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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung zur
Betriebsspannungsversorgung von feldnahen Betriebsmitteln, die über
eine Stromschleife zwischen einem Feldgerät und eine ebenfalls
hieran angeschlossene Spannungsvorsorgungseinheit versorgt werden.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf industrielle
Automatisierungsanlagen der Verfahrenstechnik, der Automobilindustrie,
der Nahrungsmittelindustrie und dergleichen. Hier interessierende
industrielle Anlagen umfassen elektronisch ansteuerbare Geräte,
wie Ventile, Motoren, Sensorgeräte, welche über
ein Netzwerk miteinander und mit mindestens einer übergeordneten Steuerung
analog und/oder digital kommunizieren.
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HART
(Highway Adressable Remote Transducer) ist ein Beispiel für
ein standardisiertes weit verbreitetes Kommunikationssystem zum
Aufbau industrieller Feldbusse. Es ermöglicht die digitale
Kommunikation der hierin integrierten Geräte, welche als HART-Feldgeräte
bezeichnet werden, über den gemeinsamen Datenbus. HART
setzt dabei speziell auf den ebenfalls weit verbreiteten 0/4..20
mA-Standard zur Übertragung analoger Sensorsignale auf.
Der variable Bereich zwischen 4 und 20 mA repräsentiert den
Messwert oder Stellwert des Feldgeräts, während
der feste Grundstrom von 4 mA der elektrischen Versorgung dient.
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Unlängst
wurde von der HART-Standardisierungsorganisation ein neuer HART-Standard
festgelegt, welcher sich der drahtlosen Signalübertragung widmet.
Die hierbei verwendete Funkübertragung basiert auf dem
drahtlosen Kommunikationsstandard IEEE 802.15.4 und
verwendet TDMA als Übertragungsverfahren. Mit diesem neuen
drahtlosen HART-Standard ist es nun möglich, drahtlos kommunizierende
HART-Feldgeräte in einfacher Weise in bestehende Systeme
zu integrieren. Sollen drahtlos kommunizierende HART-Feldgeräte
mit in das System integriert werden, so müssen auch diese über den
HART-Bus mit der nötigen elektrischen Leistung versorgt
werden und kommunizieren intern drahtgebunden und drahtlos mit weiteren
drahtlos kommunizierenden HART-Feldgeräten oder Steuereinheiten.
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Aus
der
DE 10 2006
009 979 A1 geht eine gattungsgemäße elektronische
Einrichtung zur Betriebsspannungsversorgung von HART-Feldgeräten hervor.
Diese umfasst ein Funkmodul zur Umsetzung drahtgebundener Kommunikation
in eine drahtlose Kommunikation. Zur Minimierung des Energieverbrauchs
und damit zur Verlängerung der Lebensdauer eines integrierten
Energiespeichers ist eine Energiemanagementeinheit vorhanden, durch
welche das HART-Feldgerät zu vorgebaren Betriebszeiten
mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgbar ist.
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Nachteilhaft
bei dieser technischen Lösung ist, dass wegen der Betriebsspannungsversorgung per
Stromschleife abhängig vom Leistungsverbrauch des HART-Feldgeräts,
beispielsweise vom erzeugten Messwert des Sensors, über
die 0/4..20 mA-Leitung ein unterschiedlich starker Strom fließt.
Aufgrund von großen Leitungslängen von mehr als
100 m innerhalb großer Systeme ist der Spannungsabfall
der Busleitung deshalb unterschiedlich groß. Dieser Spannungsabfall
berechnet sich nach dem Ohm'schen Gesetz, wobei der Ohm'sche Widerstand
der Busleitung und der aktuelle Schleifenstrom eingehen. Die Betriebsspannung,
welche die Spannungsversorgungseinheit bereitstellt, teilt sich
auf die HART-Feldgeräte, den Spannungsabfall in der Busleitung
und auf die Spannung der zusätzlich vorgesehenen drahtlos
kommunizierenden HART-Feldgeräte auf. Oftmals reicht die
Versorgungsspannung nur gerade für ein einziges zusätzliches
Feldgerät bei limitierter Leitungslänge aus.
