DE19636816A1 - Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Fahrzeug-Kabelnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Fahrzeug-Kabelnetzen.

Die Kabelnetze in Fahrzeugen verbinden eine Vielzahl un­ terschiedlicher Endstellen (Lampen Instrumente Schalter, Motoren, Sensoren, Steuergeräte etc.) untereinander und mit zentralen Einrichtungen. Die in Kabelbäumen zusammen­ gefaßten Verbindungsleitungen erfüllen dabei je nach Ver­ bindungsart unterschiedliche Funktionen, insbesondere die der Gleichstromversorgung, der Steuerung und des Datenaus­ tausches.

Neben dem hierfür dienenden Versorgungsgleichströmen und Nutzsignalen treten in solchen Kabelnetzen aber auch noch hochfrequente Störsignale auf, die im Fahrzeug verursacht oder von außen eingekoppelt werden. Im Frequenzbereich solcher hochfrequenter Störsignale zeigen die Kabelnetze eine Vielzahl von Resonanzfrequenzen( Fig. 4). Bei solchen Resonanzfrequenzen können die Störsignale hohe Spannungs- und Stromwerte erreichen, die zu erheblichen Störungen oder Schäden in empfindlichen Elektronikbaugruppen führen können. Resonanzfrequenzen begünstigen ebenfalls die Ab­ strahlung von im Fahrzeug entstandenen Störsignaloberwel­ len.

In der DE 195 15 668 C1 ist eine Anordnung zur Verminde­ rung solcher Störsignale beschrieben, welche die Ausbil­ dung mindestens eines Absorptions-Stromkreises vorsieht. Ein solcher Absorptionsstromkreis umfaßt einen Leitungsab­ schnitt in einem Kabelbündel und einen außerhalb des Ka­ belbündels verlaufenden Rückschluß und enthält Dämpfungs­ mittel, die für den Frequenzbereich der hochfrequenten Störungen einen Wirkwiderstand bilden.

Aus der CH-PS 127 109 ist eine Einrichtung zum Schutz von Schwachstromanlagen gegen Beeinflussung durch Starkstrom­ leitungen bekannt, bei welcher ein Kabelbündel mit mehre­ ren Schwachstromleitungen auf einem Abschnitt zusätzlich einen Schutzleiter als Teil eines außerhalb des Kabelbün­ dels geschlossenen Entstörstromkreises aufweist. Der Ent­ störstromkreis enthält Induktivitäten zur Einstellung be­ stimmter Phasenbeziehungen. Dieser auf dem sogenannten Re­ duktionseffekt basierende Entstör-Stromkreis vermindert den Einfluß von in der Nähe verlaufenden Starkstromleitun­ gen. Für den Einsatz zur Entstörung von Kraftfahrzeug-Lei­ tungen ist eine solche Einrichtung nur insoweit geeignet, als die Wellenlänge von einwirkenden Störfeldern groß ge­ gen die Abmessungen des Fahrzeug-Leitungsnetzes ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, vorteilhafte Anordnungen zur Verringerung von hochfrequenten Störungen im Fahrzeug-Kabelnetzen anzugeben. Eine damit verbundene weitere Aufgabe ist die Angabe von Verfahren zur Bestim­ mung der Impedanzsituation in Fahrzeug-Kabelnetzen.

Erfindungsgemäße, einzeln oder in Kombination einzuset­ zende Anordnungen zur Verringerung hochfrequenter Störun­ gen sind im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprü­ che enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung. Verfahren zur Bestimmung der Impe­ danzsituation in Kabelnetzen sind in den Ansprüchen 10 bis 12 beschrieben.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß Fahrzeug-Kabelnetze auf die Funktion der angeschlossenen Endstel­ leneinrichtungen (Lampen, Notoren, Sensoren, Steuergeräte etc.) ausgelegt sind und Gesichtspunkte wie die elektroma­ gnetische Verträglichkeit gegenüber hochfrequenten Störsi­ gnalen kaum berücksichtigt sind. Die Endstellen sind ge­ genüber den Zuleitungen, die innerhalb des Kabelnetzes auch uneinheitliche Wellenwiderstände aufweisen, im Regel­ fall stark fehlangepaßt und stellen für die auf dem Kabel­ netz vorhandenen hochfrequenten Signalanteile überwiegend Blindwiderstände dar, an denen ankommende Wellen in das Kabelnetz reflektiert werden.

Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen ist bei geringem Aufwand eine deutliche Reduzierung der hochfrequenten Stö­ rungen erreichbar.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht. Dabei zeigt.

Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einem Kabelnetz

Fig. 2 einen Frequenzverlauf der Kabelkopplung innerhalb eines Kabelbündels

Fig. 3 Impedanz- und Phasenverlauf im Hochfrequenzbereich für eine reale Endstelleneinrichtung

Fig. 4 Spannungs- und Stromwerte an verschiedenen Posi­ tionen eines Kabelnetzes im Hochfrequenzbereich (Resonanzen)

Fig. 5 eine vorteilhafte Anordnung zur Verringerung von hochfrequenten Störungen

Fig. 6 das Ersatzschaltbild einer Ferritdrossel

Fig. 7 den Impedanzverlauf einer Ferritdrossel

Fig. 8 einen durch eine Beschaltung nach Fig. 5 aus einem Impedanzverlauf nach Fig. 3 gewonnenen angepaßten Impedanzverlauf

Fig. 9 mittels einer Beschaltung nach Fig. 5 reduzierte Spannungs- und Stromwerte

Fig. 10 Anordnungen mit einer stromkompensierten Ferrit­ drossel

Fig. 11 eine Anordnung mit einer leitenden Umhüllung einer Hin- und Rückleitung und einer Ferritdrossel

Fig. 12 eine Anordnung nach Fig. 11 an zentraler Stelle eines Kabelnetzes

Fig. 13 eine Anordnung mit einem Ferritbauteil in einer Masseleitung

Fig. 14 Beschaltungen einer Endstelleneinrichtung ohne und mit Maßnahmen zur Störungsminderung

Fig. 15 den Leitwertverlauf für die verschiedenen Beschaltungen nach Fig. 14

Fig. 16 eine Anordnung an einem Steuergerät mit Versor­ gungsleitungen und Signalleitungen

Fig. 17 eine weitere Anordnung an einem Steuergerät

Fig. 18 eine Anordnung mit einem Absorptionskreis

Fig. 19 eine Leitungsverzweigung mit Absorptionskreisen.

Der in Fig. 1 skizzierte Ausschnitt aus einem Kabelnetz eines Fahrzeugs zeigt ein baumartig verzweigtes Kabelnetz (Kabelbaum) bei welchem sich ein zentraler Abschnitt des Kabelnetzes als Kabelbündel B1 mit einer Vielzahl von Lei­ tungen verzweigt in Kabelbündel B2, B3 die wiederum über weitere Verzweigungen und über Einzelleitungen zu Endstel­ leneinrichtungen V1 oder V4 mit Stromrückführung über den metallischem Fahrzeugaufbau M, im folgenden auch Fahrzeug­ masse genannt, oder über Hin- und Rückleitungen zu weite­ ren Endstelleneinrichtungen V2, V3 führen. Die realen Ka­ belnetze in Fahrzeugen sind ungleich komplexer, der Über­ sichtlichkeit halber ist in Fig. 1 eine vereinfachte Dar­ stellung gewählt.

Die Endstelleneinrichtungen sind beispielsweise Lampen, Motoren, Sensoren, Aktuatoren, Ventile, Instrumente, Schalter, elektronische Steuergeräte etc. Neben den Nutz­ signalen von und zu den Endstelleneinrichtungen treten auf den Leitungen immer auch Störsignale auf, die teilweise in den elektrischen Einrichtungen des Fahrzeugs selbst ent­ stehen aber auch durch äußere Felder eingekoppelt sein können. Im Gegenzug zur Einkopplung von außen erzeugen auf den Leitungen vorhandene intern erzeugte Störsignale immer auch elektromagnetische Felder, welche auf die Umgebung einwirken und beispielsweise den Rundfunkempfang erheblich beeinträchtigen können. Das Kabelnetz kann in diesem Sinne als eine Sende- und Empfangsantenne betrachtet werden. Der Grad der Kopplung zwischen Leitungen und Feldern in der Umgebung ist frequenzabhängig, wobei nach dem Reziprozi­ tätsprinzip Frequenzbereiche für besondere Abstrahlung gleichzeitig auch Bereiche besonderer Einstrahlungslei­ stungsaufnahme sind. Diese Bereiche sind physikalisch durch Resonanzen gekennzeichnet und die Güte der Resonan­ zen ist ein Maß für die Einstrahlempfindlichkeit und die Abstrahlstärke. Durch Einfügung einer elektrischen Dämp­ fung kann die Güte dieser Resonanzen und damit die Kopp­ lung der Leitungen an externe Felder sowohl für Abstrah­ lung als auch für Einstrahlung verringert werden.

