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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Datennetzwerk, in welchem Daten mit
Spannungswerten innerhalb eines Nutzspannungsbereiches zwischen in dem Fahrzeug
befindlichen Teilnehmern übertragbar sind und in welchem wenigstens eine in dem
Datennetzwerk vorgesehene Leitung, die nicht mit einem Widerstand entsprechend ihres
Wellenwiderstandes abgeschlossen ist. Sie betrifft ferner einen Teilnehmer für ein
Datennetzwerk, wobei die zu dem Teilnehmer führende Leitung nicht mit einem Widerstand
entsprechend des Wellenwiderstandes der Leitung abgeschlossen ist.
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In einem Fahrzeug-Datennetzwerk, in dem im Allgemeinen mehrere in dem Fahrzeug
vorgesehene Teilnehmer mittels Leitungen miteinander verkoppelt sind, und in
welchem Daten auf diesen Leitungen innerhalb eines Nutzspannungsbereiches übertragbar
sind, sollte jeder der Netzwerkknoten, insbesondere aber jede zu einem Teilnehmer
führende Leitung an ihrem Ende mit dem Wellenwiderstand eben dieser Leitung
abgeschlossen sein, um Reflektionen an dem Ende der Leitung zu unterdrücken.
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Nur dann, wenn die Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, können
solche Reflektionen minimiert werden. Derartige Reflektionen sind zu vermeiden, da
Die durch die Reflektionen verursachten Spannungswerte mit denen der Datenbits, die
auf dem Netzwerk übertragen werden, überlagern und somit den Datenverkehr in dem
Datennetzwerk stören können. Ein Teilnehmer, der in dem Datennetzwerk Daten
sendet, muss auch einen genügend hohen Strom zur Verfügung stellen, damit bei jedem
Netzwerkteilnehmer sich die Spannung jedes Datenbits in gewünschter Höhe aufbaut.
Schließt jeder Datenteilnehmer die zu ihm führende Leitung mit einem Widerstand
entsprechend dem Wellenwiderstand der Leitung ab, so tritt eine relativ hohe
Strombelastung für den sendenden Teilnehmer auf. Dies ist insbesondere in Fahrzeugen
wegen der begrenzten zur Verfügung stehenden Bordenergie zu vermeiden. Daher
werden die Leitungen mitunter mit einem Widerstand, der deutlich höher als der
Wellenwiderstand der Leitung ist, abgeschlossen. Damit wird die Strombelastung des
sendenden Teilnehmers im Datennetzwerk vermindert. Es treten nun jedoch
Reflektionen an dem nicht korrekt abgeschlossenen Ende der Leitung auf, die über die Leitung
zurück in das Datennetz laufen und die Datenübertragung stören können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Datennetzwerk bzw. einen Teilnehmer für ein solches
in einem Fahrzeug befindliches Datennetzwerk anzugeben, bei dem die Strombelastung
eines sendenden Teilnehmers möglichst gering gehalten wird, bei dem jedoch
gleichwohl Reflektionen an nicht abgeschlossenen Enden der Leitungen des Datennetzwerkes
minimiert werden.
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Diese Aufgabe ist für ein Datennetzwerk durch die Merkmale des Patentanspruches 1
gelöst:
Fahrzeug-Datennetzwerk, in welchem Daten mit Spannungswerten innerhalb eines
Nutzspannungsbereiches zwischen in dem Fahrzeug befindlichen Teilnehmern
übertragbar sind und in welchem wenigstens eine in dem Datennetzwerk vorgesehene Leitung,
die nicht mit einem Widerstand entsprechend ihres Wellenwiderstandes abgeschlossen
ist, mittels wenigstens eines spannungsbegrenzenden, nichtlinearen Bauelementes
abgeschlossen ist, welches an dem nicht mit dem Wellenwiderstand abgeschlossenen
Ende der Leitung zwischen die Leiter der Leitung geschaltet ist, welches im
Nutzspannungsbereich des Datennetzwerkes einen so hohen Widerstand aufweist, dass die
Datenübertragung auf der Leitung nicht gestört wird, und welches bei Spannungen
oberhalb und/oder unterhalb des Nutzspannungsbereichs einen so kleinen
Widerstandswert aufweist, dass die Spannung an dem nichtlinearen Bauelement begrenzt wird und
dass Reflektionen auf der Leitung unterdrückt werden.
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Normalerweise werden in dem Fahrzeug-Datennetzwerk Daten mit Spannungswerten
übertragen, die innerhalb eines Nutzspannungsbereiches liegen, d. h., es dürfen bei
Übertragung der Daten nur Spannungen innerhalb dieses Nutzspannungsbereiches
auftreten.