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Die
Maßnahme, nur zu vorgegebenen Betriebszeiten dem HART-Feldgerät
Betriebsenergie zuzuführen, welche dieses dann über
einen Energiespeicher bevorratet, bedeutet einen signifikanten zusätzlichen
technischen Aufwand. So ist beispielsweise die Lebensdauer des Energiespeichers
in Wartungsintervallen zu überprüfen. Der weitere
Vorschlag, durch die Energiemanagementeinheit die Betriebsenergie
des drahtlos kommunizierenden HART-Feldgeräts zu vorgebbaren
Ruhezeiten, zu welchen keine Kommunikation beabsichtigt ist, abzuschalten,
führt zu einer entsprechend eingeschränkten Verfügbarkeit
des gesamten Systems. Ferner kann nicht vorhergesagt werden, ob
Betriebszeiten mit geringer Leistungsaufnahme zum Laden des Energiespeichers
in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Ein
kontinuierlicher, von der Leistungsaufnahme des Signalgebers unabhängiger
Betrieb, ist demnach nicht möglich.
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Darüber
hinaus ist zwischen einem aktiven, den Strom der Schleife beeinflussenden
Signalgeber hoher Leistungsaufnahme (typ > 40..200 mW je nach Stromaufnahme) und
einem rein passiven Adapter niedriger Leistungsaufnahme (typ < 10 mW) zu unterscheiden,
wobei letzterer als feldnahes Betriebsmittel aus der Stromschleife
versorgt wird. Ferner wird davon ausgegangen dass eine bereits Installierte Stromschleife
aus Speisegerät, Leitung und Signalgeber immer eine genügend
große Reserve besitzt, so dass nachträglich noch
ein Adapter eingeschleift werden kann. Die Reserve ist aufgrund
des Spannungsabfalls auf der Leitung bei hohen Strömen
am kleinsten.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische
Einrichtung zur Betriebsspannungsversorgung für den Adapter
zu schaffen, die bei hohen Schleifenströmen den kleinstmöglichen
Spannungsabfall besitzt.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einer elektronischen Einrichtung gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Die rückbezogenen abhängigen
Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein schleifengespeistes
Betriebsmittel elektronische Regelmittel zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung an
den aktuellen Leistungsbedarf umfasst, welche die noch frei verfügbare
Energie der Schleife ausnutzen.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
insbesondere darin, dass diese auf einen vorhandenen Bus aufgesetzt
werden kann und dabei nach wie vor von diesem zusätzlich
zu dem bereits vorhandenen Feldgerät mit der notwendigen
Leistung versorgt werden kann. Insbesondere kann auch die in der
Regel höhere Leistungsaufnahme von drahtlos kommunizierenden
feldnahen Betriebsmitteln hierüber bedient werden. Dabei
ist die Spannung eine limitierende Größe, so dass
der Spannungsabfall möglichst klein ausfällt.
Die Erfindung gestattet somit eine dynamische Adaption der Betriebsspannung
eines Geräts an den aktuell auf dem Bus fließenden
Schleifenstrom.
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Die
erfindungsgemäßen Regelmittel zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung
werden vorzugsweise in denjenigen feldnahe Betriebsmitteln implementiert,
welche einen konstanten Leistungsverbrauch aufweisen. Aufgrund von
einem von der Spannung abhängigen Wirkungsgrad eines Feldgeräts
kann unter Umständen auch eine nichtlineare Beziehung bestehen.