Die Leitungen erzeugen nicht nur elektromagnetische Felder oder nehmen Leistung aus solchen auf, sondern koppeln auch untereinander bei der Führung in Kabelbündeln. Die Kopp­ lung ist frequenzabhängig und zeigt einen typischen Ver­ lauf wie in Fig. 2 skizziert. Das auf der Ordinate aufge­ tragene Kopplungsmaß in der gegebenen Skalierung gilt für eine Versuchsanordnung, bei welcher innerhalb eines Kabel­ bündels ein Kabel als spannungsgespeiste Leitung und ein anderes Kabel als Meßleitung dienen. Der Wert OdB wäre gleichbedeutend mit direkter Verbindung der beiden Leitun­ gen, -20dB bedeutet, daß die Spannung auf der Meßleitung ein Zehntel der Speiseleitungsspannung beträgt. Der Kur­ venverlauf zeigt durch das hohe Kopplungsmaß von -6dB bei Frequenzen ab 2MHz, daß für hochfrequente Signale ein Ka­ belbündel wie eine einzige dicke Leitung betrachtet werden kann. Dies ist insbesondere von Bedeutung dahingehend, daß einerseits hochfrequente Störsignale auch auf Leitungen auftreten, die selbst keine Feldkopplung mit äußeren Fel­ dern zeigen. Zum anderen können Dämpfungsmaßnahmen an ei­ ner Leitung damit auch auf Störsignale auf nicht direkt gedämpften Leitungen wirken.

Die der Bestimmung des Kopplungsverlaufs zugrunde gelegte Meßschaltung ist in Fig. 2 mit dargestellt. Sie umfaßt eine frequenzdurchstimmbare Spannungsquelle Q, die über einen Quellenwiderstand RQ von typischerweise 50Ω eine Speiseleitung LS, die über einen Verbraucher mit einer Im­ pedanz Z1 mit Masse verbunden ist, mit einer Speisespan­ nung U₀ beaufschlagt. Eine zu der Speiseleitung parallel laufende Meßleitung LM ist einseitig mit einer Impedanz Z2 an Masse gelegt. Am anderen Ende der Meßleitung wird über ein Meßinstrument mit 50Ω Eingangwiderstand die durch Leitungskopplung induzierte Meßspannung U_a bestimmt. Das Kopplungsmaß ist definiert als die Dämpfung a_k = 201g (2U_a/U₀) in Dezibel (dB). Die Werte von Z1 und Z2 sind weitgehend beliebig.

Der Frequenzverlauf der Leitungskopplung nach Fig. 2 zeigt weiterhin, daß die Ausbreitung von Störungen über das Ka­ belnetz für Störsignale mit Frequenzen unterhalb 50 kHz vernachlässigbar ist.

Als Maß für auf den Leitungen vorhandene Störsignale kön­ nen hochfrequente Ströme auf den Leitungen und Spannungen auf den Leitungen gegen Fahrzeugmasse gemessen werden wie in Fig. 1 für die Verbindungsleitung zur Endstellenein­ richtung V4 als Strom I4 und Spannung U4 eingetragen.

Aus der Leitungstheorie ist bekannt, daß leerlaufende oder kurzgeschlossene Leitungen Resonanzen hoher Güte haben, während Leitungsabschlüsse, die annähernd gleich dem Wel­ lenwiderstand der Leitung sind, nur einen geringen Teil der auf der Leitung ankommenden Leistung reflektieren und kaum Resonanzüberhöhungen auf der Leitung verursachen. Noch bei einer relativen Fehlanpassung von 30% der An­ schlußimpedanz gegen den Wellenwiderstand der Leitung wer­ den weniger als 10% der Leistung reflektiert. Die gegen Fahrzeugmasse gemessenen Wellenwiderstände der Leitungen im Kabelnetz eines Fahrzeugs liegen bedingt durch die Art der Verlegung entlang des metallischen Fahrzeugaufbau ty­ pischerweise im Bereich von 80-200Ω. Eine Untersuchung der Endstelleneinrichtungen ergibt, daß deren gegen Fahrzeug­ masse gemessene Eingangsimpedanzen an den Anschlüssen für die Leitungen des Kabelnetzes für Hochfrequenz starke Fehlanpassung bezüglich der Leitungswellenwiderstände zei­ gen und insbesondere über weite Bereiche für Hochfrequenz weitgehend als Blindwiderstände wirken. Als Beispiel ist in Fig. 3 für einen Gebläsemotor über der Frequenz der Be­ trag |Z| und der Phasenwinkel Θ der komplexen Ein­ gangsimpedanz Z aufgetragen. Charakteristisch ist die bei vielen Typen von Endstelleneinrichtungen beobachtbare starke Variation der Impedanz über den Frequenzbereich mit Leerlaufbereichen und Kurzschlußbereichen, sowie Bereichen mit stark kapazitivem oder stark induktivem Verhalten.

