein FPGA, ein Prozessor, ein digitaler Signalprozessor oder ein davon abweichender Verbraucher des Fortbewegungsmittels sein.
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Eine Dimensionierung des ersten Kondensators und des ersten Widerstandes im Zusammenhang mit einer Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Ultraschallsensor, erfolgt bevorzugt derart, dass eine maximale Absorption eingekoppelter Störsignale oberhalb einer Frequenz von 20 kHz und bevorzugt oberhalb einer Frequenz von 40 kHz erzielt wird. Ein Wellenwiderstand einer als Spannungsversorgungsleitung verwendeten Zweidrahtleitung liegt gewöhnlich zwischen 150 Ohm und 300 Ohm, wodurch auch der erste Widerstand bevorzugt in Bereich dieser Widerstandswerte gewählt werden kann. Eine Kapazität des Kondensators wird bevorzugt groß genug gewählt, um Störfrequenzen im oben beschriebenen Arbeitsbereich des Ultraschallsensors ausreichend absorbieren zu können. Bei einer Grenzfrequenz eines durch die Schaltungsanordnung ausgebildeten Tiefpasses von beispielsweise 40 kHz, sollte eine Zeitkonstante des hier vorliegenden RC-Glieds bevorzugt auf einen mindestens dreifach größeren Wert festgelegt werden, als die reziproke Grenzfrequenz, also auf tau ≈ 0,075 ms. Die Kapazität C des ersten Kondensators berechnet sich entsprechend gemäß C = tau / R (wobei R dem Widerstandswert des ersten Widerstandes entspricht) und sollte demnach mindestens einem Wert von ca. 220 nF entsprechen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass vorstehend genannte Anwendung und Dimensionierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung explizit nicht auf die beispielhafte Beschreibung beschränkt ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann stattdessen auch im Zusammenhang mit anderen Steuergeräten und/oder Sensoren des Fortbewegungsmittels eingesetzt werden, womit auch jeweilige von Störeinkopplungen freizuhaltende Nutzfrequenzbereiche der jeweiligen Sensoren und/oder Steuergeräte eine entsprechende Anpassung der Dimensionierung des RC-Gliedes erfordern.
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Grundsätzlich wird mittels oben beschriebener Schaltungsanordnung das Ziel verfolgt, unerwünschte elektromagnetische Einkopplungen (EMV-Störungen) in die Spannungsversorgungsleitung möglichst außerhalb eines Schaltkreises eines Steuergerätes und/oder Sensors so weit wie möglich zu dämpfen, so dass sich diese Einkopplungen nicht oder nur geringfügig auf Messungen und oder auf zu verarbeitende Messsignale in den Steuergeräten und/oder Sensoren auswirken können. Außerdem soll auf Basis der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erreicht werden, dass eingekoppelte Störungen möglichst schnell abklingen, so dass diese Störungen in Summe klein bleiben. Zusätzlich sollen auf Basis der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung elektromagnetische Einkopplungen, welche durch eine ungleichmäßige Leistungsaufnahme verursacht werden können (z. B. durch einen erhöhten Strombedarf in einer Sendephase eines Ultraschallsensors), weitestgehend bereits innerhalb eines jeweiligen Sensors und/oder Steuergerätes absorbiert werden, so dass sich diese Einkopplungen nicht über die Spannungsversorgungsleitungen zu anderen Sensoren und/oder anderen Komponenten des Fortbewegungsmittels ausbreiten können.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Schaltungsanordnung zusätzlich einen zweiten Kondensator zum Glätten von Spannungsschwankungen am Eingangsspannungsanschluss, wobei ein erster Anschluss des zweiten Kondensators mit dem ersten Anschluss des Eingangsspannungsanschlusses verbunden ist und ein zweiter Anschluss des zweiten Kondensators mit dem zweiten Anschluss des Eingangsspannungsanschlusses verbunden ist. Eine Dimensionierung des zweiten Kondensators erfolgt bevorzugt derart, dass eine für einen uneingeschränkten Betrieb des Verbrauchers erforderliche Einhaltung maximal erlaubter Spannungsschwankungen am Ausgangsspannungsanschluss sichergestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Schaltungsanordnung in einem Gehäuse einer elektrischen Steckverbindung eines Steuergerätes und/oder Sensors und/oder an einem Versorgungsspannungsanschluss des Verbrauchers und/oder an einem Knotenpunkt einer Mehrzahl von Spannungsversorgungsleitungen des Fortbewegungsmittels angeordnet. Ein solcher Knotenpunkt einer Mehrzahl von Spannungsversorgungsleitung kann beispielsweise eine Y-Verteilung oder eine Sternverteilung für jeweilige Spannungsversorgungsleitungen sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eingerichtet, in einem Ultraschallsensor und/oder in einem Ultraschallsteuergerät des Fortbewegungsmittels verwendet zu werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt ein Betrag der durch die Spannungsversorgung am Eingangsspannungsanschluss bereitgestellten Spannung in einem Bereich von 1,8 V bis 60 V, insbesondere in einem Bereich von 3,3 V bis 48 V und bevorzugt in einem Bereich von 5 V bis 12 V.