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Es
ist jedoch auch denkbar, eine adaptive Betriebsspannungsanpassung
an schwankende Betriebsspannungen zu realisieren. Diese können
beispielsweise durch korrosionsbedingte Änderungen der
Zuleitungswiderstände entstehen. Andererseits können
sie beispielsweise bei schwankenden Kommunikationsfrequenzen auf
dem Bus erzeugt werden. Je nach Geschwindigkeit des industriellen
Prozesses werden derartige Kommunikationsfrequenzen gesetzt. Für
schnelle Prozesse erfolgt eine häufigere Kommunikation
zwischen den Feldgeräten als bei langsamen Prozessen, was
eine höhere Leistungsaufnahme für die drahtlose
Kommunikation zur Folge hat. Die Regelmittel der erfindungsgemäßen Lösung
kann sich auf derartige schwankende Bedingungen einstellen.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das feldnahe Betriebsmittel
weitere Messmittel zur Bestimmung von elektrischen Parametern der
Stromschleife. Dabei wird insbesondere der für den Signalgeber
mindestens erforderliche Spannungsabfall bestimmt und eine Unterschreitung
mit Hilfe der Regelmittel sicher verhindert. Auf diese Weise steht
immer die maximal mögliche Energie für den Adapter zur
Verfügung, ohne dass hierbei Kommunikation und/oder analoge
Signalübertragung unterbrochen werden müssen.
Der tatsächliche Spannungsabfall am Signalgeber wird hierbei
durch den Adapter in geeigneter Weise gemessen.
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Vorzugsweise
umfassen die erfindungsgemäßen Regelmittel zur
adaptiven Betriebsspannungsanpassung eine Stromsensoreinheit zum
Messen des aktuellen Schleifenstroms auf dem Bus. Die Größe
des Stroms auf der 0/4..20 mA Signalleitung ist dabei ein Maß für
den aktuellen Messwert. Der zeitliche Verlauf des Storms kann weitere
Informationen enthalten, beispielsweise ein digitales Bus-Signal,
welches herausgefiltert zur weitere Verarbeitung an eine nachgeschaltete
Auswerteeinheit gegeben wird. Der mit dem Messmittel erfasste aktuelle
Messwert wird zur Bestimmmung der noch frei verfügbaren
Energie herangezogen.
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Darüber
hinaus wird vorgeschlagen, dass weitere Parameter/Grenzwerte zur
Berechnung der noch frei verfügbaren Energie kundenseitig
vorgebbar sind.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dieser Stromsensoreinheit im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelmittel
eine Filtereinheit zur Trennung des für die Betriebsspannungsanpassung
verwendete Nutzsignals im niedrigen Frequenzbereich vom Kommunikationssignal
im hohen Frequenzbereich nachzuschalten. Durch diese optionale Filterung
wird die Kommunikation nicht verschlechtert, da keine Spannungsadaption
im für die kommunikationsrelevanten Frequenzbereiche erfolgt.
Auf eine solche Filtereinheit kann eventuell verzichtet werden,
falls die Kommunikation so robust ist, dass eine Störung
aufgrund der Spannungsadaption vertretbar ist.
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Der
Stromsensoreinheit oder – wenn vorhanden – der
nachgeschalteten Filtereinheit wird gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme eine Spannungsvorgabeeinheit
nachgeschaltet, welche ausgehend vom aktuellen Schleifenstrom den
Wert für die Betriebsspannung UB festlegt.
Hierdurch wird vorzugsweise basierend auf dem zuvor gefilterten
Signal, welches dem gefilterten Strom entspricht, eine Spannung
nach Maßgabe der vorgegebenen Betriebskurve bestimmt. Diese
Betriebskurve ergibt sich aus Randbedingungen, wie maximaler Leistungsverbrauch
und minimale Betriebsspannung, wird dementsprechend festgelegt und
in der Spannungsvorgabeeinheit abgespeichert hinterlegt. Eine Adaption
dieser Betriebskurve basierend auf weiteren Größen,
wie Umgebungstemperatur, Bauteiltoleranzen der elektronischen Bauteile,
Sicherheitszuschläge zur Erhöhung der Betriebssicherheit des
Systems sowie aktueller Leistungsverbrauch kann ggf. vorgenommen
werden.
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Schließlich
können die Regelmittel eine der Spannungsvorgabeeinheit
nachgeschaltete Spannungsregeleinheit als Stellglied zur Einstellung
der Betriebsspannung UB für das Feldgerät umfassen.
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Die
Spannungsvorgabeeinheit stellt den Spannungsabfall zwischen einem
positiven und negativen Bereich nach Maßgabe der vorgegebenen Differenz
ein.