Die Vielfalt der Leitungsgeometrien und der Endstellenim­ pedanzen führt in einem realen Kabelnetz zu einer Vielzahl von Resonanzen im Bereich hochfrequenter Störungen mit in­ nerhalb des Kabelnetzes deutlicher Variation. Fig. 4(A) zeigt den Frequenzverlauf der Spannung an verschiedenen Meßpunkten, z. B. Verzweigungen oder Endstellenanschlüssen innerhalb eines Kabelnetzes. Gleiche Kurvenmarkierungen sind derselben Meßposition zuzuordnen. In Fig. 4(B) sind die zugehörigen Frequenzverläufe der Ströme an diesen Meß­ stellen dargestellt. Die Spannungen können in realen Ka­ belnetzen Werte von mehr als 100 Volt, die Ströme Werte von mehr als 1 Ampere erreichen.

Die Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei welchem zwei Maßnahmen vorteilhaft kombiniert sind. Eine Zuleitung L zu einer Endstelleneinrichtung V ist mit einer Serienschaltung ei­ ner Kapazität C_k und eines ohmschen Widerstands R_a gegen Fahrzeugmasse abgeschlossen. Eine Ferritdrossel F im wei­ teren Leitungsverlauf zu der Endstelle V ist so gewählt und eingebaut, daß sie für Hochfrequenz eine gegenüber R_a hohe Impedanz Z_F in der Leitung bewirkt. Die Impedanz Z_V der Endstelle, die wie in Fig. 3 skizziert über den be­ trachteten Hochfrequenzbereich stark variieren kann, ist durch die Ferritdrossel hinreichend von dem durch das RC-Glied bestimmten Leitungsabschluß isoliert und beeinflußt die gesamte von der Leitung L her gesehene Anschlußimpe­ danz Z_e nicht wesentlich.

In Fig. 6 ist das Ersatzschaltbild für die Wirkung einer Ferritdrossel skizziert, welches aus einer Parallelschal­ tung einer Induktivität FL, eines ohmschen Widerstands FR und eines RC-Glieds FRC besteht. Der typische gemessene Impedanzverlauf einer Ferritdrossel nach Betrag |Z_F| und Phasenwinkel Θ_F ist beispielhaft in Fig. 7 über der Fre­ quenz f bis 200 MHz dargestellt. Die Impedanzwerte und de­ ren Frequenzverlauf können im Detail durch die Geometrie der Drosselanordnung und Wahl des Ferritmaterials beein­ flußt werden. Die mit |Z′_F| und Θ′_F bezeichneten Kurven stellen den Impedanzverlauf der in Fig. 6 skizzierten Er­ satzschaltungen dar.

Der Widerstandswert der Kapazität C_k in Fig. 5 sei für Hochfrequenz vernachlässigbar gegenüber dem ohmschen Wi­ derstand, R_a<<1/wC_k, sperre für Gleichstrom und niederfre­ quente Nutzsignale aber den Abschlußpfad gegen Fahrzeug­ masse.

Die sich für die Anordnung nach Fig. 5 insgesamt ergebende Impedanz Z_e ist für R_a = 150Ω, R_F nach Fig. 7 und Z_V nach Fig. 3 nach Betrag und Phasenwinkel in ihrem Fre­ quenzverlauf in Fig. 8 dargestellt. Durch den nur noch ge­ ringen Phasenwinkel |Θ_e| < 20° ist die Leitung für Hoch­ frequenz annähernd mit einer reellen Impedanz abgeschlos­ sen, deren Betrag zwischen 90 Ω und 145 Ω variert, was z. B. ein guter Abschluß für eine Leitung mit einem Wellen­ widerstand Z_o ≈ 115 Ω wäre. In Anbetracht der krassen Fehlanpassung der unbeschalteten Endstelle mit einem Impe­ danzverlauf nach Fig. 3 ist auch für Wellenwiderstände von 100 Ω bis 150 Ω der in Fig. 8 skizzierte Impedanzverlauf als erhebliche Verbesserung zu werten. Es sind daher mit einer Anordnung der in Fig. 5 skizzierten Art auch bei nur ungefährer Anpassung und damit mit geringem Aufwand gute Ergebnisse zu erzielen.

In Fig. 9 sind die der Fig. 4 entsprechenden Spannungs- und Stromverläufe nach Einbau einer Anordnung nach Fig. 5 bei den jeweiligen Meßpunkten in gleicher Skalierung dar­ gestellt. Die drastische Verringerung der Hochfrequenz-Störsignale ist offensichtlich, obwohl für alle Abschluß-Schaltungsanordnungen ohne Berücksichtigung der im Regel­ fall unterschiedlichen Leitungs- Wellenwiderstände an ver­ schiedenen Leitungspositionen einheitlich R_a = 150 Ω ein­ gesetzt wurde.

Die in Fig. 5 in Kombination skizzierten Teilanordnungen der Wellenwiderstandsanpassung über R_a oder der als hoch­ ohmige Trennstelle für Hochfrequenz wirkenden Ferritdros­ sel können auch vorteilhaft einzeln eingesetzt sein, wenn die beschriebene Wirkungskombination nicht benötigt ist. Insbesondere kann die Ferritdrossel in Alleinstellung dazu dienen, hochfrequente Störsignale des Kabelnetzes von emp­ findlichen elektronischen Endstelleneinrichtungen fernzu­ halten.

Für Endstelleneinrichtungen, die in ihrer Funktion einen niedrigen Gleichstromwiderstand und damit einen hohen Gleichstrom auf der Zuleitung aufweisen wie z. B. Schein­ werfer, kann die in Fig. 5 skizzierte Anordnung u. U. wegen der Sättigung der Ferritdrossel ungeeignet sein. Für sol­ che Fälle ist, auch auf Grund von häufig auftretenden Pro­ blemen bei der Fahrzeugmasse-Rückleitung, der Anschluß der Endstelle über eine Hin (LH) -und eine Rückleitung (LR) zweckmäßig wie in Fig. 10 skizziert. Zur Verringerung der hochfrequenten Störungen werden dann Hin- und Rückleitung durch die Ferritdrossel FK geführt, die damit bezüglich des auf den beiden Leitungen gegensinnigen Verbraucher­ gleichstroms IO stromkompensiert ist. Lediglich bei Ein- oder Ausschaltvorgängen ist ein Ladestrom für eine Schalt­ kapazität C_s des Verbrauchers gegen Fahrzeugmasse zu be­ achten, der aber zum Regelfall gering ist gegen IO. Demge­ genüber treten aufgrund der hohen Kabelkopplung die hoch­ frequenten Störsignale als Gleichtaktsignale auf beiden Leitungen in Erscheinung und die Drossel wirkt auf beiden Leitungen als hochohmiger Hochfrequenzwiderstand. Eine Wellenwiderstandsanpassung der in Fig. 5 skizzierten Art über ein RC-Glied wird dann vorteilhafterweise für beide Leitungen vorgenommen, wobei ein einziger mit beiden Lei­ tungen über je eine Kapazität C_R, C_H verbundener Ab­ schlußwiderstand ausreicht.

Als Alternative zur Verbindung beider Leitungen LH und LR über ein RC-Glied gegen Fahrzeugmasse kann wie in Fig. 11 dargestellt eine elektrisch leitende Umhüllung U eng um beide Leitungen gelegt sein, die für Hochfrequenz wieder eng mit den Leitungen gekoppelt ist, und ein Abschlußwi­ derstand R_a zwischen die Umhüllung U und die Fahrzeugmasse geschaltet sein.

Die Anzahl der einzelnen Schaltungsanordnungen zum angenä­ hert wellenwiderstandsangepaßten Abschluß von Leitungen kann wesentlich verringert werden, wenn an zentraler Stelle des Kabelnetzes mittels einer Ferritdrossel klei­ nere Abschnitte des Kabelnetzes vom Hauptteil bezüglich Hochfrequenz vom zentralen Hauptteil des Kabelnetzes ge­ trennt werden. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, wenn die Endstellen in den abgetrennten Teilen unempfindlich gegen Hochfrequenzstörungen sind oder wenn die Geometrie der abgetrennten Teile in sich keine Resonanzfrequenzen im störenden Hochfrequenzbereich zeigt. Störungen bei Fre­ quenzen oberhalb 1 GHz werden im Regelfall bereits durch die Dämpfungswirkung der Kabel selbst stark unterdrückt. In Fig. 12(A) und (B) ist eine Anordnung mit einer Fer­ ritdrossel aus zwei zusammengesetzten E-Kernen in zwei An­ sichten dargestellt, die z. B. an einen zentralen Kabelbün­ del (B1 in Fig. 1) vor weiteren Verzweigungen des Kabel­ baums angeordnet ist. Das zentrale Kabelbündel ist in der skizzierten Anordnung wieder durch eine gegen Fahrzeug­ masse wellenwiderstandsangepaßte leitende Umhüllung U1 entstört. Durch die starke Kopplung der Leitungen des Ka­ belbündels B1 untereinander und mit der Umhüllung treten auf allen Leitungen und der Umhüllung im wesentlichen die gleichen Störsignale auf, die durch den Abschlußwiderstand R_a dann gedämpft werden.

