DE19636816C2 - Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Fahrzeug-Kabelnetzen - Google Patents
Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Fahrzeug-KabelnetzenInfo
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- DE19636816C2 DE19636816C2 DE1996136816 DE19636816A DE19636816C2 DE 19636816 C2 DE19636816 C2 DE 19636816C2 DE 1996136816 DE1996136816 DE 1996136816 DE 19636816 A DE19636816 A DE 19636816A DE 19636816 C2 DE19636816 C2 DE 19636816C2
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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 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 Starkstromleitungen.
Für den Einsatz zur Entstörung von Kraftfahrzeug-Leitungen
ist eine solche Einrichtung nur insoweit geeignet, als die Wel
lenlänge von einwirkenden Störfeldern groß gegen die Abmessun
gen des Fahrzeug-Leitungsnetzes ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, vorteilhafte Anord
nungen zur Verringerung von hochfrequenten Störungen im Fahr
zeug-Kabelnetzen anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und des
Patentanspruchs 2.
Die Unteransprüche ent
halten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er
findung.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass Fahrzeug-
Kabelnetze auf die Funktion der angeschlossenen Endstellenein
richtungen (Lampen, Motoren, Sensoren, Steuergeräte etc.) aus
gelegt sind und Gesichtspunkte wie die elektromagnetische Ver
träglichkeit gegenüber hochfrequenten Störsignalen kaum berück
sichtigt sind. Die Endstellen sind gegenüber den Zuleitungen,
die innerhalb des Kabelnetzes auch uneinheitliche Wellenwider
stände aufweisen, im Regelfall stark fehlangepaßt und stellen
für die auf dem Kabelnetz vorhandenen hochfrequenten Signalan
teile 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 entstehen
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 0 dB wäre
gleichbedeutend mit direkter Verbindung der beiden Leitun
gen, -20 dB bedeutet, daß die Spannung auf der Meßleitung
ein Zehntel der Speiseleitungsspannung beträgt. Der Kur
venverlauf zeigt durch das hohe Kopplungsmaß von -6 dB bei
Frequenzen ab 2 MHz, 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 Koppungsverlaufs zugrunde gelegte
Meßschaltung ist in Fig. 2 mit dargestellt. Sie umfaßt
eine frequenzdurchstimmbare Spannungsquelle Q, die über
einen Quellenwiderstand RQ von typischerweise 50 Ω eine
Speiseleitung LS, die über einen Verbraucher mit einer Im
pedanz Z2 mit Masse verbunden ist, mit einer Speisespan
nung Uo beaufschlagt. Eine zu der Speiseleitung parallel
laufende Meßleitung LM ist einseitig mit einer Impedanz Z1
an Masse gelegt. Am anderen Ende der Meßleitung wird über
ein Meßinstrument mit 50 Ω Eingangwiderstand die durch
Leitungskopplung induzierte Meßspannung Ua bestimmt. Das
Kopplungsmaß ist definiert als die Dämpfung ak = 201 g
(2Ua/Uo) 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 14 und Spannung U4 eingetragen.
Aus der Leitungstheorie ist bekannt, daß leerlaufende oder
kurzgeschlossene Leitungen Resonanzen hohe 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 80-200 Ω. 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 Ck und eines ohmschen Widerstands Ra 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 Ra
hohe Impedanz ZF in der Leitung bewirkt. Die Impedanz ZV
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 ZE 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 |ZF| und
Phasenwinkel θF 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 |ZF|' und θ'F bezeichneten Kurven
stellen den Impedanzverlauf der in Fig. 6 skizzierten Er
satzschaltungen dar.
Der Widerstandswert der Kapazität Ck in Fig. 5 sei für
Hochfrequenz vernachlässigbar gegenüber dem ohmschen Wi
derstand, Ra » 1/wCk, sperre für Gleichstrom und niederfre
quente Nutzsignale aber den Abschlußpfad gegen Fahrzeug
masse.
Die sich für die Anordnung nach Fig. 5 insgesamt ergebende
Impedanz Ze ist für Ra = 150 Ω, RF nach Fig. 7 und ZV nach
Fig. 3 nach Betrag und Phasenwinkel in ihrem Fre
quenzverlauf in Fig. 8 dargestellt. Durch den nur noch ge
ringen Phasenwinkel |θe| < 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 Zo ≈ 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 Ra = 150 Ω ein
gesetzt wurde.
Die in Fig. 5 in Kombination skizzierten Teilanordnungen
der Wellenwiderstandsanpassung über Ra 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 Verbrauchergleichstroms
IO stromkompensiert ist. Lediglich bei Ein-
oder Ausschaltvorgängen ist ein Ladestrom für eine Schalt
kapazität Cs 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 CR, CH 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 Ra 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
Ra 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 Ck ist hin
sichtlich ihrer in der Anordnung nach Fig. 10 wesentlichen
Niederfrequenz- und Gleistrom-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 Ra
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 1 nF 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 3 m lange Zuleitung ge
wählt. Für den Wellenwiderstand der Leitungen 115, 116
wird ein Wert von Zo = 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
ursprünglichen Leitwerts Y1 annähert. Für die Dimensionie
rung der Bauelemente gilt zumindest angenähert R = Z0 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 Zo ist, parallel geschaltet. Der Ferritkern ist so
dimensioniert, daß der bewirkte Widerstand ungefähr gleich
dem Wellenwiderstand Zo 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 bilde 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. Z0 = 100 Ω 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 147 Ω, und
im RC-Glied der Kondensator 166 pF und der Widerstand 120 Ω.