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Vorteilhafterweise
wird damit in reservearmen Netzen die Funktion des Feldgeräts
unabhängig von der Anwesenheit optionaler feldnaher Betriebsmittel
ungestört aufrechterhalten. Dazu werden optionale Dienste,
die mit dem feldnahen Betriebsmittel zur Verfügung gestellt
werden, lediglich temporär eingeschränkt.
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Darüber
hinaus ist von Vorteil, dass bestehende Netzwerke ohne Eingriff
in die Feldgeräte durch feldnahe Betriebsmittel nachträglich
funktional erweiterbar sind.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Bussystems mit einem Feldgerät
und einem feldnahen Betriebsmittel,
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2 eine
Blockschaltbilddarstellung einer elektronischen Einrichtung zur
Betriebsspannungsversorgung des feldnahen Betriebsmittels nach der 1,
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Gemäß 1 sind
exemplarisch ein Feldgerät 1 und ein feldnahes
Betriebsmittel 2 über einen Bus 3 nach
Art einer Stromschleife an eine Spannungsversorgungseinheit 4 angeschlossen.
Nur das Feldgerät 1 kann den Strom der Schleife
beeinflussen. Das Feldgerät 1 und das feldnahe
Betriebsmittel 2 sind dabei ausgebildet, über
die Stromschleife mit dem Bus zu kommunizieren. Die Stromschleife
ist als 0/4..20 mA Stromschleife ausgebildet, bei der eine Stromstärke
von 4 mA zur Speisung des Feldgeräts 1 reserviert
ist und 0..16 mA für die analoge Signalübertragung
vorgesehen sind.
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Zur
Veranschaulichung des Leitungswiderstandes ist in die Stromschleife
ein Ersatzwiderstand 5 eingefügt. Während
in diesem Ausführungsbeispiel das Feldgerät 1 ein
Durchflussmessgerät einer verfahrenstechnischen Anlage
darstellt, repräsentiert das feldnahe Betriebsmittel 2 einen
Adapter, dessen Daten drahtlos über eine integrierte Funkeinheit 6 bidirektional übertragen
werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform kann das feldnahe Betriebsmittel 2 als
Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein, die zur visuellen Ausgabe der
mit Hilfe des Feldgeräts 1 ermittelten Messwerts
geeignet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann das feldnahe Betriebsmittel 2 als
Diagnoseeinrichtung ausgebildet sein, die die Betriebsfähigkeit
des Feldgeräts 1 überwacht.
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Die
zur Erfüllung der Funktionen des Feldgeräts 1 und
des feldnahen Betriebsmittels 2 erforderliche elektrische
Energie wird über den Bus 3 übertragen.
Hierbei kommt es zu einem Spannungsabfall über das Feldgerät 1 und
das feldnahe Betriebsmittel 2 sowie der Spannungsversorgungseinheit 4.
Weiterhin reduziert die Leitungslänge des Busses 3,
verdeutlicht über den Ersatzwiderstand 5, die
Betriebsspannung.
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Damit
teilt sich die Betriebsspannung, welche von der Spannungsversorgungseinheit 4 bereitzustellen
ist auf, auf die vorgenannten Verbraucher. Je nach in der Regel
schwankendem Leistungsbedarf des Feldgeräts 1 zur
analogen Signalübertragung fließt ein unterschiedlich
starker Schleifenstrom auf dem Bus 3.
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Zur
adaptiven Betriebsspannungsanpassung an den aktuellen Leistungsbedarf
umfasst in diesem Ausführungsbeispiel das drahtlos kommunizierende
feldnahe Betriebsmittel 2 Regelmittel, welche bei hohem
Schleifenstrom auf dem Bus 3 die Betriebsspannung UW des feldnahen Betriebsmittels 2 proportional
absenkt.
