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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schutzvorrichtung
für Bussysteme,
insbesondere Bussysteme in Zweidrahtausführung.
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Derartige
Bussysteme bestehen aus einem Steuergerät mit einer mehradrigen Leitung,
hier insbesondere in Zweidrahtausführung, an welche Geräte, zum
Beispiel bis zu 30 Stück,
mit unterschiedlichen Funktionen aber mit einer einheitlichen Schnittstelle
angeschlossen sind. Bei einem Zweidraht-Bussystem wird die aus nur zwei Drähten bestehende
Leitung für
unterschiedliche Zwecke gleichzeitig verwendet. Über die Busleitung wird zum
Einen elektrische Energie zur Versorgung der angeschlossenen Geräte übertragen,
und zum Anderen dient die Busleitung zur Übertragung von Daten zu den
angeschlossenen Geräten
und von diesen zum Steuergerät.
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Ein
solches Bussystem kommt in unterschiedlichen Bereichen, wie beispielsweise
in der Fertigungsindustrie, im Haushalt, im Kraftfahrzeug uva. mehr,
zur Anwendung und ist dabei zahlreichen elektrischen und elektromagnetischen
Einwirkungen ausgesetzt. Diese Einwirkungen erzeugen im Bussystem
zum Beispiel so genannte Transienten, das heißt bestimmte elektrische Impulse
unterschiedlicher Amplitude und Frequenz, und können das Bussystem auf unterschiedliche
Weise beeinflussen, indem sie Störungen
und Ausfälle
verursachen.
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Zum
Schutz gegen diese Transienten werden zum Beispiel in jedem am Bus
angeschlossenen Gerät Dioden
eingesetzt, die diese Transienten kurzschließen und somit weitere Schäden an den
Geräten
verhindern. Im Fall von Einstrahlungen von hochfrequenten elektromagnetischen
Einwirkungen werden diese durch die Dioden demoduliert. Dadurch
entsteht auf der Busleitung eine Gleichspannung, die sich den Übertragungsspannungen
auf der Busleitung überlagert
und somit Störungen
auslösen
kann. Zur Verringerung dieses Effekts sind in jedem angeschlossenen
Gerät parallel
zu den Dioden Kondensatoren angeschlossen. Ihre Kapazität darf jedoch
einen bestimmten relativ geringen Wert nicht überschreiten, da diese Kapazität den Bus
mit jedem angeschlossenen Gerät
kapazitiv belastet. Somit wird der Frequenzbereich der abzuschwächenden Einstrahlungsstörungen beschränkt. Die
Entstörwirkung
eines solchen Kondensators durch seinen kapazitiven Widerstand,
der umgekehrt proportional zur Frequenz und zur Kapazität ist, setzt
daher erst bei hohen Frequenzen ein.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Schutzvorrichtung
weist gegenüber
den herkömmlichen
Ausführungen
den Vorteil auf, dass die Schutzvorrichtung an einer zentralen Stelle
im Bussystem angeordnet und an diesem angeschlossen ist, wobei der
Aufwand an Schutzbauteilen in jedem am Bus angeschlossenen Gerät verringert und
der Frequenzbereich der abzuschwächenden
Einstrahlungsstörungen
vergrößert ist.
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Die
Grundidee der Erfindung wird im Folgenden erläutert.
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Ein
Bussystem wird nur mit einer Schutzvorrichtung ausgerüstet, die
an einer zentralen Stelle angeschlossen ist. Der Schutz gegen Transienten
wird hierbei an zentraler Stelle für das Bussystem weiterhin gewährleistet.
Es ist nur noch eine zentrale Diode als Schutzbauteil gegen Transienten
erforderlich. Alle Kondensatoren, bzw. zumindest ein großer Teil
der Gesamtkapazität
wird an einer Stelle parallel zu der zentralen Diode konzentriert,
wobei ein Kondensator mit einer wesentlich größeren Kapazität verwendet
wird als bei einem dezentralen Aufbau möglich ist.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der bisherige
Aufwand erheblich reduziert wird und nur noch eine Diode erforderlich
ist, wobei gleichzeitig die Schutzwirkung beibehalten und der abzuschwächende Frequenzbereich
von Einstrahlstörungen
zu tieferen Frequenzen hin erweitert wird. Weiterhin wird die Kapazität eines
Kondensators in jedem angeschlossenen Gerät erheblich verkleinert, so
dass sich neben Baugrößenvorteilen
wirtschaftliche Vorteile ergeben.
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Auf
diese Weise ist es außerdem
vorteilhaft ermöglicht,
dass die Basiskapazität
des zentralen Kondensators unabhängig
von der Anzahl der angeschlossenen Geräte im Wesentlichen konstant
ist, das heißt, dass
der wirksame abzuschwächende
Frequenzbereich von der Anzahl der angeschlossenen Geräte im Vergleich
zum Stand der Technik unabhängiger
ist.