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Ist eine zu einem Teilnehmer führende Leitung nicht mit einem Widerstand
entsprechend ihres Wellenwiderstandes abgeschlossen, so treten bei Datenübertragungen an
diesem Ende der Leitung Reflektionen auf, die in das Datennetzwerk zurücklaufen und
die in diesem stattfindende Datenübertragung stören können.
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Daher ist am Ende dieser Leitung erfindungsgemäß ein nichtlineares,
spannungsbegrenzendes Bauelement vorgesehen, welches zwischen die Leiter der Leitungen geschaltet
ist. Dieses nichtlineare Bauelement ist so ausgelegt, dass es in dem
Nutzspannungsbereich einen sehr hohen Widerstand aufweist. Dies hat zur Folge, dass die
Datenübertragung auf der Leitung nicht gestört wird und sich in diesem Spannungsbereich das
spannungsbegrenzende, nichtlineare Bauelement so gut wie nicht bemerkbar macht.
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Da die Leitung nicht mit einem Widerstand entsprechend ihres Wellenwiderstandes
abgeschlossen ist, treten wie eingangs erläutert, am Ende der Leitung bei einer
Datenübertragung Reflektionen auf, die über die Leitung zurück in das Datennetzwerk laufen.
Bei derartigen Reflektionen treten Spannungswerte auf, die außerhalb des
Nutzspannungsbereiches liegen, also Spannungswerte die höher sind als die üblich für die
Datenübertragung eingesetzten maximalen Spannungswerte, oder die niedriger sind als die für
die Datenübertragung eingesetzten minimalen Spannungswerte. Da das nichtlineare
Bauelement die in seinem Bereich auftretenden Spannungen jedoch auf den
Nutzspannungsbereich begrenzt, werden diese Reflektionen stark bedämpft. Diese Bedämpfung
geschieht physikalisch dadurch, dass das spannungsbegrenzende, nichtlineare
Bauelement bei Spannungswerten außerhalb des Nutzspannungsbereiches einen kleinen
Widerstand aufweist, der deutlich unterhalb des Wellenwiderstandes liegt und der die
Teilspannungen, die außerhalb des Nutzspannungsbereiches liegen, quasi kurzschließt.
Damit wird de facto die Spannung an dem nichtlinearen Bauelement auf den
Nutzspannungsbereich begrenzt und an dem Leitungsende auftretende Reflektionen werden
unterdrückt.
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Im Ergebnis wird in diesem Datennetzwerk einerseits eine geringe Belastung der
Datenteilnehmer erzielt, da die Enden der Leitungen nicht mit ihrem Wellenwiderstand
abgeschlossen sein müssen, sondern beispielsweise mit einem deutlich höheren
Wellenwiderstand abgeschlossen sein können, der zu einer verringerten Strombelastung eines
sendenden Teilnehmers in dem Datennetzwerk führt, was insbesondere in Fahrzeugen
wegen der begrenzten zur Verfügung stehenden Energie von Bedeutung ist.
Andererseits werden die durch diese Konstellation an sich auftretenden Reflektionen durch das
nichtlineare, spannungsbegrenzende Bauelement wirksam unterdrückt. Durch dieses
Bauelement tritt auch in dem Nutzspannungsbereich keine erhöhte Strombelastung
eines in dem Datennetzwerk sendenden Teilnehmers auf.
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Wie gemäß Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen ist, kann es sich bei dem
spannungsbegrenzenden, nichtlinearen Bauelement vorteilhaft um eine Z-Diode oder
auch um eine Reihenschaltung einer geeigneten Anzahl von Halbleiterdioden handeln.
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Eine Z-Diode weist per se das gewünschte Verhalten auf, da sie eine nichtlineare
Kennlinie aufweist, deren Durchbruchspannung und Durchlassspannung so gewählt sein
können, dass diese gerade die Grenzen des Nutzspannungsbereiches darstellen.
Halbleiterdioden können als Reihenschaltung in einer solchen Anzahl vorgesehen sein, dass
diese gerade zu den Maximalwerten des Nutzspannungsbereiches hinleitend werden.