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Gemäß 2 umfassen
die Regelmittel eine Stromsensoreinheit 7 zum Messen des
aktuellen Schleifenstroms auf dem Bus 3. Dieser ist eine
Filtereinheit 8 nachgeschaltet. Die Filtereinheit 8 dient
der Trennung des für die Betriebsspannungsanpassung verwendeten
Nutzsignals im niedrigen Frequenzbereich vom Kommunikationssignal
im hohen Frequenzbereich. Das Kommunikationssignal wird über eine
weitere Filtereinheit 9 einer Steuereinheit 10 zur weiteren
Signalverarbeitung zugeführt. Der Filtereinheit 8 ist
eine Spannungsregeleinheit 12 zur Einstellung der Betriebsspannung
Uw für das feldnahe Betriebsmittel 2 nachgeschaltet,
welche ausgehend vom aktuellen Schleifenstrom den Wert für
die Betriebsspannung Uw festlegt.
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Im
Rahmen der Regelmittel ist ferner ein Gleichstromkonverter 13 sowie
eine in den Bus 3 integrierte Modulatoreinheit 14 vorgesehen,
welche eingangsseitig von der Steuereinheit 10 mit Nutzdaten
versorgt wird und diese auf den Bus 3 aufmoduliert.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform verfügt das feldnahe
Betriebsmittel 2 über eine eigene Messeinheit,
mit der weitere Messgrößen erfasst werden können.
Dazu gehören neben dem Schleifenstrom insbesondere der
jeweilige Spannungsabfall an dem Feldgerät 1 sowie
vom Feldgerät 1 selbst unabhängige Prozeßgrößen,
wie Durchfluß, Temperatur oder Druck, die vom Feldgerät 1 aufgenommen
werden.
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Mit
zunehmendem Schleifenstrom nimmt die frei verfügbare Energie
der Schleife ab. Bei maximalem Schleifenstrom von 20 mA ist die
frei verfügbare Energie der Schleife im Rahmen der verfügbaren
Reserve minimal.
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Unter
konstanten Leistungsvoraussetzungen wird basierend auf dem gemessenen
Schleifenstrom und den Anforderungen der eingesetzten Bauteile sowie
der Spezifikation die Betriebsspannung Uw des angeschlossenen
feldnahen Betriebsmittels 2 so geregelt, dass dieses zu
jedem Zeitpunkt so klein wie möglich ist. Ist das Feldgerät
drahtlos kommunizierend, so setzt sich die Betriebsspannung zusammen aus
der minimalen Eingangsspannung des Wechselstromkonverters, des Leitungsbedarfs
für die Elektronik zur Erzeugung des Nutzsignals, des Wirkungsgrades
sowie der Amplitude des Modulationssignals. Die hinterlegte Funktion
ermöglicht gemäß den genannten Bedingungen,
dass die Betriebsspannung Uw automatisch
zur Erzielung einer minimalen Eingangsspannung gesenkt wird.
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Bei
stark schwankenden Leistungsvoraussetzungen ist die Ausnutzung des
maximal noch verfügbaren Spannungsabfalls zu bevorzugen.
Hierbei wird die Betriebsspannung so geregelt, dass die für das
Feldgerät 1 mindestens erforderliche Betriebsspannung
nie unterschritten wird. Bei hoher Reserve in der Schleife kann
eine höhere Energie bereitgestellt werden. Die verfügbare
Reserve ist jedoch abhängig vom Schleifenstrom und dem
Leitungswiderstand.
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Besonders
vorteilhaft ist die Kombination der Verfahren bei konstanten und
schwankenden Leistungsvoraussetzungen, da hierbei bei gleichzeitiger Minimierung
des Eigenbedarfes das Maximum der noch verfügbaren Energie
genutzt werden kann.
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Für
alle Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das feldnahe
Betriebsmittel 2 im Inneren des Feldgeräts 1 untergebracht
ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das feldnahe Betriebsmittel 2 räumlich
unabhängig vom Feldgerät 1 in die Stromschleife
eingeschaltet ist.
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- 1
- Feldgerät
- 2
- feldnahes
Betriebsmittel
- 3
- Bus
- 4
- Spannungsversorgungseinheit
- 5
- Ersatzwiderstand
- 7
- Stromsensoreinheit
- 8
- Filtereinheit
- 9
- Filtereinheit
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Spannungsregeleinheit
- 13
- Wechselstromkonverter
- 14
- Modulatoreinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006009979
A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Kommunikationsstandard
IEEE 802.15.4 [0004]