DE19940284C1 - Vorrichtung zur Feldkompensation - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das von in elektrischen Störleitern wirkenden elektrischen Störungen erzeugt wird, mit elektrischen Kompensationsleitern, die entlang der Störleiter angeordnet und mit einer Kompensationsschaltung verbunden sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß umfaßt die Kompensationsschaltung Mittel zum Erfassen der in den Störleitern wirkenden Störungen und Schaltungsmittel zum Erzeugen von in den Kompensationsleitern wirkenden Kompensationsgrößen in Abhängigkeit von den erfassten Störungen. DOLLAR A Verwendung z. B. als Maßnahme zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit in Kraftfahrzeugen mit CAN-Bus-Systemen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei zahlreichen empfindlichen elektrischen Einrichtungen, wie Empfangs- oder Meßgeräten, kann es zu Funktionsstörungen kommen, wenn diese Einrichtungen elektrischen und/oder magnetischen Fel­ dern ausgesetzt sind. Solche Felder können sich auch auf bioche­ mische Vorgänge auswirken, was zu Diskussionen um gesundheitli­ che Beeinträchtigungen beim Menschen geführt hat. Obwohl die Un­ tersuchungen zu den unter dem Begriff "elektromagnetische Ver­ träglichkeit" zusammengefaßten Auswirkungen solcher Felder bis­ lang noch nicht zu einem eindeutigen Ergebnis geführt haben, wird versucht, das Auftreten dieser Felder nach Möglichkeit zu vermeiden.

Eine Möglichkeit, einen Ort von elektrischen und/oder magneti­ schen Feldern weitgehend freizuhalten, besteht darin, diesen Ort durch eine geeignete Abschirmung von der Quelle der Felder zu trennen. Elektrische Felder werden durch konstante elektrische Spannungen hervorgerufen, während magnetische Felder die Folge konstanter elektrischer Ströme sind. Elektrische Spannungen und elektrische Ströme werden im folgenden unter dem Begriff "elektrische Störungen" zusammengefaßt. Bei zeitveränderlichen elektrischen Störungen entstehen elektromagnetische Felder, durch deren Abstrahlung der Störquelle Energie entzogen wird. Die bekannten Abschirmungen enthalten elektrische Leiter, in de­ nen durch das Störfeld elektrische Spannungen und/oder elektri­ sche Ströme so erzeugt werden, daß jenseits der Abschirmung ein praktisch feldfreier Raum entsteht. In vielen Fällen ist es je­ doch aus räumlichen Gründen nicht möglich, derartige Abschirmun­ gen anzubringen.

Bei einem anderen Ansatz versucht man, die Störfelder durch Energieentzug zu dämpfen. In Frage kommen hierzu etwa verlust­ behaftete magnetische Werkstoffe wie Ferrite oder verlustbehaf­ tete Dielektrika wie beispielsweise mit Ruß versetzte Kunststof­ fe. Eine Felddämpfung ist jedoch aus den gleichen Gründen wie eine Feldabschirmung häufig nicht ohne weiteres möglich.

Im Gegensatz zu den vorstehend aufgeführten passiven Methoden zur Erzielung feldfreier Orte beruhen aktive Methoden auf einem Regelkreis. Dabei wird das zu kompensierende Störfeld gemessen und davon abhängig ein Kompensationsfeld erzeugt, das durch Überlagerung mit dem Störfeld zu dessen weitgehender Auslöschung führt.