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Es können gegebenenfalls, wie nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung
vorgesehen ist, antiparallel verschaltete Z-Dioden und/oder antiparallel verschaltete
Diodenketten vorgesehen sein. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der
Nutzspannungsbereich von negativen Spannungswerten bis zu positiven Spannungswerten führt.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Teilnehmer für ein Fahrzeug-Datennetzwerk, wobei
der Teilnehmer die zu ihm führende Leitung in dem Datennetzwerk nicht mit einem
Widerstand entsprechend ihres Wellenwiderstandes abschließt, und wobei der
Teilnehmer ein nichtlineares Bauelement, welches spannungsbegrenzend wirkt, zum
ergänzenden Abschluss der Leitung einsetzt. Dieses Bauelement wirkt in oben beschriebener
Weise.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
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Figur (1) ein Fahrzeug-Datennetzwerk mit mehreren in einem Fahrzeug vorgesehenen
Teilnehmern, wobei nur eine zu einem der Teilnehmer führende Leitung mit ihrem
Wellenwiderstand abgeschlossen ist,
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Figur (2) ein Beispiel für zwei nichtlineare Bauelemente, die als eine Halbleiterdiode
und eine antiparallel verschaltete Halbleiterdiodenkette ausgebildet sind,
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Figur (3) zwei nichtlineare Bauelemente für die Schaltung gemäß Fig. 1, die als 2
antiparallel verschaltete Z-Dioden ausgebildet sind und
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Figur (4) zwei nichtlineare Bauelemente für die Schaltung gemäß Fig. 1, die als 2
antiparallel verschaltete Diodenketten ausgebildet sind.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein in einem nicht näher dargestellten
Fahrzeug vorgesehenes Datennetzwerk 1, in dem 4 in dem Fahrzeug vorgesehene
Teilnehmer 7, 8, 9 und 10 miteinander vernetzt sind. Dazu sind 4 Leitungen 2, 3, 4 und
5 vorgesehen, von denen angenommen werden soll, dass sie einen Wellenwiderstand
von 120 Ω aufweisen. Die Leitungen 2, 3, 4 und 5 können dabei verschiedenen Längen
aufweisen. In dem Beispiel gemäß Fig. 1 sind die Teilnehmer 7, 8, 9, und 10 mittels
eines als CAN-Bus ausgebildeten Datennetzwerkes miteinander verbunden, welches
zwei Leitungen CANH und CANL aufweist.
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Die Leitungen 2, 3, 4, und 5 sind in einem Netzwerkknoten 6 zusammengeführt, in dem
die Leiter der Leitungen mit einem Widerstand von 120 Ω entsprechend dem
Wellenwiderstand der Leitungen 2, 3, 4 und 5 abgeschlossen sind. Dieser Widerstand 6
ist dazu vorgesehen, an den Enden der Leitungen zu dem Netzwerkknoten hin
Reflektionen zu unterdrücken. Dies ist gerade dann der Fall, wenn die Leitungen 2, 3, 4,
und 5 mit einem Widerstand entsprechend ihres Wellenwiderstandes abgeschlossen
sind, in dem Beispielsfall, also mit einem Widerstand von 120 Ω.
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In entsprechender Weise sollten auch die anderen Enden der Leitungen 2, 3,4, und 5 mit
einem Widerstand entsprechend ihres Wellenwiderstandes abgeschlossen sein, also mit
einem Widerstand der Größe 120 Ω. In dem Beispiel gemäß der Fig. 1 ist dies jedoch
nur bei dem Teilnehmer 7 der Fall. Es ist hier ein Widerstand 11 von der Größe 120 Ω
zwischen die beiden Leitungen CANH und CANL geschaltet. Damit wird die Leitung 2
mit einem Widerstand von 120 Ω entsprechend ihres Wellenwiderstandes
abgeschlossen, so dass auch an diesem Ende der Leitung 2 keine Reflektionen bei einer
Datenübertragung auftreten.
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Die Figur (1) zeigt, dass 2 weitere Teilnehmer, nämlich die Teilnehmer 8 und 9, die zu
ihnen führenden Leitungen 3 bzw. 4 mit Widerständen 12 bzw. 13 abschließen, die
jeweils einen Widerstandswert von 20 kΩ aufweisen. Damit sind die Enden der
Leitungen 3 und 4 zu den Teilnehmern 8 und 9 hin nicht entsprechend ihres
Wellenwiderstandes abgeschlossen, sondern mit einem deutlich höheren Widerstand. Dies führt dazu,
dass bei Datenbits, die in dem Datennetzwerk übertragen werden, an diesen Enden der
Leitungen 3 und 4 Reflektionen auftreten, die in das Datennetzwerk zurücklaufen und
somit die Datenübertragung stören.
