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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Signalübertragung an eine Elektronikbaueinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung und einem Kabelsatz für eine solche Vorrichtung.
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Im Kraftfahrzeugbereich werden die Anforderungen an die elektrischen und elektronischen Versorgungsleitungen aufgrund der Zunahme der Komfortfunktionen sowie der technischen Assistenzsysteme immer höher. Dies bedingt unter auch anderem eine Zunahme des Gewichts der eingesetzten Kabelsätze, die immer mehr Komponenten sowohl über Versorgungsleitungen als auch über Datenleitungen ins Bordnetz integrieren.
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Zum Zwecke der Reduzierung der Anzahl der Leitungen und damit auch zur Gewichtseinsparung werden heutzutage teilweise digitale Bussysteme für die Datenübertragung und Vernetzung der einzelnen Komponenten eingesetzt. Dies erlaubt die Reduzierung der Anzahl der Leitungen auf beispielsweise 4 Leitungen, nämlich beispielsweise 2 Leitungen für die Stromversorgung und 2 Leitungen für die Datenkommunikation.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Reduzierung der Anzahl der Leitungen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gemäß Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zur Signalübertragung an eine Elektronikbaueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung umfasst eine Signalleitung zur Übertragung eines Datensignals, die mit einem Signalanschluss der Elektronikbaueinheit verbunden ist. Mit Hilfe einer Schaltungsbaugruppe wird aus dem Datensignal Energie gewonnen, die für die Energieversorgung der Elektronikbaueinheit herangezogen wird.
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Mit dieser Ausgestaltung wird daher die für die Elektronikbaueinheit erforderliche Energie direkt aus dem Datensignal extrahiert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung, wodurch insgesamt die Anzahl der Leitungen reduziert werden kann.
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Unter Datensignal wird hierbei ein Signal verstanden, welches ausschließlich für die Übertragung von Informationen (Daten) vorgesehen ist. Digitale Datensignale nehmen 2 Signalpegel ein, die logische Nullen bzw. logische Einsen repräsentieren. Einer dieser Signalpegel ist dabei in der Regel durch das Bezugspotential, insbesondere Massepotential gebildet. Die Signalpegel werden auch als dominant für einen Signalpuls und rezessiv für den Basispegel bezeichnet.
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Derartige Datensignale weisen üblicherweise lediglich eine sehr geringe elektrische Leistung im Milliwatt-Bereich auf. Die Signalleistung, also der Signalstrom sowie die Signalspannung, ist dabei derart bemessen, dass eine sichere Übertragung der Informationen gewährleistet ist. Im Falle eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes entspricht die Signalspannung der Bordnetzspannung, bei herkommlichen Bordnetzen 12 Volt. Es handelt sich also vorliegend um ein reines Datensignal, und ist damit zu unterscheiden von auf eine Versorgungsspannung aufmodulierte Datensignale.
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Dieses beschriebene Konzept der Energieextraktion aus einem reinen Datensignal zur Energieversorgung der an die Datenleitung angeschlossenen Elektronikbaueinheit, geht hierbei von der Überlegung aus, dass das Datensignal selbst eine ausreichende Energie bereitstellt oder zumindest in weniger kritischen Zeiten, bei denen keine Informationsübermittlung erfolgt, eine Energieextraktion möglich ist, ohne die Übertragungssicherheit der Informationen zu gefährden. Gleichzeitig wird von der Überlegung ausgegangen, dass diese geringe Energiemenge für die Energieversorgung von energieoptimierten, dezentralen Elektronikbaueinheiten ausreichend ist. Dabei ist der Energiebedarf der Elektronikbaueinheit typischerweise viel kleiner als die Energie des Datensignals.
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Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird die für die Energieversorgung der Elektronikbaueinheit notwendige Energie vollständig aus dem Datensignal gewonnen. Es ist daher keine weitere Energieversorgung erforderlich und vorgesehen, so dass der Elektronikbaueinheit keine zusätzliche Versorgungsleitung zugeführt werden muss.
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Insbesondere ist hierzu vorgesehen, dass die für die Energiegewinnung vorgesehene Schaltungsbaugruppe parallel zur Elektronikbaueinheit in die Signalleitung geschaltet ist. Die Signalleitung ist als reine Datenleitung unmittelbar an dem für Signalübertragung vorgesehenen Anschluss der Elektronikbaueinheit angeschlossen. Es sind daher keine weiteren Baueinheiten erforderlich und vorzugsweise auch nicht vorgesehen, die das Signal vor der Elektronikbaueinheit in irgendeiner Art und Weise modifizieren oder aus einem aufmodulierten Signalverlauf extrahieren.
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Weiterhin ist in bevorzugter Ausgestaltung ein Versorgungsanschluss zur Energieversorgung der Elektronikbaueinheit mit der Schaltungsbaugruppe verbunden. Der übliche Anschluss der Elektronikbaueinheit für seine Energieversorgung ist daher von der Schaltungsbaugruppe belegt. Die Schaltungsbaugruppe ersetzt daher die ansonsten erforderliche separate Versorgungsleitung.