Eine derartige aktive Abschirmung ist beispielsweise aus der DE 42 17 302 A1 bekannt. Um eine magnetische Abschirmkammer, in der sich ein empfindliches medizinisches Diagnosegerät befindet, ist ringsum eine Induktionsspule geführt. Diese dient als Meßein­ richtung, um ein externes magnetisches Störfeld zu messen. In unmittelbarer Nachbarschaft zur Induktionsspule ist eine Feld­ spule geführt, die mit einem Regler verbunden ist. Dieser treibt in Abhängigkeit vom gemessenen Störfeld einen Kompensationsstrom durch die Feldspule. Das davon erzeugte Feld kompensiert das ge­ messene Störfeld weitgehend. Aufgrund des erforderlichen Reglers ist eine derartige aktive Abschirmeinrichtung vergleichsweise aufwendig.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Kompensation eines von Spannungen oder Strömen in einem elektrischen Leiter hervorgerufenen elektrischen und/oder magnetischen Feldes anzugeben, die technisch einfach realisierbar und insbesondere zur Kompensation zeitlich schwach veränderlicher Störfelder geeignet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorge­ sehen, daß die Kompensationsschaltung Mittel zum Erfassen der in den Störleitern wirkenden Störungen und Schaltungsmittel zum Er­ zeugen von in den Kompensationsleitern wirkenden Kompensations­ größen in Abhängigkeit von den erfassten Störungen umfaßt. Im Gegensatz zu bekannten aktiven Kompensationsvorrichtungen wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit nicht das zu kompen­ sierende Feld, sondern die dieses Feld verursachende elektrische Störung erfaßt und ausgewertet. Da die Kompensationsleiter ent­ lang der Störleiter angeordnet sind, genügt es, die Kompensati­ onsgrößen unmittelbar in Abhängigkeit von den erfaßten elektri­ schen Störungen zu erzeugen. Die Kompensationsschaltung benötigt somit keinen Regelkreis, da die Kompensationsgrößen stets in ei­ nem vorab festgelegten funktionalen Zusammenhang mit den erfaß­ ten elektrischen Störungen stehen. Der Aufbau der Kompensations­ schaltung vereinfacht sich dadurch erheblich.

Falls es sich bei den elektrischen Störungen um elektrische Störspannungen handelt, so werden bei einer nach Anspruch 2 wei­ tergebildeten Vorrichtung zur Kompensation des dadurch hervorge­ rufenen elektrischen Feldes an die Kompensationsleiter elektri­ sche Kompensationsspannungen angelegt. Die Schaltungsmittel sind dabei so ausgeführt, daß die Summe aller Stör- und Kompensati­ onsspannungen annähernd null beträgt. Von außen betrachtet scheint daher keine Spannung an der Anordnung von Stör- und Kom­ pensationsleiter anzuliegen. Faktisch wird somit nicht das elek­ trische Feld, sondern bereits dessen Ursache, nämlich die elek­ trische Spannung, kompensiert.

Eine Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 bezieht sich auf eine Anwendung für ein Gegentaktübertragungssystem, bei dem über einen oder mehrere (Stör)-Leiter Nachrichten in Form von Gegentaktsignalen übertragen werden. Im Idealfall entstehen bei derartigen Gegentaktübertragungssystemen keinerlei Summenspan­ nungen entlang der Übertragungsleitungen. Bei realen Systemen hingegen treten insbesondere aufgrund nichtidentischer Treiber von null verschiedene Summenspannungen im Niederfrequenzbereich auf. In Kraftfahrzeugen, in denen derartige Gegentaktübertra­ gungssysteme in Form von CAN-Bus-Systemen häufig eingesetzt wer­ den, kann diese Summenspannung zu Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit Anlaß geben. Bei der Ausge­ staltung nach Anspruch 3 ist nun vorgesehen, daß zur Kompensati­ on dieser Summenspannungen ein Kompensationsleiter entlang der Übertragungsleitungen angeordnet ist und die Schaltungsmittel so ausgeführt sind, daß die an dem Kompensationsleiter anliegende Kompensationsspannung zur Summenspannung gegenphasig ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt somit, mit sehr einfachen Mitteln die Auswirkungen von Summenspannungen in Gegentaktüber­ tragungssystemen deutlich zu reduzieren.

Handelt es sich bei in den Störleitern wirkenden Störungen hin­ gegen um elektrische Störströme, so sind gemäß Anspruch 4 die Kompensationsleiter mit elektrischen Kompensationsströmen zu be­ aufschlagen. Die Schaltungsmittel sind dabei so ausgeführt, daß die Summe aller Stör- und Kompensationsströme annähernd null be­ trägt.

Eine besonders gute Kompensation läßt sich erzielen, wenn gemäß Anspruch 5 die Kompensationsleiter symmetrisch zu den Störlei­ tern angeordnet sind. Bei aderförmigen elektrischen Leitern kann eine solche Symmetrie beispielsweise gemäß Anspruch 5 durch Ver­ drillen der Kompensationsleiter mit den Störleitern erzielt wer­ den.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, von denen zeigen:

Fig. 1 eine Ersatzschaltung eines Störleiters mit anliegender Störspannung,

Fig. 2 der Störleiter aus Fig. 1 mit einem Kompensationsleiter und einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung,

Fig. 3 eine Anordnung entsprechend Fig. 1, jedoch mit einem Störstrom als Störgröße,

Fig. 4 eine Anordnung entsprechend Fig. 2, jedoch für den Fall eines Störstroms als Störgröße gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Anordnung eines aderförmigen Störleiters mit einem aderförmigen Kompensationsleiter,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Anordnung zweier aderförmi­ ger Störleiter mit zwei aderförmigen Kompensationslei­ tern,

Fig. 7 eine Kompensationsschaltung für die Kompensation eines von einem elektrischen Störleiter hervorgerufenen elek­ trischen Feldes durch einen Kompensationsleiter,

Fig. 8 eine Kompensationsschaltung für ein durch zwei elektri­ sche Störleiter hervorgerufenes elektrisches Feld durch zwei Kompensationsleiter.

Fig. 1 zeigt ein geerdetes, elektrisch leitfähiges Teil 1, wel­ ches vorliegend als Massepotential fungiert. Ein elektrischer Leiter 2 ist über einen elektrischen Widerstand 3 und eine Span­ nungsquelle 4 mit Masse 1 verbunden. Die Spannung zwischen dem Leiter 2 und Masse 1 ist in Fig. 1 mit U_S angegeben und wird im folgenden als elektrische Störspannung bezeichnet. Aufgrund die­ ser Spannung entsteht zwischen dem Leiter 2 und Masse 1 ein elektrisches Feld.

Fig. 2 zeigt die Anordnung aus Fig. 1, die um eine erfindungs­ gemäße Kompensationsvorrichtung ergänzt ist. Unmittelbar benach­ bart zum Störleiter 2 ist ein Kompensationsleiter 5 angeordnet. Dieser und der Störleiter 2 sind mit einer Kompensationsschal­ tung 6 verbunden, die außerdem an Masse 1 angeschlossen ist. Die Kompensationsschaltung 6 erfaßt die Störspannung U_S, die zwischen dem Störleiter 2 und Masse 1 anliegt. Die Kompensationsschaltung 6 umfaßt herkömmliche, nicht näher dargestellte Schaltungsmit­ tel, die bewirken, daß die im Kompensationsleiter 5 anliegende Kompensationsspannung U_K entgegengesetzt gleich der erfassten Störspannung U_S ist. Das vom Kompensationsleiter 5 gegenüber Mas­ se 1 erzeugte elektrische Feld ist somit dem elektrischen Feld entgegengerichtet, welches vom Störleiter 2 gegenüber Masse 1 erzeugt wird. Die Feldkompensation ist um so besser, je näher die Kompensationsspannung an der Störspannung liegt und je enger und symmetrischer gegen Masse der Kompensationsleiter 5 dem Störleiter 2 räumlich benachbart ist. Falls der Kompensations­ leiter 5 nicht in unmittelbarer Nähe des Störleiters 2 angeord­ net ist, wird dieser Tatsache durch eine entsprechende Anpassung der Kompensationsspannung U_K Rechnung getragen. Der funktionale Zusammenhang zwischen der Kompensationsspannung U_K und der Stör­ spannung U_S richtet sich somit nach der räumlichen Anordnung des elektrischen Störleiters 2 zum Kompensationsleiter 5 und nach den elektrischen Eigenschaften beider Leiter.

Aus diesem einfachen Beispiel wird deutlich, daß die Zahl der Störleiter und die der Kompensationsleiter in weiten Grenzen be­ liebig ist. So ist es möglich, das von zwei oder mehr Störlei­ tern erzeugte elektrische Feld mit nur einem Kompensationsleiter zu kompensieren. Umgekehrt können auch mehrere Kompensationslei­ ter vorgesehen sein, um das von einem Störleiter erzeugte elek­ trische Feld zu kompensieren. Es ist in beiden Fällen lediglich sicherzustellen, daß die Summe aller Stör- und aller Kompensati­ onsspannungen annähernd null beträgt.

Das von der Kompensationsschaltung 6 abgewandte Ende des Kompen­ sationsleiters 5 kann mit Masse 1 über einen hochohmigen Ab­ schlußwiderstand 7 verbunden sein.

Verglichen mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist in Fig. 3 die Spannungsquelle durch eine Stromquelle 8 ersetzt. Durch den Leiter 2 fließt ein Strom I_S, der im folgenden als Störstrom be­ zeichnet wird. Der Störstrom I_S erzeugt ein magnetisches Stör­ feld, welches kompensiert werden soll.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung zur Kompensation dieses magnetischen Störfeldes. Die Anordnung un­ terscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten lediglich in der Ausführung der Schaltungsmittel, die Bestandteil der Kompen­ sationsschaltung 6 sind. Die Schaltungsmittel sind in diesem Fall so ausgeführt, daß im Kompensationsleiter 5 ein Kompensati­ onsstrom I_K fließt, der betragsmäßig gleich dem Störstrom I_S ist, jedoch in die entgegengesetzte Richtung fließt. Folglich hat auch das dadurch erregte Magnetfeld ein entgegengesetztes Vor­ zeichen und kompensiert somit das vom Störleiter 2 erregte Mag­ netfeld annähernd vollständig. Die oben angestellten Überlegun­ gen, was die Zahl der Stör- und Kompensationsleiter betrifft, gelten hier entsprechend. Der Abschlußwiderstand 7 ist hier nie­ derohmig zu wählen.

Aus den vorstehenden Ausführungen wird deutlich, daß die Kompen­ sationsvorrichtung nach der Erfindung ebenso die Kompensation elektromagnetischer Felder erlaubt. In diesem Fall ist in dem oder den Kompensationsleitern sowohl eine Kompensationsspannung als auch ein Kompensationsstrom zu erzeugen. Zweckmäßigerweise wird dann ein mittelohmiger Abschlußwiderstand gewählt.

Fig. 5 zeigt in einem Querschnitt einen aderförmigen Störleiter 2, der von einer Isolationsschicht 21 umgeben ist. Unmittelbar benachbart hierzu ist ein ebenfalls aderförmiger Kompensations­ leiter 5 angeordnet, der in entsprechender Weise von einer Iso­ lationsschicht 52 umgeben ist. Die beiden Leiter 2 und 5 sind miteinander verdrillt und gemeinsam in einem Kabel 10 angeord­ net.

Das in Fig. 6 dargestellte Kabel 10 unterscheidet sich von dem in Fig. 5 dargestellten dadurch, daß die Zahl der Stör- und der Kompensationsleiter jeweils verdoppelt ist. Speziell sind zwei Störleiter 2, 20 und symmetrisch dazu zwei Kompensationsleiter 5, 50 angeordnet und in der gemeinsamen Längsachse verdrillt. Dadurch entsteht eine hochsymmetrische Anordnung, mit der sich eine besonders gute Kompensation der Störfelder erzielen läßt.

Die in der Kompensationsschaltung 6 vorzusehenden Mittel zum Er­ fassen der in den Störleitern wirkenden Störungen (elektrische Spannungen, elektrische Ströme) können in an sich bekannter Wei­ se als Spannungs- und/oder Strommesser ausgeführt sein. Eben­ falls in der Kompensationsschaltung anzuordnende Schaltungsmit­ tel zum Erzeugen der Kompensationsgrößen können als Operations­ verstärkerschaltungen ausgeführt sein.

Fig. 7 zeigt derartige Schaltungsmittel für den Fall, daß ein von einem Störleiter 2 erzeugtes elektrisches Feld mit Hilfe ei­ nes Kompensationsleiters 5 kompensiert werden soll. Die Schal­ tung umfaßt einen Operationsverstärker 9, an den eine an sich bekannte Rückkopplungsschaltung mit zwei Widerständen 15, 16 zwischen den Störleiter 2 und den Kompensationsleiter 5 geschal­ tet ist. Der Verstärkungsfaktor läßt sich durch die Wahl der Wi­ derstände 15 und 16 festlegen. Aufgrund dieser Beschaltung liegt am Kompensationsleiter 5 eine Spannung U_K an, die proportional zu der am Störleiter 2 abgegriffenen Spannung U_S ist, aber ein ent­ gegengesetztes Vorzeichen hat.

Fig. 8 zeigt entsprechende Schaltungsmittel für den Fall, daß das von zwei Störleitern 2 und 20 erzeugte Störfeld von zwei Kompensationsleitern 5 und 50 kompensiert werden soll, entspre­ chend der Anordnung von Fig. 6. Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 9 liegt hier die Summe U_S1 + U_S2 der an den beiden Störleitern 2 und 20 abgegriffenen Störgrößen U_S1, U_S2 an. Sind die beiden Störleiter 2 und 20 beispielsweise mit symmetri­ schen Gegentaktsignalen beaufschlagt, so liegt im Idealfall bei gleichen Vorwiderständen 15a und 15b der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 9 auf Masse. Bei Phasenfehlern der Ge­ gentaktsignale liegt dort hingegen ein von null verschiedenes Summensignal an, das vom Operationsverstärker 9 invertiert und gegebenenfalls verstärkt wird. Die Kompensationsleiter 5 und 50 werden mit diesem invertierten und gegebenenfalls verstärkten Differenzsignal U_K beaufschlagt. Der Verstärkungsfaktor läßt sich, ähnlich wie in Fig. 7, mit Hilfe der Widerstände 15a, 15b und 16 festlegen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Kompensation eines elektrischen und/oder ma­ gnetischen Feldes, das von in einem oder mehreren, elektri­ schen Störleitern (2, 20) wirkenden elektrischen Störungen (U_S, I_S) erzeugt wird, mit einem oder mehreren elektrischen Kompensationsleitern (5, 50), die entlang des oder der Stör­ leiter angeordnet und mit einer Kompensationsschaltung (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (6) Mittel zum Erfassen der in dem oder den Störleitern wirkenden Störungen und Schaltungsmittel (9, 15, 15a, 15b, 16) zur Erzeugung von in dem oder den Kom­ pensationsleitern wirkenden Kompensationsgrößen (U_K, I_K) in Abhängigkeit von den erfaßten Störungen umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Störleitern wirkenden Störungen an den Störleitun­ gen anliegende elektrische Störspannungen (U_S) sind, die Kompensationsgrößen an den Kompensationsleitern anliegende elektrische Kompensationsspannungen (U_K) sind und die Schal­ tungsmittel so ausgeführt sind, daß die Summe aller Stör- und Kompensationsspannungen annähernd null beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störleiter zur Übertragung von Signalen im Gegentaktver­ fahren vorgesehen sind, nur ein einziger Kompensationsleiter vorhanden ist und die Schaltungsmittel so ausgeführt sind, daß die an dem Kompensationsleiter anliegende Kompensations­ spannung zur Summe der ausgelegten Spannungssignale gegenpha­ sig ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Störleitern wirkenden Störungen in den Störleitern fließende elektrische Störströme (I_S) sind, die Kompensati­ onsgrößen in den Kompensationsleitern fließende elektrische Kompensationsströme (I_K) sind und die Schaltungsmittel so ausgeführt sind, daß die Summe aller Stör- und Kompensation­ ströme annähernd null beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsleiter (5, 50) symmetrisch zu den Störlei­ tern (2, 20) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsleiter und die Störleiter miteinander ver­ drillt sind.