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Schaltungsanordnung darüber hinaus einen zweiten Widerstand, wobei ein Widerstandswert des ersten Widerstandes einem Widerstandswert des zweiten Widerstandes entspricht und wobei der zweite Widerstand die Serienschaltung aus dem ersten Widerstand und dem ersten Kondensator derart erweitert, dass ein erster Anschluss des ersten Widerstandes mit dem ersten Anschluss des ersten Eingangsspannungsanschluss verbunden ist, ein zweiter Anschluss des ersten Widerstandes mit einem ersten Anschluss des ersten Kondensators verbunden ist, ein zweiter Anschluss des ersten Kondensators mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstandes verbunden ist und ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstandes mit dem zweiten Anschluss des zweiten Eingangsspannungsanschlusses verbunden ist. Ferner ist die Schaltungsanordnung auf Basis dieser erweiterten Serienschaltung eingerichtet, symmetrisch eingekoppelte, hochfrequente Störungen symmetrisch zu übertragen. Mit anderen Worten wird durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erreicht, dass symmetrisch eingekoppelte Störungen nicht wie bei einer ausschließlichen Verwendung des ersten Widerstandes und des ersten Kondensators, in differentielle Störungen umgewandelt werden können, welche sich als Störsignale auf den Verbraucher auswirken können. Dies kann sich insbesondere bei symmetrisch eingekoppelten Störfrequenzen oberhalb von 1 MHz vorteilhaft auswirken.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallsensor vorgeschlagen, welcher eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach vorstehender Beschreibung umfasst. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Übersicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
- 2 eine schematische Übersicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
- 3 eine schematische Übersicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Verbindung mit einem Ultraschallsensor und einer Spannungsversorgung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Figur zeigt eine schematische Übersicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung, welche in einem Ultraschallsteuergerät eines Fortbewegungsmittel eingesetzt wird, umfasst einen Eingangsspannungsanschluss 20, einen Ausgangsspannungsanschluss 30, einen Verbraucher 10, welcher hier ein ASIC eines Ultraschallsensors 80 ist, einen ersten Widerstand 40 mit einem Widerstandswert von 200 Ohm und einen ersten Kondensator 50 mit einer Kapazität von 220 nF. Eine am Eingangsspannungsanschluss 20 anliegende Eingangsspannung UE ist hier eine 12 V Spannung, welche von einer 12 V Niederspannungsbatterie des Fortbewegungsmittels über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels bereitgestellt wird. Die Schaltungsanordnung ist auf Basis der vorliegenden Konfiguration eingerichtet, der Eingangsspannung UE überlagerte Störsignalanteile insbesondere in einem Nutzfrequenzbereich des Ultraschallsensors oberhalb von 20 kHz zu absorbieren, so dass eine Ausgangsspannung UA am Ausgangsspannungsanschluss im Wesentlichen keine Störsignalanteile im Nutzfrequenzbereich des Ultraschallsensors aufweist.
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2 ist eine schematische Übersicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung, welche ebenfalls in einem Ultraschallsteuergerät eines Fortbewegungsmittel eingesetzt wird, entspricht im Wesentlichen der Schaltungsanordnung der ersten Ausführungsform, weshalb hier zur Vermeidung von Wiederholungen nur die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsformen beschrieben werden. Die zweite Ausführungsform umfasst zusätzlich einen zweiten Kondensator 55, welcher für eine Glättung der am Eingangsspannungsanschluss 20 anliegenden Eingangsspannung UE verwendet wird. Außerdem verfügt die zweite Ausführungsform über einen zweiten Widerstand 45, welcher in Serie zum ersten Widerstand 40 und zum ersten Kondensator 50 geschaltet ist. Der Widerstandswert des ersten Widerstandes 40 entspricht hier 100 Ohm, also dem halben Wert des ersten Widerstandes in der ersten Ausführungsform. Der Widerstandswert des zweiten Widerstandes 45 entspricht hier ebenfalls 100 Ohm. Auf Basis der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist die Schaltungsanordnung der zweiten Ausführungsform eingerichtet (neben der erwähnten Glättung der Eingangsspannung UE) symmetrisch eingekoppelte, hochfrequente Störsignale symmetrisch zu übertragen, so dass sich diese am Ausgangsspannungsanschluss UA nicht negativ auf die Spannungsversorgung der Auswerteeinheit 10 auswirken.
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3 ist eine schematische Übersicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Verbindung mit einem Ultraschallsensor 80 und einer Spannungsversorgung 60. Die Schaltungsanordnung der dritten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den Schaltungsanordnungen der ersten und zweiten Ausführungsformen, weshalb hier zur Vermeidung von Wiederholungen nur die Unterschiede zwischen diesen Ausführungsformen beschrieben werden. In der dritten Ausführungsform ist zusätzlich ein Gehäuse eines Ultraschallsensors 80 eines Fortbewegungsmittels angedeutet, welches die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und weitere nicht dargestellte Komponenten des Ultraschallsensors 80 umfasst. Ferner ist in der dritten Ausführungsform eine Gleichspannungsversorgung 60 gezeigt, welche mittels einer Spannungsversorgungsleitung 70 elektrisch mit dem Eingangsspannungsanschluss 20 des Ultraschallsensors 80 verbunden ist. Auf diese Weise ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, in die Spannungsversorgungsleitung 70 eingekoppelte elektromagnetische Störungen mittels des ersten Widerstandes 40 und des ersten Kondensators 50 in einem Nutzfrequenzbereich des Ultraschallsensors 80 zu absorbieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016103514 A1 [0004]
- DE 102013212710 A1 [0005]