In den Fahrzeugen werden oft Masseleitungen an mehreren Stellen
im Fahrzeug mit dem Fahrzeugrahmen verbunden. Wenn über diese
Abzweigleitungen passende Ferritrohrkerne geschoben werden ent
steht ein Absorptionsnetz mit mehreren Ableitungen gegen den
Rahmen. In den Wirkwiderständen wird die Energie vernichtet,
wenn in der Schleife 202 Strom fließt.
Fig. 19 zeigt ein solches Absorptionsnetz für eine Kabelnetz
verzweigung mit Impedanzen 203 an den Masseanschlüssen. Im Zen
trum der Verzweigungen wird lediglich ein für mehrere Absorpti
onsschleifen gemeinsamer Abschlußwiderstand benötigt.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht in der Einbindung
von Hochfrequenzgesichtspunkten in die Fahrzeugelektronik, ihre
in Teilbereichen vorausberechenbare Wirkung, die Verwendung
preisgünstiger Zusatzbauelemente (Ferritrohrkerne) ohne die
Notwendigkeit radikaler Änderungen in der Aufbau- und Verdrah
tungstechnologie, ihre leichte Prüf- und Überwachbarkeit und
ihre auch für Laien verständliche Wirkungsweise.
Claims (11)
1. Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Ka
belnetzen von Fahrzeugen mit einer Mehrzahl in verzweigten Ka
belbündeln (B1) zusammengefaßten Verbindungsleitungen (L, 115,
116) zu Endstelleneinrichtungen (V, 114), die derart ausgestal
tet ist,
- a) daß an einer oder mehreren Stellen des Kabelnetzes Schal tungsanordnungen (Ra, CK, CR, CH) zwischen einer oder meh reren Leitungen (L, 115, 116) und dem metallischen Fahr zeugaufbau (M) angeordnet sind, welche die Leitungen (L, 115, 116) zumindest annähernd mit ihrem jeweiligen Wellen widerstand (ZE) für Hochfrequenz gegen Fahrzeugaufbau (M) abschließen,
- b) daß für Hochfrequenz überwiegend als Blindwiderstände wirkende Endstellen (132, 133, 134) durch Zusatzbeschal tungen mit für Hochfrequenz reellem Impedanzanteil (FR, FK) ergänzt sind, wobei die Zusatzbeschaltungen so auf die Blindwiderstände der Endstellen (V, 114) abgestimmt sind, daß im Hochfrequenzbereich der Störungen ein im wesentli chen reeller Widerstand (FR und ZV, 121) mit einem dem Wel lenwiderstand (ZE) der Zuleitung zu der jeweiligen End stelle (V, 114) annähernd gleichem Widerstandswert resul tiert, und
- c) daß in für mehrere Endstellen (132, 133, 134) gemeinsame Leitungen zu dem metallischem Fahrzeugaufbau Ferritbautei le (FK) eingeschaltet sind, die bei Hochfrequenz einen den Wellenwiderstand (ZE) annähernd gleichen Wirkwiderstand in die Leitungen transformieren.
2. Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Ka
belnetzen von Fahrzeugen mit einer Mehrzahl in verzweigten Ka
belbündeln (B1) zusammengefaßten Verbindungsleitungen (L, 115,
116) zu Endstelleneinrichtungen (V, 114), die derart ausgestal
tet ist,
- a) daß an einer oder mehreren Stellen des Kabelnetzes Schal tungsanordnungen (Ra, CK, CR, CH) zwischen einer oder meh reren Leitungen (L, 115, 116) und dem metallischen Fahr zeugaufbau (M) angeordnet sind, welche die Leitungen (L, 115, 116) zumindest annähernd mit ihrem jeweiligen Wellen widerstand (ZE) für Hochfrequenz gegen Fahrzeugaufbau (M) abschließen,
- b) daß in Kabelbündel oder einzelne Verbindungsleitungen (L, 115, 116) Ferritdrosseln (F, FK, 121, 122) eingebaut sind, welche für Hochfrequenz einen gegenüber dem Wellenwider stand der Leitungen hohen Widerstand bewirken.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kabelbündelabschnitt von einer elektrisch leitenden
Hülle (U, U1) umgeben ist und die Hülle (U, U1) wellenwider
standsangepaßt gegen den metallischen Fahrzeugaufbau abge
schlossen ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Absorptionsstrom
kreis vorgesehen ist, der einen Leitungsabschnitt in einem Ka
belbündel und einen außerhalb des Kabelbündels verlaufenden
Rückschluß umfaßt und Dämpfungsmittel enthält, die für den Fre
quenzbereich der hochfrequenten Störungen einen Wirkwiderstand
bilden.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die den Wellenwiderständen Zoi annähernd
gleichen Widerstandswerte R1 im Bereich 0,6 Zoi < Ri < 1,7 Zoi
liegen.
6. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet,
durch für Versorgungsleitungen stromkompensierte Einschaltung
der Ferritdrosseln.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ferritdrosseln so im Kabelnetz eingebaut
sind, daß der Kabelnetzabschnitt auf der einen Seite der Ein
baustelle keine Resonanzfrequenz unterhalb von 100 MHz zeigt
und der Kabelnetzabschnitt auf der anderen Seite der Einbau
stelle annähernd wellenwiderstandsangepaßt abgeschlossen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
Ferritdrosseln bei Endstelleneinrichtungen eingebaut sind.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die eingesetzten Ferritbauteile im Bereich
der Kabelbündel oder Leitungen gerundete Kanten aufweisen.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 9, gekennzeichnet
durch gespaltene Ferritkörper als Ferritbauteile.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ferritbauteile erschütterungsfest mit den
Leitungen bzw. Kabelbündeln und/oder dem Fahrzeugaufbau verbun
den sind.
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DE1996136816 DE19636816C2 (de) | 1996-09-11 | 1996-09-11 | Anordnung zur Verringerung hochfrequenter Störungen in Fahrzeug-Kabelnetzen |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |