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Die Erfindung betrifft ein Bus- und Kommunikationssystem, das für die Übertragung eines gleichstromfreien Signals auf einem gemeinsamen Übertragungsmedium vorgesehen ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Bus- und Kommunikationssysteme bekannt, bei denen mehrere angeschlossene Knoten über ein gemeinsames Übertragungsmedium mit Signalen versorgt werden. Solche aus dem Stand der Technik bekannte Bussysteme verwenden Signale, die im Allgemeinen einen Gleichanteil enthalten, also keine gleichstromfreien beziehungsweise DC (directed current) – freien Signale darstellen. Beispielsweise wird in Fahrzeugen ein als FlexRay bekanntes Feldbussystem nach dem Standard ISO 17458 oder ein als Controller Area Network (CAN) bekanntes Feldbusssystem nach dem Standard ISO 11898 eingesetzt. Bei derartigen Bussystemen mit gemeinsamem Medium wird dieses Medium mittels eines Ohm'schen Widerstands terminiert, um Reflexionen elektrischer Signale auf dem Medium zu verhindern oder zu minimieren. Die Terminierung kann verteilt in verschiedenen, an das gemeinsame Übertragungsmedium angeschlossenen Endgeräten oder an einer zentralen Stelle, beispielsweise an einem Sternpunkt, erfolgen.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik als Switched Network bezeichnete Bus- und Kommunikationssysteme bekannt, bei denen eine physikalische Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen zwei Knoten hergestellt wird. Derartige Switched Network Systeme verwenden meist Signale, die keinen Gleichanteil enthalten, also DC – freie Signale darstellen. Beispielsweise wird in Fahrzeugen ein als 100BASE-T1 bekanntes Übertragungsverfahren für Punkt-zu-Punkt Verbindungen eingesetzt, welche über als Switches bezeichnete Netzwerkknoten ein Switched Network bilden. Insbesondere Kommunikationssysteme basierend auf dem Ethernet – Protokoll können als Switched Network aufgebaut sein. Durch die Verwendung DC – freier Signale ergibt sich bei Switched Network Systemen die Möglichkeit, ein Endgerät über die hergestellte physikalische Verbindung gleichzeitig mit elektrischer Leistung zu versorgen. Derartige Systeme sind im Stand der Technik als Power over Ethernet (PoE) oder auch als Power over DataLine (PoDL) Systeme bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Bus- und Kommunikationssystem für die Übertragung eines Datensignals und für die Versorgung mit elektrischer Energie über ein gemeinsames Übertragungsmedium anzugeben, das einen vereinfachten Aufbau des Übertragungsmediums ermöglicht und flexibler einsetzbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Bus- und Kommunikationssystem umfasst eine erste und eine zweite elektrische Übertragungsleitung, die zur Übertragung eines Signals und zur Übertragung elektrischer Energie zwischen mindestens zwei mittels dieser Übertragungsleitungen verbundener Knoten vorgesehen sind. Eine solche Datenleitung kann beispielsweise als differentielle Übertragungsleitung mit definierter Impedanz, beispielsweise mit einer Impedanz von 100 Ohm, ausgebildet sein. Mindestens ein Knoten ist als Terminierungsknoten ausgebildet und weist ein Terminierungsnetzwerk von Widerständen auf, das die Übertragungsleitungen miteinander sowie optional mit einer Bezugsmasse verbindet.
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Erfindungsgemäß ist das Datensignal als gleichstromfreies differenzielles Signal ausgebildet und wird über jeweils einen Entkopplungskondensator auf die Übertragungsleitungen übertragen. An dem mindestens einen Terminierungsknoten sind die Übertragungsleitungen über den jeweils einen Entkopplungskondensator zusätzlich mit dem Terminierungsnetzwerk von Widerständen verbunden.
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Mittels der Entkopplungskondensatoren werden Gleichströme, die andernfalls über das Terminierungsnetzwerk von Widerständen zwischen den Übertragungsleitungen sowie von einer Übertragungsleitung zur Bezugsmasse fließen könnten, blockiert, das Terminierungsnetzwerk ist also kapazitiv von den Übertragungsleitungen entkoppelt. Dadurch ist es möglich, an mindestens einem als Versorgungsknoten ausgebildeten Knoten in die Übertragungsleitungen Strom einzuspeisen, mit dem mindestens ein weiterer als Endgerät ausgebildeter versorgter Knoten versorgt werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Knoten als Versorgungsknoten und/oder mehrere Knoten als versorgte Knoten ausgebildet. Es ist ein Vorteil dieser Lösung gegenüber dem Stand der Technik, dass dadurch ein Ausfall eines Versorgungsknotens kompensiert werden kann und/oder dass mit einem Versorgungsknoten mehrere versorgte Knoten versorgt werden können.