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Um eine ausreichende und bedarfsgerechte Energieversorgung zu gewährleisten, umfasst die Schaltungsbaugruppe zweckdienlicherweise einen Energiespeicher, in dem die aus dem Datensignal gewonnene Energie zumindest teilweise zwischengespeichert und bei Bedarf abgegeben wird. Als Energiespeicher wird insbesondere ein Kondensator eingesetzt.
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Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in einem Ruhezustand der rezessive Signalzustand (Basispegel) mit einem positiven Spannungspegel bezogen auf das Basispotential anliegt. Unter Ruhezustand wird dabei ein Zustand verstanden, bei dem keine Informationsübertragung erfolgt beziehungsweise bei dem zumindest Pausen zwischen den eigentlichen Informationspaketen anliegen. Während dieses Ruhestands ist daher keine negative Rückwirkung auf die Sicherheit der Signalübertragung zu befürchten. Zweckdienlicherweise ist daher vorgesehen, dass während dieses rezessiven Signalzustands die Energiegewinnung erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Energiegewinnung ausschließlich während eines Ruhezustands ohne Signalübertragung. Da der rezessive Signalzustand einen positiven Spannungspegel aufweist bietet dieser sich für die Energieextraktion besonders an.
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Zweckdienlicherweise umfasst die Elektronikbaueinheit einen Mikroprozessor und wahlweise ergänzend einen Sensor und/oder einen Aktor. Insgesamt handelt es sich bei der Elektronikeinheit um eine Einheit mit extrem geringem Stromverbrauch beispielsweise im Microampere-Bereich. Als Sensoren werden beispielsweise Temperatursensoren, Feuchtesensoren etc. eingesetzt. Aktuatoren können Taster oder Schalter sein. Der Mikroprozessor dient beispielsweise zur Aufbereitung und Weiterleitung der Signale dieser Sensoren oder Aktoren.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Mikroprozessor derart ausgebildet, dass er die Energiegewinnung aus dem Datensignal steuert. Das bedeutet, dass der Mikroprozessor bestimmt, zu welchen Zeiten und/oder welche Energiemenge dem Datensignal entzogen wird. Insbesondere wird über den Mikroprozessor der Ladevorgang des Energiespeichers gesteuert. Dies wird insbesondere bei der Übertragung von sensiblen Daten eingesetzt, um eine Energieextraktion zu unterbinden, um die Signalübertragung nicht zu stören.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird für die Signalübertragung ein Ein-Drahtbussystem, insbesondere der so genannte LIN-Bus (Local Interconnect Network) herangezogen. Der LIN-Bus wird insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt und definiert ein serielles Kommunikationssystem. Bei einem derartigen System, also der Kombination des LIN-Busses mit der Energiegewinnung aus dem Datensignal, erfolgt daher sowohl die Datenübertragung als auch die Stromversorgung lediglich über einen einzigen Leitungsdraht. Weitere Leitungen sind nicht erforderlich und insbesondere auch nicht vorgesehen. Die Verbindung zum Bezugspotential (Masse) erfolgt durch elektrische Kontaktierung mit der Karosserie.
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Die hier beschriebene Vorrichtung wird erfindungsgemäß vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit LIN-Bus eingesetzt. Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Kabelsatz insbesondere für ein solches Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei der Kabelsatz für eine derartige Vorrichtung zur Signalübertragung mit Energiegewinnung aus dem Datensignal ausgebildet ist. Insbesondere ist in dem Kabelsatz die Vorrichtung integriert. Bei dem Kabelsatz handelt es sich um eine vorgefertigte, vorkonfektionierte Baueinheit, die bereits die Elektronikbaueinheit sowie die Schaltungsbaugruppe zur Energiegewinnung aufweist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Kabelsatz neben der Datenleitung keine weitere Leitung zur Stromversorgung aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine schematische Blockbild-Darstellung einer Vorrichtung zur Signalübertragung mit einer Elektronikbaueinheit und einer Schaltungsbaugruppe zur Energiegewinnung aus dem Datensignal,
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2 eine zur 1 vergleichbare Darstellung mit einer beispielhaft und rudimentär dargestellten Elektronikbauteilen sowie
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3 ein beispielhafter Signalverlauf eines Datensignals.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zur Signalübertragung umfasst eine Signalleitung 2, die vorzugsweise Teil eines Eindraht-Bussystems, insbesondere des LIN-Busses ist. Die Signalleitung 2 ist mit einem Signalanschluss 4 einer in der Ausführungsvariante als Mikroprozessor 6 ausgebildeten Elektronikbaueinheit elektrisch (galvanisch) verbunden. Neben dem Signalanschluss 4 weist der Mikroprozessor 6 einen Masseanschluss 8 sowie einen Versorgungsanschluss 10 auf. Der Masseanschluss 8 ist mit einem Bezugspotential, insbesondere Masse verbunden. Insbesondere ist der Masseanschluss 8 hierbei im eingebauten Zustand mit einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs verbunden.