Für die Ausführung von Anordnungen nach Fig. 11 oder 12 kann die leitende Umhüllung beispielsweise bei der Verle­ gung des Kabelnetzes als flaches Band unter die Leitungen bzw. Kabelbündel eingefügt und um die Leitungen herumge­ legt und eingebunden werden. Die Kapazität C_k ist hin­ sichtlich ihrer in der Anordnung nach Fig. 10 wesentlichen Niederfrequenz- und Gleitstrom-Sperrfunktion in den Anord­ nungen nach Fig. 12 eigentlich wie in Fig. 11 skizziert entbehrlich. Zur Verhinderung von Gleichströmen aufgrund von Potentialversatz, z. B. aufgrund elektrochemischer Po­ tentiale kann aber auch in den Anordnungen nach Fig. 11 und 12 die Reihenschaltung eines Sperrkondensators mit R_a vorteilhaft sein. Die Ferritdrosseln können als geschlos­ sene Ringe oder als gespaltene und zusammengesetzte Fer­ ritkörper, z. B. E-Kerne oder Rohrkerne ausgeführt sein. Da grundsätzlich Kern und Windung vertauschbar sind, kann eine Drossel auch durch einen gewundenen Ferritkörper auf einem gestreckten oder gebogenen Kabelbündel realisiert sein.

Die Ferritkörper selbst sind bedingt durch die Sprödigkeit des Materials häufig scharfkantig. Um Störungen durch ver­ letzte Kabel zu vermeiden werden die Kanten der Ferritkör­ per im Bereich der Kabel vorteilhafterweise abgerundet. Die Ferritkörper können zur Kantenabrundung auch ganz oder teilweise kuststoffbeschichtet sein.

Die Ferritkörper werden vorteilhafterweise erschütterungs­ beständig mit den Kabelbündeln und dem Fahrzeugaufbau ver­ bunden um konstante elektrische Hochfrequenzeigenschaften sicherzustellen und Beschädigungen an Kabeln und Ferrit­ körpern möglichst zu vermeiden. Hierfür werden die Ferrit­ körper beispielsweise auf den Kabelbündeln durch Schrumpf­ schläuche oder mittels Klebe- oder Gießverbindungen fi­ xiert und am Fahrzeugaufbau mit Klammern, Ringschellen oder dergleichen befestigt.

In Fig. 13 ist eine weitere Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störsignale skizziert, bei welcher ein Fer­ ritkern über eine für mehrere Verbraucher 132, 133, 134 gemeinsame Masserückleitung gelegt ist. Der Ferritkern ist so dimensioniert, daß er bei Hochfrequenz einen Wirkwider­ stand in der Masserückleitung zur Absorption von Störsi­ gnalen bewirkt. Die Masserückleitung kann vorteilhafter­ weise auch metallische Befestigungsmittel, z. B. Befesti­ gungsschrauben einschließen.

Elektronische Steuergeräte weisen häufig eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen auf, die üblicherweise an den Ein­ gangsklemmen mit Kapazitäten von typischerweise InF gegen ein internes Bezugspotential, z. B. das negative Versor­ gungspotential beschaltet sind. Für Ausführungen von sol­ chen Steuergeräten, die nicht in Metallgehäuse integriert sind oder bei denen ein umgebendes Metallgehäuse nicht mit dem internen Bezugspotential verbunden ist, sind in Fig. 14 vorteilhafte Anordnungen zur Verminderung von Hochfre­ quenzstörungen skizziert.

Fig. 14(A) zeigt ein Steuergerät 114 mit symbolisch ein­ gezeichneten Zuleitungen 115, 116 als Hin- und Rückleitun­ gen. Es erfolgt keine Stromkreisrückführung über die Fahr­ zeugmasse M. Die Anordnung besitze eine Eigenkapazität 117 gegen Fahrzeugmasse. Für die Untersuchung von Störungen und Entstörungsmaßnahmen wurde eine 3m lange Zuleitung ge­ wählt. Für den Wellenwiderstand der Leitungen 115, 116 wird ein Wert von Z_o = 113 Ω angenommen wie in Fig. 14B für Gleichtaktsignale auf den dann zusammengefaßt behan­ delbaren Leitungen 115, 116 skizziert. Zur Erläuterung der Resonanzeigenschaften der Anordnung wird in Fig. 15 die Darstellung mit dem komplexen Leitwert Y = 1/Z gewählt, wobei die Betrachtungen auf den Betrag des Leitwerts be­ schränkt werden.

Die Anordnung zeigt bei nicht zusätzlich beschaltetem Steuergerät nach Fig. 14(B) gemäß Kurve zu |Y₁| in Fig. 15 einen über der Frequenz periodisch varierenden Leit­ wert, der um mehr als eine Zehnerpotenz von dem idealen Leitwert 1/Zo = 1/113 Ω = 8,85 mS für Wellenwiderstandsan­ passung abweicht. Die Höhe des Betragsmaximums ist ein Maß für die bei einer Resonanzfrequenz umgesetzte Leistung. Die Leistung wird dabei in der Anordnung z. B. in Form di­ elektrischer Verluste verbraucht oder als elektromagneti­ sches Feld abgestrahlt. Hauptziel von Entstörungsmaßnahmen ist der Abbau von Leistungsspitzen. Eine in Fig. 14(C) skizzierte Maßnahme, bei welcher der Kapazität 117 eine Serienschaltung einer Induktivität 119 und eines ohmschen Widerstands 118 parallel geschaltet sind, führt zu einem Eingangsleitwert Y₂ der in einem unteren Hochfrequenzbe­ reich bis ca. 50 Mhz eine wesentliche Verbesserung be­ wirkt, zu höheren Frequenzen hin sich aber dem Verlauf des ursprunglichen Leitwerts Y₁ annähert. Für die Dimensionie­ rung der Bauelemente gilt zumindest angenähert R = Z_o und L = C.R².