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Durch die Ausbildung des Datensignals als gleichstromfreies differenzielles Signal ist es zugleich möglich, ein als Signalquelle und/oder Signalsenke ausbildbares Datenübertragungsmodul kapazitiv von den Übertragungsleitungen zu entkoppeln. Das Datenübertragungsmodul kann als sogenannter Transceiver als Signalquelle und Signalsenke ausgebildet sein.
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Die Übertragungsleitungen können damit sowohl für die Übertragung des Signals als auch für die Versorgung von Knoten verwendet werden, so dass eine Verlegung zusätzlicher Leitungen zur Versorgung von Endgeräten mit elektrischer Energie eingespart werden kann. Zugleich werden durch das Terminierungsnetzwerk von Widerständen störende Reflexionen des gleichstromfreien differenziellen Signals verhindert oder unterdrückt. Ferner kann das Terminierungsnetzwerk so ausgebildet werden, dass die Übertragungsleitungen symmetrisch mit der Bezugsmasse verbunden werden und somit Gleichtaktstörungen unterdrückt werden. Dadurch wird eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit der Übertragungsleitungen erzielt und die Flexibilität der Leitungsführung erhöht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 einen schematischen Schaltplan für den Anschluss eines als Versorgungsknoten ausgebildeten Knotens und
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2 einen schematischen Schaltplan für den Anschluss eines als Versorgungsknoten ausgebildeten Knotens eines Bus- und Kommunikationssystems Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen schematischen Schaltplan für ein Bus- und Kommunikationssystem zur Verbindung mehrerer Knoten 1, 2. Ein Knoten kann als Versorgungsknoten 1 ausgebildet sein, der elektrische Energie in das Bus- und Kommunikationssystem einspeist. Ein Knoten kann auch als Endgerät 2 ausgebildet sein, das über das Bus- und Kommunikationssystem mit elektrischer Energie versorgt wird. Zur Verbesserung der Ausfallsicherheit können zwei oder mehr Versorgungsknoten 1 vorgesehen sein, so dass beim Ausfall eines ersten Versorgungsknotens 1 die Versorgung der Endgeräte 2 am Bus- und Kommunikationssystem durch einen weiteren Versorgungsknoten 1 übernommen werden kann. Es können auch mehrere Versorgungsknoten 1 verbaut sein, wobei nur ein Versorgungsknoten 1 aktiviert ist und zur Versorgung verwendet wird.
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Ein Versorgungsknoten 1 weist mindestens einen ersten Ausgang 1.1 und einen zweiten Ausgang 1.2 auf und umfasst ein Datenübertragungsmodul 3. Der Versorgungsknoten 1 kann zudem weitere Ausgänge 1.1', 1.1'', 1.1''' sowie Ausgänge 1.2', 1.2'', 1.2''' aufweisen, die intern jeweils parallel zum ersten Ausgang 1.1 beziehungsweise parallel zum zweiten Ausgang 1.2 geschalten sind. Die Anzahl der Ausgänge 1.1, 1.1', 1.1'', 1.1''' unterliegt keiner Beschränkung.
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Jedes Endgerät 2 weist einen ersten Eingang 2.1 und einen zweiten Eingang 2.2 auf, die jeweils über eine erste Übertragungsleitung 4.1 und über eine zweite Übertragungsleitung 4.2 miteinander sowie mit dem ersten Ausgang 1.1 beziehungsweise dem zweiten Ausgang 1.2 des Versorgungsknotens 1 verbunden sind und mit einem Signal und optional mit elektrischer Energie versorgt werden. Auch Endgeräte 2 können mehrere Anschlüsse aufweisen, an denen weitere Endgeräte 2 und/oder Versorgungsknoten 1 angeschlossen werden können, um beispielsweise in der Art einer als Daisy Chain bekannten Topologie eine bessere Architekturauslegung des gesamten Netzwerks zu ermöglichen.
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Das Datenübertragungsmodul 3 im Versorgungsknoten 1 weist einen ersten Anschluss 3.1 und einen zweiten Anschluss 3.2 auf, die über jeweils einen Abschlusswiderstand R1, R2 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstelle der beiden Abschlusswiderstände R1, R2 kann optional über einen Widerstand R3 mit der Bezugsmasse M verbunden sein. Alternativ zum Widerstand R3 oder in Parallelschaltung zum Widerstand R3 kann die Verbindungsstelle der beiden Abschlusswiderstände R1, R2 über einen Kondensator C3 mit der Bezugsmasse M verbunden sein. Das Datenübertragungsmodul 3 überträgt auf oder empfängt von den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 ein Signal ohne Gleichtaktanteil, daher kann der Gleichtaktpegel an der Verbindungsstelle der beiden Abschlusswiderstände R1, R2 über den Widerstand R3 und/oder den Kondensator C3 gegen die Bezugsmasse M abgeleitet werden.