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Parallel zum Mikroprozessor 6 ist eine Schaltungsbaugruppe 12 angeordnet, die zur Gewinnung von Energie aus einem Datensignal D ausgebildet ist, das über die Signalleitung 2 übertragen wird. Die gewonnene Energie wird zur ausschließlichen Energieversorgung des Mikroprozessors 6 herangezogen. Hierzu ist die Schaltungsbaugruppe 12 mit dem Versorgungsanschluss 10 des Mikroprozessors 6 verbunden. Keine weitere Versorgungsleitung ist vorgesehen. Bei dem Mikroprozessor 6 oder allgemein bei der Elektronikbaueinheit handelt es sich um eine Elektronikbaueinheit mit geringstem Stromverbrauch, insbesondere im Nanowatt-Bereich.
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Die Schaltungsbaugruppe 12 umfasst als logische Einheiten ein Bauteil 14, oder auch eine Bauteilgruppe, die zur Energieextraktion aus dem Datensignal D ausgebildet ist. Hierzu ist beispielsweise eine Gleichrichter- oder Strombegrenzerschaltung vorgesehen.
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Als zweite logische Baueinheit ist ein Energiespeicher 16 vorgesehen, in dem die aus dem Datensignal D gewonnene Energie zwischengespeichert wird. Bei diesem handelt es sich – wie aus 2 hervorgeht – insbesondere um einen Kondensator 18. Diesem ist zur Signalleitung 2 hin eine Sperrdiode 20 vorgeschaltet. Zwischen Kondensator 18 und Sperrdiode 20 greift das beispielsweise als Spannungsregler ausgebildete Bauteil 14 den Strom- und Spannungswert des Datensignals D ab. Das Bauteil 14 wiederum ist für den Versorgungsanschluss 10 verbunden.
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In 3 ist ein typischer Verlauf eines Datensignals D dargestellt. Wie zu erkennen, nimmt das digitale Datensignal 2 Signalzustände ein, nämlich einen so genannten Rezessivzustand, der einen Basispegel ohne Signalpuls definiert Im Ausführungsbeispiel ist dieser Signalzustand, wie beispielsweise beim bekannten CAN-Bus sowie beim LIN-Bus positiv und wird über die Batteriespannung des Fahrzeuges, im Ausführungsbeispiel 12 Volt bereitgestellt. Der zweite, als dominant bezeichnete Signalzustand ist im Ausführungsbeispiel durch das Bezugspotential (Masse) gegeben. Ausgehend vom rezessiven Basispegel wird ein jeweiliger Signalimpuls 22 durch ein Absinken der Spannung auf den dominanten Signalzustand (Masse) gebildet.
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Die Energiegewinnung aus diesem Datensignal erfolgt während der Rezessiv-Signalzustande und vorzugsweise ausschließlich während Ruhezuständen, also während Übertragungspausen innerhalb einer Signalfolge oder vor bzw. nach abgeschlossener Datenübertragung. Während der Datenübertragung selbst erfolgt die Energieversorgung des Mikroprozessors 6 zumindest unterstützend über den Energiespeicher 16, da während der Datenübertragung nur eine eingeschränkte Energiegewinnung möglich ist, um das Datensignal nicht zu beeinflussen.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ist zweckdienlicherweise in einem hier nicht mehr dargestellten Kabelsatz integriert, der insoweit eine vorkonfektionierte Montagebaueinheit bildet und zur Montage in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Zusätzlich ist vorzugsweise unmittelbar mit dem Mikroprozessor 6 auch noch ein Sensor oder Aktor als Teil der Elektronikbaueinheit verbunden.
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Die Datenübertragung erfolgt vorzugsweise gemäß den LIN-Busspezifikationen und es ist insbesondere nur eine Eindraht-Leitung zur Signalübertragung vorgesehen, aus der also auch die Energiegewinnung erfolgt.
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Durch die hier beschriebene Ausgestaltung ist daher über eine Eindraht-Anbindung einer aktiven Elektronikbaueinheit, mit Sensor und/oder Aktor sowohl eine Kommunikation mit einer zentralen Steuereinheit als auch zugleich die notwendige Energieversorgung für die Elektronikbaueinheit 6 gewährleistet.
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Neben der Reduzierung der erforderlichen Anzahl von Leitungsdrähten entfällt bei einer Eindraht-Leitung auch die Notwendigkeit eines zusätzlichen Mantelkabels und/oder einer Bandierung. Auch ist eine Abdichtung in einem Übergang von einem Nass- zu einem Trockenbereich wesentlich vereinfacht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Signalleitung
- 4
- Signalanschluss
- 6
- Mikroprozessor
- 8
- Masseanschluss
- 10
- Versorgungsanschluss
- 12
- Schaltungsbaugruppe
- 14
- Bauteil
- 16
- Energiespeicher
- 18
- Kondensator
- 20
- Sperrdiode
- 22
- Signalimpuls
- D
- Datensignal