Bei einer in Fig. 14 (D) skizzierten Anordnung sind die Anschlußleitungen in einer oder mehreren Windungen durch einen Ferritkern geführt, der einen Wirkwiderstand in die Leitung transformiert, und der Kapazität 117 ist ein ohm­ scher Widerstand 118, der ungefähr gleich dem Wellenwider­ stand Z_o ist, parallel geschaltet. Der Ferritkern ist so dimensioniert, daß der bewirkte Widerstand ungefähr gleich dem Wellenwiderstand Z_o ist.

Da die Zuleitungen zu einem Steuergerät neben wenigen Ver­ sorgungsleitungen eine Mehrzahl von Steuerleitungen umfas­ sen, sieht eine vereinfachte Ausführung nach Fig. 16 vor, lediglich die Versorgungsleitungen so durch einen Ferri­ tring 122 zu führen, daß sich die Gleichstromanteile kom­ pensieren und die Versorgungseingänge damit hochohmig er­ scheinen.

Für niedrige Kapazitäten 117 des Steuergeräts gegen Fahr­ zeugmasse kann nach Fig. 17 eine Ferritperle 121 parallel zu der Kapazität den Wellenwiderstandsabschluß bilden. Um Gleichströme bei einem eventuellen Potentialversatz gegen Fahrzeugmasse zu unterdrücken, kann ein Sperrkondensator 123 vorgesehen sein.

In Fig. 18 ist die an sich bekannte Maßnahme der Störsi­ gnaldämpfung mittels eines Absorptionskreises aufgegrif­ fen, die aus der eingangs genannten DE 195 15 668 C1 be­ kannt ist. Aus einem Abschnitt eines Kabelbündels 200 mit mehreren Leitungen bildet eine Leitung 202 einen Teil eines außerhalb des Kabelbündels, z. B. über Fahrzeugmasse ge­ schlossenen Absorptionsstromkreises, der Dämpfungsmittel mit Wirkwiderständen 203 enthält. Durch ihre Lage im Kabelbündel besitzt die Leitung 202 zu den übrigen Leitun­ gen eine Kapazität und gemeinsam mit den übrigen Leitungen des Kabelbündels eine Induktivität in der Masseschleife des Bündels.

Man kann diesen Zustand mit einem Wellenwiderstand gegen das Bündel 200 modellieren, der z. B. Z_o = 100Ω betragen kann und in der Modellierung von Fig. 15 verwendet wurde. An beiden Enden der Schleife 202 sind zwischen dem Massean­ schluß und dem Kabelbündel Ferritrohrkerne über den Leiter 202 geschoben, die einen Widerstand 203 beim Strom­ durchfluß in den Leiter 202 hineintransformieren, als wäre er aufgeschnitten und eine Ersatzschaltung eines Ferrit­ kerns (siehe Fig. 6) zwischen die Enden gelötet. Bei­ spielsweise betrüge für das Ersatzschaltbild von Fig. 6 die Induktivität 3,3 µ, der Parallel-Widerstand 147Ω, und im RC-Glied der Kondensator 166pF und der Widerstand 120Ω.

In den Fahrzeugen werden oft Masseleitungen an mehreren Stellen im Fahrzeug mit dem Fahrzeugrahmen verbunden. Wenn über diese Abzweigeleitungen passende Ferritrohrkerne ge­ schoben werden entsteht ein Absorptionsnetz mit mehreren Ableitungen gegen den Rahmen. In den Wirkwiderständen wird die Energie vernichtet, wenn in der Schleife 202 Strom fließt.

Fig. 18 zeigt ein solches Absorptionsnetz für eine Kabel­ netzverzweigung mit Impedanzen 203 an den Masseanschlüs­ sen. Im Zentrum der Verzweigungen wird lediglich ein für mehrere Absorptionsschleifen gemeinsamer Abschlußwider­ stand benötigt.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht in der Einbin­ dung von Hochfrequenzgesichtspunkten in die Fahrzeugelek­ tronik, ihre in Teilbereichen vorausberechenbare Wirkung, die Verwendung preisgünstiger Zusatzbauelemente (Ferrit­ rohrkerne) ohne die Notwendigkeit radikaler Änderungen in der Aufbau- und Verdrahtungstechnologie, ihre leichte Prüf- und Überwachbarkeit und ihre auch für Laien ver­ ständliche Wirkungsweise.