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Der 4 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dargestellte Teilnehmer 10 des
Datennetzwerks 1 schließt die zu ihm führende Leitung 5 ebenfalls mit einem
Widerstand 14 mit einer Größe von 20 kΩ ab, so dass auch an diesem Ende der Leitung 5
entsprechende Reflektionen auftreten.
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Außerdem tritt infolge des Abschlusses einer Leitung mit ihrem Wellenwiderstand eine
relative hohe Strom-Belastung eines sendenden Teilnehmers auf, die insbesondere in
Fahrzeugen wegen der begrenzten Bord-Energie zu vermeiden ist.
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Erfindungsgemäß wird jedoch das zu dem Teilnehmer 10 führende Ende der Leitung 5
außerdem mit einem nichtlinearen, spannungsbegrenzenden Bauelement 15
abgeschlossen, welches zwischen die Leiter der Leitung 5 geschaltet ist. Bei dem Datennetzwerk
entsprechend der Fig. 1 handelt es sich um ein CAN-Bus, der
High-Speed-Spezifikation, bei dem bei der Übertragung von Daten auf den Bus Spannungen zwischen 0 Volt
und etwa 3-4 Volt auftreten. Der Nutzspannungsbereich dieses Datennetzwerkes liegt
also in dem Bereich von 0 Volt bis etwa knapp 4 Volt. Bei einer Datenübertragung
dürfen also ausschließlich Spannungen in diesem Spannungsbereich auftreten.
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Sobald jedoch an Enden von Leitungen Reflektionen auftreten, treten Spannungen
außerhalb dieses Spannungsbereiches auf, also Spannungen oberhalb von knapp 4 Volt
und unterhalb von 0 Volt. Dieses bedingt durch die in Folge der Reflektionen auf den
Leitungen hin und her laufenden Wellen, die sich überlagern und den Datenverkehr
stören können.
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Das nichtlineare, spannungsbegrenzende Bauelement 15 ist daher so ausgelegt, dass es
die Spannungen außerhalb des Nutzspannungsbereiches, die infolge von Reflektionen
auftreten, bedämpft. Dies bedeutet, dass das spannungsbegrenzende, nichtlineare
Bauelement bei Spannungen außerhalb des Nutzspannungsbereiches einen relativ kleinen
Widerstand aufweist, der verhindert, daß die Spannung auf der Leitung 5 gemäß Fig. 1
weiter ansteigt bzw. abfällt. Damit wir as oben erläuterte Überschwingen unterdrückt.
Somit werden im Endeffekt die Auswirkungen der Reflektionen ebenfalls wirksam
unterdrückt.
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Damit die Datenübertragung in dem Datennetzwerk in dem normalen
Nutzspannungsbereich nicht gestört wird, weist das spannungsbegrenzende, nichtlineare Bauelement in
diesem Spannungsbereich einen sehr hohen Widerstand deutlich oberhalb des
Wellenwiderstandes der Leitungen auf, so dass die Strombelastung durch das
spannungsbegrenzende, nichtlineare Bauelement 15 möglichst gering gehalten wird.
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Im Ergebnis gilt für den Abschluss der Leitung 5 zu dem Datennetzwerkteilnehmer 10,
dass diese in dem Nutzspannungsbereich mit einem relativ hohen Widerstand von 20 KΩ
abgeschlossen ist, so dass die Strombelastung anderer auf dem Datennetzwerk
sendender Teilnehmer gering gehalten wird. Um die infolge des nicht korrekten
Abschlusses der Leitung 5 zu dem Datennetzwerkteilnehmer 10 hin auftretende
Reflektionen dennoch zu unterdrücken, ist das spannungsbegrenzende, nichtlineare Bauelement
15 vorgesehen, welches quasi bei Spannungswerten außerhalb des
Nutzspannungsbereiches als wirksame Unterdrückung derartiger Reflektionen vornimmt.
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Somit gelingt der erfindungsgemäßen Anordnung die Kombination einer möglichen
geringen Strombelastung der Teilnehmer in dem Fahrzeug-Datennetzwerk gekoppelt
mit einer wirksamen Unterdrückung von Reflektionen an den Enden nicht korrekt
abgeschlossener Leitungen.
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In der Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Abschluss einer nicht korrekt abgeschlossenen
Leitung nur anhand des Beispiels der Leitung 5 dargestellt. Da auch die Leitungen 3 und
4 nicht korrekt abgeschlossen sind, wäre es optimal, auch an diesen Enden der
Leitungen zu den Teilnehmern 8 und 9 hin entsprechende, nichtlineare Bauelemente
vorzusehen, wie dies in Form des nichtlinearen Bauelementes 15 am Ende der Leitung 5
vorgesehen ist.