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Eine
erfindungsgemäße elektrische
Schutzvorrichtung für
Bussysteme, insbesondere in Zweidrahtausführung, mit einer Bussteuereinheit
und mit mindestens einem an einem Bus angeschlossenen Gerät, ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung an einer zentralen Stelle
am Bus angeordnet und mit diesem verbunden ist.
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In
bevorzugter Ausgestaltung weist das mindestens eine angeschlossene
Gerät eine
Geräteschutzeinrichtung
auf, wodurch sich vorteilhaft der abzuschwächende Frequenzbereich erweitert.
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Es
ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass die
Schutzvorrichtung mindestens eine Schutzdiode und einen Schutzkondensator
und die Geräteschutzeinrichtung
einen zweiten Kondensator aufweist, wobei die Kapazität des zweiten
Kondensators im Wesentlichen kleiner ist als die Kapazität des Schutzkondensators
der Schutzvorrichtung. Hierdurch ist eine große Basiskapazität an zentraler
Stelle im Bussystem angeordnet und eine Vielzahl an einzelnen Dioden
und Kondensatoren für
jedes einzelne angeschlossene Gerät entfällt, woraus sich ein wirtschaftlicher
Vorteil ergibt.
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Eine
weitere Ausführung
sieht vor, dass die Schutzvorrichtung in einem Busverteiler angeordnet
ist. Hierdurch wird der in dem Busverteilergerät vorhandene Bauraum vorteilhaft
ausgenutzt. Ein zusätzliches
Gehäuse
wird nicht benötigt.
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In
einer anderen Ausgestaltung, ist die Schutzvorrichtung in der Bussteuereinheit
angeordnet. Diese Ausführung
eignet sich vorteilhaft bei einem Bussystem ohne Busverteilergerät.
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Die
Schutzvorrichtung kann auch in einem einzelnen angeschlossenen Gerät angeordnet
sein, wodurch sich eine einfache vorteilhafte Nachrüstung von
bereits bestehenden Bussystemen, beispielsweise für eine Erweiterung
derselben ergibt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist die Diode der Schutzvorrichtung eine große Sperrschichtkapazität auf. Hierbei
wirkt die Sperrschichtkapazität
der Diode parallel zum zentralen Schutzkondensator, wodurch dieser
in seiner Kapazität
verringert werden kann.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und
der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Figur der Zeichnung
angegebenen Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigt dabei:
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1 ein
Blockschaltbild eines Bussystems in Zweidrahtausführung; und
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2 einen
jeweiligen schematischen Schaltplan von verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
einer Schutzvorrichtung für
das Bussystem nach 1.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In 1 ist
ein Blockschaltbild eines Bussystems nach dem Stand der Technik
dargestellt. Das Bussystem weist eine Bussteuereinheit 2 auf.
Die Bussteuereinheit 2 ist an den Bus 1 angeschlossen,
der im gezeigten Beispiel aus einer Zweidrahtleitung besteht. Eine
der beiden Leitungen des Bus 1 ist mit einer Masse 8 verbinden.
Die Bussteuereinheit 2 führt die Steuerung des Bussystems
in bekannter Weise aus und versorgt an dem am Bus 1 angeschlossene
Geräte 3, 3N mit
Spannung, überträgt Daten
zu ihnen und empfängt
von Geräten 3, 3N übertragene
Daten, bearbeitet und/oder leitet diese Daten an übergeordnete
Auswerteeinheiten weiter, was nicht gezeigt ist.
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An
dem Bus 1 sind weiterhin Geräte 3 bis 3N jeweils
mit zwei Leitungen angeschlossen. Das Gerät 3, 3N kann
unterschiedliche Funktionen aufweisen, wie zum Beispiel eine Sensorfunktion.
Es beinhaltet einen Geräteschaltkreis 4,
der mit den Busleitungen verbunden ist. Diese Verbindungsleitungen
verlaufen durch eine erste Geräteschutzeinrichtung 5.
In der Geräteschutzeinrichtung 5 sind
die Verbindungsleitungen mit einer Diode 6 jeweils verbinden,
der ein Kondensator parallel geschaltet ist.
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Die
Diode 6 ist mit ihrer Anode mit der Masse 8 der
Busleitungen verbunden und ist in Sperrrichtung angeschlossen. Der
Kondensator 7 weist eine Kapazität in der Größenordnung von ungefähr 330 pF
auf die in dieser Ausführung
nicht überschritten
werden sollte. Jedes Gerät 3, 3N ist
mit der ersten Geräteschutzeinrichtung 5 ausgerüstet.
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Auf
den Busleitungen vorhandene Transienten werden jeweils in den Geräten 3, 3N durch
die Dioden 6 kurzgeschlossen und somit verhindert. Eingestrahlte
Hochfrequenzspannungen auf den Busleitungen werden von der Diode 6 demoduliert
und überlagern
sich den auf den Busleitungen befindlichen Spannungen. Durch die
Kondensatoren 7 wird dieser Effekt verringert, ist jedoch
durch die Frequenzabhängigkeit
eines jeden Kondensators 7 und die geringe Kapazität auf einen
relativ hohen Frequenzbereich eingeschränkt.