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Der erste und zweite Anschluss 3.1, 3.2 des Datenübertragungsmoduls 3 sind jeweils über einen ersten und zweiten Entkopplungskondensator C.1, C.2 mit der ersten und zweiten Übertragungsleitung 4.1, 4.2 verbunden. Da das Datensignal gleichstromfrei ist, kann es kapazitiv in die Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 eingekoppelt oder von diesen ausgekoppelt werden, sofern die Kapazitäten der Entkopplungskondensatoren C.1, C.2 geeignet gewählt sind. Die Bestimmung geeigneter Kapazitäten in Abhängigkeit von den Eigenschaften des gleichstromfreien Signals ist aus dem Stand der Technik bekannt. Zusätzlich kann zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der Datensignalübertragung in die Anschlussleitungen des Datenübertragungsmoduls 3 ein Gleichtaktfilterelement verbaut werden. Ein Gleichtaktfilterelement ist beispielsweise als Gleichtaktdrossel aus dem Stand der Technik bekannt.
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Optional können ein erster Entstörwiderstand R4 parallel zum ersten Entkopplungskondensator C.1 und ein zweiter Entstörwiderstand R5 parallel zum zweiten Entkopplungskondensator C2. geschaltet sein. Mittels der Entstorwiderstände R4, R5 können elektrostatische Aufladungen der Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 über die Widerstände R1, R2 und R3 des Terminierungsnetzwerks an die Bezugsmasse M abgeleitet werden.
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Ein Versorgungsknoten 1 umfasst ferner ein Leistungsabgabemodul 5 zur elektrischen Versorgung der angeschlossenen Endgeräte 2. Das Leistungsabgabemodul 5 weist einen ersten und einen zweiten Ausgang 5.1, 5.2 auf, die über eine erste Induktivität L.1 beziehungsweise eine zweite Induktivität L.2 mit der ersten Übertragungsleitung 4.1 beziehungsweise mit der zweiten Übertragungsleitung 4.2 verbunden sind. Über die Induktivitäten L.1, L.2 wird ein Strom zur Versorgung der an den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 angeschlossenen Endgeräte 2 eingespeist. Bei Verwendung von mehreren Versorgungsknoten 1 können die Induktivitäten L.1, L.2 optional mit Dioden versehen werden, um bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen der Versorgungsknoten 1 Fehlströme zum Versorgungsmodul zu vermeiden. Durch Verwendung beispielsweise von Relais oder Transistoren in den Ausgängen 5.1, 5.2 kann bei Verwendung von mehreren Versorgungsknoten 1 ein einzelner Versorgungsknoten 1 aktiviert und somit zur Versorgung verwendet werden. In vorteilhafter Weise kann damit eine redundante Versorgung sichergestellt werden. Außerdem ist es möglich, eine Spannungs-Kontrolleinheit innerhalb eines Leistungsabgabemoduls eines nicht-aktiven Versorgungsknotens 1 einzusetzen, um die zwischen den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 anliegende Spannung zu überwachen und den Ausfall eines aktiven Versorgungsknotens 1 zu erkennen und einen anderen, redundanten Versorgungsknoten 1 zur Spannungsversorgung zu aktivieren.
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Mittels der Entkopplungskondensatoren C.1, C.2 werden Gleichströme zwischen den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 sowie Gleichströme von einer Übertragungsleitung 4.1, 4.2 nach der Bezugsmasse M blockiert, während das gleichtaktfreie differenzielle Signal zwischen dem Datenübertragungsmodul 3 und den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 übertragen wird. Bei Verwendung der zusätzlichen optionalen Widerstände R4, R5 sind diese ausreichend groß zu wählen, so dass der hierüber abfließende Gleichstrom vernachlässigbar gering bleibt. Dadurch ist sowohl die Stromversorgung für die Endgeräte 2 über die Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 als auch die Terminierung der Anschlüsse 3.1, 3.2 des Datenübertragungsmoduls 3 beziehungsweise der Enden der Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 zur Vermeidung von Signalreflexionen möglich. In vorteilhafter Weise können zusätzliche Leitungen zur Stromversorgung eingespart werden.
