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ZeitmultipleXes Informations- und Befehls-Übertragungssystem
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3es chreib ung: 1. Zugrundeliegende technische Aufgabe Die Zuverlässigkeit
und Sicherheit des Kfz.Bordnetzes wird verbessert, wenn galvanische Kontakte möglichst
vermieden werden.
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Durch induktive Kopplung der Empfänger von Schaltbefehlen an eine
Informationsringleitung wird eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit bei
einfacher Montage erreicht. Es wird z.B. von einem in der DE-OS 25 03 679 beschriebenen
zeitmultiplexen Informations-Übertragungssystem ausgegangen.
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Gegenüber der dort beschriebenen galvanischen Ankopplung sind nur
die Eingangs- und Endstufen von Sender und Empfänger geändert.
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2. Kurzbeschreibung Anfang und Ende einer Ringleitung 1 sind entsnrechend
Bild 1 mit dem zentralen Sender 2 verbunden. Die Ringleitung wird so verlegt, daß
mcglichst viele zu steuernde Verbraucher und abzufragende Geber direkt daran angeschlossen
werden können.
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Jeder Empfänger 3 besitzt einen Ringkern 4 aus gesintertem ferritischem
Material, durch den die Ringleitung 1 hindurchgeführt wird. Der Ringkern trägt 2
Wicklungen. Die Wicklung 5 hat 10sol6 Windungen, die Wicklung 6 nur 1 i Windung.
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Bei Befehlsübertragung vom Sender 1 zum Empfänger 3 prägt der Sender
Stronimpulse in die Ringleitung ein. Die Stromimpulse induzieren bei allen aufgefädelten
Ringkernen in die Wicklung 5 Spannungs impulse, die von der Empfängerschaltung ausgewertet
werden.
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Bei Übertragung der Meldung von einen Empfänger 3 zum Sender 1 ist
der Anfang der Ringleitung im Sender hochohmig abgeschlossen. Der angesprochene
Empfänger prägt Stromimpulse in die Wicklung 6 seines Ringkerns ein. Dadurch werden
Spannungsimpulse in die Ringleitung induziert, die am hochohmigen Abschluß, also
am Leitungsanfang, im Sender ausgewertet werden. Die gleichzeitig in die Wicklung
5 des gleichen Kernes induzierten Spannungsimpulse dienen der Steuerung der Stromimpulse
in Wicklung 6. Da kein nennenswerter Strom in der Ringleitung fließt, bleiben die
Ringkerne aller übrigen Empfänger unbeeinflußt. Die Übertragung ist damit selektiv.
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3. Elektrische Funktionsweise Eine günstige Form der vom Sender eingeprägten
Stromimpulse zeigt Bild 2a. Die in den Wicklungen 5 dar Empfänger induzierte Spannung
ist dann rechteckförmig, vgl. Bild 2b und läßt sich digital gut auswerten. Wegen
der Induktivität der Ringkerne und der Ringleitung selbst, vgl. Ersatzschaltung
Bild 3a, kann im Sender durch eine zur Nullinie symmetrische Rechteckspannung in
einfacher Weise der gewünschte Stromverlauf nach Bild 2a erreicht werden. Ein Stromregler
ist nicht erforderlich.
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Bei Verwendung weichmagnetischer Ringkerne mit geringer Hysterese
und geeigneter Auslegung stört ein Gleichanteil im Strom der Ringleitung nicht.
Dieser kann so gewählt werden, daß der Gesamtstrom seine Polarität nicht ändert,
vgl. Bild 2c. Die in der Wicklung 5 bei allen Empfängern induzierte Spannungsform
ändert sich dabei nicht.
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Sender kann nun, da sich die Stromrichtung nicht ändert, ein einfacher
Transistorschalter verwendet werden, der den Anfang der Ringleitung z.B. zwischen
der aktiven positiven Versorgungsspannung und der passiven, negativen Spannung einer
Zenerdiode hin- und herschal tet, vgl. Bild b.
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Wird die Zeitkonstante L/R der mit dem Widerstand R abgeschlossenen
Ringleitung günstig gewählt, so genügt statt der Zenerdiode ein einfacher Freilaufkreis,
vgl. Bild 3c. Der Strom ist dann nicht mehr exakt dreieckförmig, sondern setzt sich
aus Abschnitten von Exponentialfunktionen zusammen yql, Bi 2d,,
Die
induzierte Spannung weicht dabei etwas von der Rechteckform ab; die Impulszählung
wird dadurch jedoch nicht behindert.
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Der von der Zeitkonstante L/R abhängige Einschwingvorgang beim Anfang
und Ende der Impulskette ist rasch abgeklungen und stört nicht.
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Zur Anpassung an unterschiedliche Ringleitungs-Induktivität, die von
der Anzahl der aufgesteckten Ringkerne und von der Geometrie der Schleife abhängt,
muß R einstellbar sein.
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Eine große Spannung in Wicklung 5 läßt sich erreichen, wenn ihre Windungszahl
erhöht wird oder die Steilheit der Stromänderung in der Ringleitung vergrößert wird.
Der Erhöhung der Windungszahl sind wegen der dann zunehmenden Bedampfung der Ringleitung
durch die Empfänger-Eingangswiderstände Grenzen gesetzt. Die Stromänderungsgeschwindigkeit
kann jedoch durch günstige Schleifengeometrie vergrößert werden, indem z.B. wie
in Bild 5 angedeutet, die Rückleitung mit der Hinleitung verdrillt wird, also eine
offene, doppeladrige Schleife verlegt wird; die Induktivität wird dann minimal.
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4. Empfängerschaltung Die vom Sender in die Ringleitung 1 eingeprägten
Stromimpulse induzieren in die Wicklung 5 Spannungsimpulse, deren Höhe zur direkten
Ansteuerung von Logik-Bausteinen, z.B. der C-MOS-Serie ausreicht, vgl. Bild 4. Kondensator
7 vergrößert die Nutzsignal-Spannung an der Wicklung 5, indem die Induktivität des
Ringkerns 4 teilkompensiert wird; kurze steile Störimpulse, z.B. aus der Zündanlage
des Kfz. werden durch den Kondensator dagegen kurzgeschlossen. Er schützt damit
zusammen mit den hochohmigen Vorwiderständen 8 die angeschlossenen Logik-Bausteind
gegen Spannungsspitzen.
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Kondensator und Ringkerninduktivität bilden einen Schwingkreis mit
der Resonanzfrequenz fO. Gutes Einschwing- und Übertragungsverhalten wird erreicht,
wenn die Sendeimpuls-Frequenz f in den Bereichen Ow fs 0,7-f oder 1,2.fo#f#1,5.fo
liegt. Der untere Bereich ist günstiger, da sich Bauteiltoleranzen hier weniger
auswirken und eine kleinere Kapazität verwendet werden kann. Im Resonanzbereich
f~ f kann zwar die Sende-Energie besonders gering sein; das lang-0 same Sinschwingen
der Spannung am Empfänger-Eingang setzt jedoch einen Code mit großer Redundanz voraus,
da die ersten 2 .. 5 Impulse "verschluckt" werden.
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Die vom Empfänger abzugebenden Rückmeldeimpulse gelangen aus dem Treiber
10 über den Schutzwiderstand 11 auf zwei galvanisch gekoppelte Transistoren 12 und
13. Während des Impulses schaltet Transistor 13, dessen Basis-Emitter-Strecke durch
die Diode 14 geschützt ist, die positive Versorgungsspannung auf die Wicklung 6,
die nur aus einer Windung besteht; in die hochohmige Ringleitung wird dadurch eine
Spannung induziert, die wegen der unvermeidlichen Streuinduktivität des Kernes 4
etwa 50 % der Versorgungsspannung erreicht und damit einen ausreichenden Störabstand
besitzt.
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Um eventuell störende Spannungspitzen von der Speisespannungsleitung
fernzuhalten, kann die RC-Beschaltung 15 vorgesehen werden.
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5. Senderschaltung Die Schaltung der Leistungs-, Rückmelde- und Systemüberwachungs-Stufe
des Senders ist in Bild 5 gezeigt. Der Treiber 16 im Leistungsteil A steuert die
beiden als Spannungsfolger wirkenden Darlington-Trans istoren 17, die den Anfang
der Ringleitung 1 entweder an die positive Versorgungsspannung legen oder an den
Schaltungsnullpunkt; im letzteren Fall wirkt der Treiber 16 als Freilaufdiode. Widerstand
18 verhindert eine Überlastung des Treibers, Zenerdiode 19 und Diode 20 dienen dem
Scnutz vor in die Ringleitung eingekoppelten Spannungsspitzen.
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Die von den Empfängern bei der Rückmeldung induzierten Impulse werden
zur sicheren Erkennung im Rückmeldeteil B verstärkt, der ebenfall am Anfang der
Ringleitung 1 angeschlossen ist. Die beiden Transistoren 21 und 22, deren Basis-Emitter-Strecken
durch die Dioden 23 und 24 vor Überspannungen aus der Ringleitung geschützt werden,
sind galvanisch mit ihr verbunden. Durch die, starke Gegenkopplung über die Widerstände
25 und 26 wird eine definierte Verstärkung bei hohem Eingangswiderstand erreicht.
Kondensator 27 unterstützt den Abbau der Basis-Überschuß-Ladungen und erhöht dadurch
die Übertragungs-Grenzfrequenz. Widerstand 28 legt den Arbeitspunkt fest, so daß
der nachgeschaltete Inverter 29 der C-MOS-Serie richtig angesteuert wird.
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die Ausgangsimpulse des Inverters 29 sind zur direkten Weiterverarbeitung
in der Logikschaltung bereit.
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Die Systemüberwachungs-Stufe, Teil C ist am Ende der Ringleitung ähnlich
wie ein Empfänger über Ringkern angeschlossen. Der variable Widerstand 30 gestattet
die Anpassung an verschiedene Induktivitäten der Ringleitung; Diode 31 ergibt zusammen
mit Diode 20 einen Kurzschluß der Ringleitung für die negative Stromrichtung, um
induzierte Störspannungen stark zu dämpfen. Kondensator 7 hat die bereits bei den
Empfängern beschriebene Aufgabe.
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Die Kombination der Diode 32 und der Widerstände 33, 34 und 35 sorgt
zusammen mit d Eingangskapazität des Inverters 36 dafür, daß dessen Ausgang konstant
logisch "O" ist9 wenn die Sendesttife A Impulse abgibt, und crst nach Ende des Impulstelegramms
den Logikpegel "1" annimmt. Die an Inverter 36 angeschlossene Schaltung überacht
den stete Wechsel zwischen Impuiskette und -pause, die für die Rückmeldung zur Verfügung
steht. Die RC-Kombination 37 ist dabei auf die längste Dauer der Impulskette, die
RC-Kombination 38 auf die längste vorkommende pausendauer eingestellt. Bei stetem
Wechsel liegen beide Eingänge des Gatters 39 auf logisch. "1"; überschreiten Impulskette
oder Pause den zugelassenen Maximalwert, so geht der Ausgang von Gatter 39 auf logisch.
"1" und zeigt damit an, daß Sender oder Ringleitung, also das System ausgefallen
ist.
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Dies ist z.B. möglich, wenn die Ringleitung Schluß gegen Masse oder
Speisespannung hat oder-unterbrochen ist.
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6. Montage Voraussetzung für eine einfache Montage ist die Verwendung
von zwei Ringkernhälften. Eine Kernhälfte ist mit der Empfänger-Schaltung fest verbunden
und trägt die beiden Wicklungen 5 und 6; sie wird zweckmäßig mit der Empfängerschaltung
zu einem Block 40 vergossen, vgl. Bild 6. Die andere Ringkernhälfte ist in eine
plastisce oder thermo-plastische Kunststoffmasse41 so eingebettet, daß ei schmaler
Spalt 42 bleibt, in den die Ringleitung 1 bei der Moctage eingeschoben werden kann.
Durch Druck auf die mit P bezeichneten Stellen werden - evtl. bei gleichzeitiger
Erwärmung - die Ringhälften bleibend aufeinandergedrückt Im weitaus selteneren Fall
einer Demontage kann der Spalt 42 unter Zerstörung des Ringkernes erneut eingeschnitten
werden, so daß die Ringleitung herausgezogen werden kann, chne sie zu zerschneiden.
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Werden Sckalenlierne zur Ankopplung verwendet, so kann die Ringlcitung
1 entsprechend Bild 7 in eine Schalenhälfte eingelegt werden und anschließend die
andere Hälfte nach dem oben beschriebenen Verfahren aufgepreßt werden.
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Vorteile: 1. Die induktive Kopplung stellt eine dauerhafte Verbindung
und Informations-Übertragung sicher, da auf mechanische Kor.tnkte verzichtet wird.
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2. Da nur ein Ringkern je Empfänger für beide Ubertragungsrichtungen
benötigt wird, ist die Ankopplung einfach und billig.
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3. Eine einfache Verbindung der Empfänger mit der Ringleitung ist
auch nachträglich möglich, ohne die Ringleitung dabei zerschneiden oder die Isolation
beschädigen zu müssen.
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4e Eine wirksame Funktionsüberwachung des Systems ist möglich.
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/1/ D. Retzmann: InformationsÜbertragungssystem 1.
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Diplomarbeit D 131 am Inst. EE der THD /2/ A. Göckel: Informations-Übertragungssystem
II.
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Diplomarbeit D 151 am Inst. EE der THD /3/ 1<. Grctsch; Funktionsüberwachung
von Verbrauchern in einem Bordnetz. Erfindungsmeldung vom 5. 11. 75 Daten des ausgeführten
Systems: Sendefrequenz: 800 kHz Impulszeit 1,25 s Impulsaauer: 0,625 s Zyklusdauer:
10,24 ms max. Einschaltverzögerung: 10,24 ms Taktfrequenz. 12,5 kHz Rückmeldefrequenz:
130 kHz Verzögerung der Fehlermeldung im Empfänger: 122,9 ms