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2 zeigt
einen jeweiligen schematischen Schaltplan von verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
einer Schutzvorrichtung 10 für das Bussystem nach 1.
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Die
Schutzvorrichtung 10 ist an einer zentralen Stelle des
Bussystems mit den Bisleitungen des Bus 1 verbunden. Diese
zentrale Stelle ist an einem beliebigen Installationsort des Bus 1 angeordnet.
Die Schutzvorrichtung 10 befindet sich in einem geeigneten
Gehäuse,
welches durch einen Kasten mit durchgezogener Linie symbolisiert
ist. Dieses Gehäuse
ist mit entsprechenden nicht dargestellten üblichen Anschlusseinrichtungen
für den
Bus 1 ausgerüstet.
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Hierbei
weist die Schutzvorrichtung 10 eine Schutzdiode 11 und
einen Schutzkondensator 12 auf, wobei die Kapazität des Schutzkondensators 12 ungefähr zehnmal
so groß ist
wie die des herkömmlichen
Kondensators 7 der ersten Geräteschutzeinrichtung 3 und
ungefähr
3,3 nF beträgt.
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In
dieser beispielhaften Darstellung ist nur ein angeschlossenes Gerät 3 gezeigt,
es können
selbstverständlich
mehr sein, wie in 1 angedeutet. Das Gerät 3 weist
in dieser Ausführung
eine zweite Geräteschutzeinrichtung
ohne Diode mit nur einem zweiten Kondensator 14 auf. Die
Kapazität
des zweiten Kondensators 14 liegt in einem Bereich von
etwa 120 pF, wodurch auch dessen Baugröße gegenüber dem Kondensator 7 verringert
ist.
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Der
Schutzkondensator 12 ist prinzipiell eine Konzentration
aller Kondensatoren, die in den Geräten 3, 3N bisher
angeordnet waren. Wie aus 1 ersichtlich
ist, sind durch den Anschluss der ersten Geräteschutzeinrichtungen 5 alle
Kondensatoren 7 parallel geschaltet. Durch diese Parallelschaltung
der Kondensatoren 7 ergibt sich eine Addition aller Kapazitätswerte
zusätzlich
zur Kapazität
der Busleitungen des Bus 1. Es ist hierbei verständlich,
dass die so gebildete Gesamtkapazität von der Anzahl der Geräte 3, 3N abhängt, die an
dem Bus 1 angeschlossen sind. Die Gesamtkapazität kann somit
unterschiedlich sein.
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Da
die Schutzvorrichtung 10 ständig am Bus 1 angeschlossen
ist, ist die Gesamtkapazität
mit dieser Basiskapazität
im Wesentlichen unabhängig
von der Anzahl der angeschlossenen Geräte 3, 3N.
Hier durch ergibt sich der Vorteil, dass der abzuschwächende Frequenzbereich
immer ein durch die Basiskapazität
festgelegter Bereich ist.
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In
der 2 sind außerdem
weitere Installationsorte der Schutzvorrichtung 10 gezeigt,
(10b).
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Ein
zentraler Einbauort ist mit dem Bezugszeichen 10a für die Schutzvorrichtung
in der Bussteuereinheit 2 dargestellt. Es ist hierbei möglich, diese
Ausführung
der Schutzvorrichtung 10a in die Bussteuereinheit 2 zu
integrieren, wodurch ein zusätzliches
Gehäuse
mit weiteren Anschlusseinrichtungen nicht notwendig ist.
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In
dem Fall, bei welchem das Bussystem einen Busverteiler 9 aufweist,
der weitere Busleitungen vom Bus 1 abzweigt, kann in diesem
die Schutzvorrichtung 10 angeordnet sein, was durch das
Bezugszeichen 10b bezeichnet ist. Hierbei kann mittels
des Busverteilers 9 ein bestehendes Bussystem erweitert
und gleichzeitig mit der Schutzvorrichtung 10b ausgerüstet werden,
die dann die zur Erweiterung gehörenden
Busleitungen entsprechend schützt.
Die an die erweiterten neuen Busleitungen angeschlossenen Geräte 3N (nicht
dargestellt) können
in der einfachen Ausführung
mit der zweiten Geräteschutzeinrichtung 13 ausgeführt sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern auf vielfältige
Art und Weise modifizierbar.
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So
ist es beispielsweise denkbar, dass die Schutzvorrichtung 10 auch
in einem Gerät 3, 3N angeordnet wird,
wobei diese Ausführung
jedoch nur einmal pro Bussystem erforderlich ist. Dieses kann zum
Beispiel dann der Fall sein, wenn kein Busverteiler oder kein weiterer
Installationsort vorhanden ist.
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Die
Schutzdiode 11 kann in einer Ausführungsform so ausgebildet sein,
dass ihre Sperrschichtkapazität
einen relativ hohen Wert aufweist. Dadurch ist eine Verringerung
der Kapazität
und somit der Baugröße des Schutzkondensators 12 möglich.
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