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Mittels der Abschlusswiderstände R1, R2 und optional mittels des Widerstands R3 werden die Anschlüsse 3.1, 3.2 des Datenübertragungsmoduls 3 beziehungsweise die Enden der Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 terminiert und somit störende Signalreflexionen vermieden. Für eine Gleichtaktterminierung sind die Abschlusswiderstände R1, R2 symmetrisch, also gleich groß gewählt. Die Reihenschaltung der Abschlusswiderstände R1, R2 zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 3.1, 3.2 bewirkt die Gegentaktterminierung, sofern diese nicht im Datenübertragungsmodul 3 enthalten ist. Entsprechend muss bei einer im Datenübertragungsmodul 3 enthaltenen Gleichtaktterminierung der Wert der Abschlusswiderstände R1, R2 so gewählt werden, dass die Gleichtaktterminierung im Datenübertragungsmodul 3 nicht unzulässig beeinflusst wird. Zudem verhindern beziehungsweise verringern die Widerstände R1, R2 störende Reflexionen eines differenziellen gleichstromfreien Signals, das von den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 über die Entkopplungskondensatoren C.1, C.2 eingekoppelt wird. Die Abschlusswiderstände R1, R2 sind so gewählt, dass der Widerstandswert der Reihenschaltung der Abschlusswiderstände R1, R2 dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 entspricht. Für eine Terminierung an nur einem Knoten 1, 2 ohne zusätzliche Gleichtaktterminierung im Datenübertragungsmodul 3 weist die Reihenschaltung der Abschlusswiderstände R1, R2 typischerweise einen Widerstandswert von 100 Ohm auf.
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Ferner ist über den Widerstand R3 eine Verbindung nach der Bezugsmasse M hergestellt. In einer beispielhaften Beschaltung können die Abschlusswiderstände R1, R2 zu je 50 Ohm und der Widerstand R3 zu 275 Ohm gewählt werden. Dadurch wird erreicht, dass der Gleichtaktanteil, der an der Verbindung zwischen den symmetrischen Abschlusswiderständen R1, R2 abgegriffen wird, über den Widerstand R3 auf die Bezugsmasse M gebracht wird. In vorteilhafter Weise kann damit die elektromagnetische Verträglichkeit des Bus- und Kommunikationssystems verbessert werden.
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Zudem können bei dieser Form der Beschaltung die Entstörwiderstände R4, R5 zu je 100 Kiloohm gewählt werden. Damit kann in vorteilhafter Weise eine statische Aufladung der Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 vermieden werden.
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Ist eine Gleichtaktterminierung nicht erforderlich, so bleibt in einer anderen beispielhaften Beschaltung der Widerstand R3 offen, während der Widerstandswert von 50 Ohm für die beiden Abschlusswiderstände R1, R2 beibehalten wird. Die Entstörwiderstände R4, R5 können in dieser anderen beispielhaften Beschaltung entfallen beziehungsweise offen bleiben.
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Ein erfindungsgemäßes Bus- und Kommunikationssystem kann durch einen einzigen Versorgungsknoten 1 mit einem Terminierungsnetzwerk aus den Widerständen R1, R2, R3, das über Entkopplungskondensatoren C.1, C.2 kapazitiv entkoppelt von den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 ist, terminiert werden. Beispielsweise kann ein solcher Versorgungsknoten als Sternpunkt in einem Bus- und Kommunikationssystem mit Sterntopologie angeordnet sein. Es ist auch möglich, einen Versorgungsknoten 1 als passiven Terminierungsknoten dadurch auszubilden, dass das Leistungsabgabemodul 5 und das Datenübertragungsmodul 3 weggelassen werden. Ein solcher passiver Terminierungsknoten kann ebenso als passiver Sternpunkt in einem Bus- und Kommunikationssystem mit Sterntopologie angeordnet sein.
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Die in 1 dargestellte Prinzipschaltung für die Terminierung eines Versorgungsknotens 1 kann ferner auf die Schaltung innerhalb eines Endgeräts 2 übertragen werden. Wie in 2 dargestellt, wird dabei lediglich das Leistungsabgabemodul 5 des Versorgungsknotens 1 durch ein Leistungsentnahmemodul 6 des Endgeräts 2 ersetzt. Das Leistungsentnahmemodul 6 entnimmt elektrische Leistung zur Versorgung des Endgeräts 2, die von mindestens einem Leistungsabgabemodul 5 eines Versorgungsknotens 1 am gleichen Bus- und Kommunikationssystem geliefert wird. Hierzu wird jeweils ein Eingang 6.1, 6.2 des Leistungsentnahmemoduls 6 über eine Induktivität L.1, L.2 mit einer Übertragungsleitung 4.1, 4.2 gekoppelt. Die übrige Funktionsweise entspricht der Funktionsweise eines Versorgungsknotens 1 nach der 1. Insbesondere blockieren auch hier die Entkopplungskondensatoren C.1, C.2 das Abfließen eines Gleichstroms aus den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 über das von den Widerständen R1, R2, R3 gebildete Terminierungsnetzwerk.