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Selbstverständlich kann ein derartiger Abschluss der Leitungen mittels eines
spannungsbegrenzenden, nichtlinearen Bauelementes für sämtliche Leitungen, die zu Teilnehmern
führen, vorgesehen sein. Grundsätzlich wäre dies auch für den Netzwerkknoten und den
Widerstand 6 vorstellbar.
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Wie oben bereits erläutert, wurde für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 davon
ausgegangen, dass es sich um einen sogenannten High-Speed-CAN-Bus handelt, für den
der Nutzspannungsbereich im Bereich von 0 Volt bis etwa knapp 4 Volt beträgt. Für
diesen Spannungsbereich könnte das nichtlineare, spannungsbegrenzende Bauelement
15 vorteilhaft als Z-Diode ausgebildet sein, welche katodenseitig mit dem Anschluss
CANH und anodenseitig mit dem Anschluss CANL gekoppelt ist. Eine derartige Z-
Diode könnte beispielsweise eine Durchbruchspannung in geeigneter Größe aufweisen,
andererseits würde die Durchschlagsspannung beispielsweise 0,6 Volt betragen. Somit
würde der Spannungsbereich im Bereich einer solchen Z-Diode auf diese
Spannungswerte begrenzt werden, die etwa dem Nutzspannungsbereich des High-Speed-CAN-
Busses entsprechen. Auf diese Weise kann das nichtlineare, spannungsbegrenzende
Bauelement 15 auf sehr einfache Weise realisiert werden.
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Die Fig. 2-4 zeigen weitere mögliche Realisierungen für spannungsbegrenzende,
nichtlineare Bauelemente entsprechend dem Bauelement 15 in Fig. 1. Das Beispiel
gemäss Fig. 2 zeigt einerseits eine Diodenkette mit Dioden 21, 22 und 24 sowie eine
antiparallel geschaltete Diode 25. Hierbei ist die Zahl der Dioden 21-24 davon
abhängig, welchen Spannungswert der Nutzspannungsbereich nach oben hin aufweist.
Für das für die Fig. 1 angenommene Beispiel des High-Speed-CAN-Busses wären
vorteilhaft 4 Dioden vorzusehen, welche etwa bei 0,7-0,8 Volt leitend werden, so dass
insgesamt bei einer auftretenden Spannung oberhalb des maximalen Wertes des
Nutzspannungsbereiches die Dioden leitend werden und somit spannungsbegrenzend wirken.
Zu dem anderen Ende des Nutzspannungsbereiches hin würde die Diode 25 bei einer
Spannung unterhalb von etwa 0,7-0,8 Volt leitend werden. Somit würde auch bei
diesen antiparallelverschalteten Dioden bzw. Diodenketten eine nichtlineare
Spannungsbegrenzung an den Enden des Nutzspannungsbereiches eintreten.
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Es sind auch Fahrzeug-Bussysteme bekannt, bei denen der Nutzspannungsbereich von
dem positiven Spannungsbereich hin bis zu negativen Spannungen verläuft. Dies ist
beispielsweise bei dem Low-Speed-CAN-Bus der Fall. In einer solchen Konstellation
kann das spannungsbegrenzende, nichtlineare Bauelement 15 entsprechend der Figur (1)
vorteilhaft durch 2 antiparallel verschaltete Z-Dioden 31 und 32, wie sie in Fig. 3
dargestellt sind, realisiert werden. Auf diese Weise kann die Spannungsbegrenzung zu
positiven und negativen Spannungswerten hin erfolgen, die gegebenenfalls jeweils
mehrere Volt betragen können.
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Wie in Fig. 4 angedeutet ist, können auch für derartige Fahrzeug-Datennetzwerke, in
denen der Nutzspannungsbereich von plus mehreren Volt bis minus mehreren Volt
beträgt, antiparallel verschaltete Diodenketten 41 bis 44 bzw. 45 bis 48 entsprechend
der Figur vorgesehen sein. Hierbei wird die Zahl der in einer Diodenkette vorgesehenen
Halbleiterdioden jeweils so zu wählen sein, dass die Diodenkette ab dem gewünschten
Spannungswert leitend wird und somit spannungsbegrenzend wirkt.
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Es sind weitere Realisierungen für spannungsbegrenzende, nichtlineare Bauelemente 15
vorstellbar; entscheidend ist jeweils nur, dass eine Spannungsbegrenzung etwa auf den
Nutzspannungsbereich des Datennetzwerkes erfolgt.