Für die zumindest ungefähre Bestimmung der Wellenwider­ stände, Anschlußimpedanzen, Fehlanpassungen etc. sind die in den Ansprüchen 10 bis 12 genannten Maßnahmen vorteil­ haft.

Claims (12)

1. Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Kabelnetzen von Fahrzeugen mit einer Mehrzahl in verzweig­ ten Kabelbündeln zusammengefaßter Verbindungsleitungen zu Endstelleneinrichtungen, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß an einer oder mehreren Stellen des Kabelnetzes Schaltungsanordnungen zwischen einer oder mehreren Leitungen und dem metallischen Fahrzeugaufbau angeordnet sind, welche die Leitungen zumindest annähernd mit ihrem jeweiligen Wellenwiderstand für Hochfrequenz gegen Fahrzeugaufbau abschließen, und/oder
• b) daß für Hochfrequenz überwiegend als Blindwiderstände wirkende Endstellen durch Zusatzbeschaltungen mit für Hochfrequenz reellem Impedanzanteil ergänzt sind, wobei die Zusatzbeschaltungen so auf die Blindwiderstände der Endstellen abgestimmt sind, daß im Hochfrequenzbereich der Störungen ein im wesentlichen reeller Widerstand mit einem dem Wellenwiderstand der Zuleitung zu der jeweiligen Endstelle annähernd gleichem Widerstandswert resultiert, und/oder
• c) daß ein Kabelbündelabschnitt von einer elektrisch leitenden Hülle umgeben ist und die Hülle wellenwiderstandsangepaßt gegen den metallischen Fahrzeugaufbau abgeschlossen ist, und/oder
• d) daß in Kabelbündel oder einzelne Verbindungsleitungen Ferritdrosseln eingebaut sind, welche für Hochfrequenz einen gegenüber dem Wellenwiderstand der Leitungen hohen Widerstand bewirken, und/oder
• e) daß in für mehrere Endstellen gemeinsame Leitungen zu dem metallischem Fahrzeugaufbau Ferritbauteile eingeschaltet sind, die bei Hochfrequenz einen den Wellenwiderstand annähernd gleichen Wirkwiderstand in die Leitungen transformieren.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in an sich bekannter Weise mindestens ein Ab­ sorptionsstromkreis vorgesehen ist, der einen Leitungsab­ schnitt in einem Kabelbündel und einen außerhalb des Ka­ belbündels verlaufenden Rückschluß umfaßt und Dämpfungs­ mittel enthält, die für den Frequenzbereich der hochfre­ quenten Störungen einen Wirkwiderstand bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den Wellenwiderständen _Zoi annähernd gleichen Widerstandswerte _Ri im Bereich 0,6 _Zoi < Ri < 1,7 _Zoi liegen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch für Versorgungsleitungen stromkompensierte Einschaltung der Ferritdrosseln.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritdrosseln so im Kabelnetz eingebaut sind, daß der Kabelnetzabschnitt auf der einen Seite der Einbaustelle keine Resonanzfrequenz unterhalb von 100 MHz zeigt und der Kabelnetzabschnitt auf der ande­ ren Seite der Einbaustelle annähernd wellenwiderstandsan­ gepaßt abgeschlossen ist (Fig. 12).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ferritdrosseln bei Endstelleneinrichtungen eingebaut sind (Fig. 10, 11).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Ferritbauteile im Be­ reich der Kabelbündel oder Leitungen gerundete Kanten auf­ weisen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch gespaltene Ferritkörper als Ferritbauteile.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritbauteile erschütterungsfest mit den Leitungen bzw. Kabelbündeln und/oder dem Fahrzeug­ aufbau verbunden sind.

10. Verfahren zur Bestimmung der Impedanzsituation in Kraftfahrzeug-Kabelnetzen mittels einer Netzwerkmodellie­ rung des Kabelnetzes und einer auf das Modell angewandten Simulation.

11. Verfahren zur Bestimmung der Impedanzsituation in Kraftfahrzeug-Kabelnetzen mittels Impedanz- und Kopplungs­ messungen mit gezielter lokaler Einkopplung von Hochfre­ quenzsignalen z. B. über Injektionsstromzangen.

12. Verfahren zur Bestimmung der Impedanzsituation in Kraftfahrzeug-Kabelnetzen durch lokale Messungen von Strom und Spannung im Kabelnetz bei gezielter Einkoppelung von Hochfrequenzsignalen.