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Somit kann sowohl die Gleichtaktterminierung als auch die Gegentaktterminierung auf mehrere an die Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 angeschlossene Knoten 1, 2 verteilt werden. Beispielsweise kann eine Gegentaktterminierung auf zwei Knoten 1, 2 verteilt sein, wobei die Widerstandswerte identisch für die Abschlusswiderstände R1, R2 jeweils zu 100 Ohm, für den Widerstand R3 zu 200 Ohm und für die Entstörwiderstände R4, R5 jeweils zu 100 Kiloohm gewählt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Gleichtaktterminierung auf mindestens einem Knoten 1, 2 dadurch bewirkt werden, dass die Abschlusswiderstände R1, R2 jeweils zu 600 Ohm und die Entstörwiderstände R4, R5 zu 100 Kiloohm gewählt werden und der Widerstand R3 kurzgeschlossen, also zu 0 Ohm gewählt wird. Eine Anpassung der differentiellen Impedanz kann jeweils durch einen zusätzlichen, nicht näher dargestellten differentiellen Terminierungswiderstand innerhalb des Datenübertragungsmoduls erreicht werden, der gemeinsam mit den Widerständen R1, R2 einen impedanzrichtigen differentiellen Abschluss bildet.
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Ebenso sind Beschaltungen möglich, bei denen sowohl eine Gegentaktterminierung als auch eine Gleichtaktterminierung auf mehreren Knoten 1, 2 verteilt angeordnet wird. Beispielsweise können auf vier Knoten 1, 2 jeweils die Abschlusswiderstände R1, R2 zu 600 Ohm und die Entstörwiderstände R4, R5 zu 100 Kiloohm gewählt werden und der Widerstand R3 kurzgeschlossen, also zu 0 Ohm gewählt werden und auf einem weiteren Knoten 1, 2 die Abschlusswiderstände R1, R2 zu 60 Ohm und die Entstörwiderstände R4, R5 zu 100 Kiloohm gewählt werden und der Widerstand R3 zu 270 Ohm gewählt werden. In vorteilhafter Weise kann dadurch sowohl die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden als auch die Reflexion differenzieller Signale auf den Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 unterdrückt werden.
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Ferner ist es möglich, mehrere, beispielsweise 12 in einem Bus- und Kommunikationssystem angeordnete Knoten 1, 2 mit einer Widerstandsbeschaltung zur Gleichtaktterminierung zu versehen, wobei jeweils die Abschlusswiderstände R1, R2 zu 600 Ohm und die Entstörwiderstände R4, R5 zu 100 Kiloohm gewählt werden und der Widerstand R3 kurzgeschlossen, also zu 0 Ohm gewählt wird. In vorteilhafter Weise wird damit eine besonders hohe elektromagnetische Verträglichkeit erzielt und somit die Möglichkeit einer flexiblen Verlegung der Übertragungsleitungen 4.1, 4.2 gewonnen.
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In Ausführungen der Erfindung ist es auch möglich, einen Versorgungsknoten 1 und/oder ein Endgerät 2 mit einem Leistungsabgabemodul 5 und mit einem Leistungsentnahmemodul 6 zu versehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Versorgungsknoten, Knoten
- 1.1, 1.1', 1.1'', 1.1'''
- erster Ausgang
- 1.2, 1.2', 1.2'', 1.2'''
- zweiter Ausgang
- 2
- Endgerät, Knoten
- 2.1, 2.2
- erster, zweiter Eingang
- 3
- Datenübertragungsmodul
- 3.1, 3.2
- erster, zweiter Anschluss
- 4.1, 4.2
- erste, zweite Übertragungsleitung
- 5
- Leistungsabgabemodul
- 5.1, 5.2
- erster, zweiter Ausgang
- 6
- Leistungsentnahmemodul
- 6.1, 6.2
- Eingang
- C.1, C.2
- erster, zweiter Entkopplungskondensator
- C3
- Kondensator
- L.1, L.2
- erste, zweite Induktivität
- M
- Bezugsmasse
- R1, R2
- erster, zweiter Abschlusswiderstand, Widerstand
- R3
- Widerstand
- R4, R5
- erster, zweiter Entstörwiderstand, Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard ISO 17458 [0002]
- Standard ISO 11898 [0002]