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Die ersten elektrischen Geräte zur telegraphischen Übertragung wurden in den USA von dem amerikanischen Erfinder Samuel F. B. Morse im Jahr 1837 und im selben Jahr in Großbritannien von dem britischen Physiker Sir Charles Wheatstone in Zusammenarbeit mit dem britischen Ingenieur Sir William F. Cooke entworfen. Mit dem Morse-Code übertrug man Nachrichten in Form von elektrischen Impulsen. Morses Apparat ähnelte einem einfachen elektrischen Schalter. Damit sendete Morse 1844 das erste öffentliche Telegramm. Mit Hilfe des Schalters konnte er den Stromfluss durch die Leitung für eine festgelegte Zeitdauer unterbrechen. Der Original-Morse-Empfänger war mit einem elektromagnetisch gesteuerten Stift ausgestattet. Dadurch war es möglich, die gesendeten Zeichen auf einem Papierband aufzuzeichnen, das über einen uhrwerkgetriebenen Zylinder lief. Die Zeitdauer, mit der elektrischer Strom durch die Drähte des Elektromagneten floss, bestimmte die Form und Länge der Zeichen: Es entstanden Punkte und Striche.
Quelle: Encarta97 Enzyklopädie
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Diese Art der Übertagung von elektronischen digitalen Informationen über spannungslose elektrisch leitende Verbindungen hat sich im wesentlichen bis heute nicht verändert. Aus dem damaligen Strich – Punkt Kode sind heute komplizierte OFDM Modulationen mit mehr als 1.000 Trägerfrequenzen entstanden mit Datenraten bis zu 1 Gigabit/Sekunde. Als elektrische leitende Verbindung wird nach wie vor in der Regel ein oder mehrere, isolierter Kupferdraht verwendet.
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Diese Technik besitzt ein Manko, dahingehend dass für eine Datenübertragung vom Ort A nach Ort B immer eine elektrisch leitende Verbindung vorhanden sein oder erst hergestellt werden muss.
IEEE 1901 powerline communications standard.
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Eine Datenübertragung (Power Line) von bis 200 MBit/s zu 1 GBit/s über eine 230 V Netzleitung ist bereits Stand der Technik und wird von verschiedenen Hersteller als kompaktes Gerät angeboten. Ebenso gibt es Geräte, die auf Basis des HomePlug Standards Daten über ein spannungsloses Koaxkabel übertragen.
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HomePlug Powerline Alliance
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Die HomePlug Powerline Alliance ist eine Handelsvereinigung von Herstellern von elektronischen Geräten, Service Anbieter und Wiederverkäufer die Standards und Richtlinien für Geräte aus den verschiedenen Power Line Communication Technologien, bekannt als HomePlug, herausgeben. Die Alliance erstellt Tests für das Zusammenwirken unterschiedlicher Geräte und zertifiziert die Produkte, die aufgrund der HomePlug Spezifikationen und den IEEE-1901 Standard hergestellt werden.
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In der Spezifikation IEEE P1901.2 ist eine Datenübertragung über eine DC electric powerline vorgesehen, mir ist aber derzeit keine praktikable Lösung bekannt.
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Die Erfindung, Beschreibung
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Die Idee zur dieser Erfindung kam mir, da mir die Aufgabe gestellt wurde, bei einer Werkzeugmaschine zwischen einem Rechner im Schaltschrank, über einem Schleifring zu einem Mini PC im Spindelkasten eine zuverlässige Datenkommunikation herzustellen. Eine USB Verbindung schied aufgrund der Entfernung von über 50 m aus. Sogenannte USB-Extender oder eine Ethernet Verbindung schieden ebenfalls aus, da bei dem bestehenden Schleifring nicht genügend freie Kontakte zur Verfügung standen. Zudem hätten diese Kontakte für ein Frequenzband von > 100 MHz geeignet sein müssen.
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Wenn nun ein sogenanntes Powerline Gerät in der Lage wäre, ebenfalls über eine Zweidrahtleitung, die nicht mit 230 V AC gespeist wird, sondern stattdessen mit Gleichspannung im Bereich z. B. von 12 bis 72 V, dann wäre dies eine ideale Lösung für diese Anwendung. Eine 24 V Versorgungsleitung ist in der Regel in den meisten Werkzeugmaschinen vorhanden und wird auch über einen vorhandenen Schleifring geführt. Hieraus ergibt sich ein enormer wirtschaftlicher Vorteil. Es können bestehende Anlagen ohne Modifikation einfach nachgerüstet werden. Auf eine zusätzliche Installation eines Datenkabels kann verzichtet werden.
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Diese Geräte können grundsätzlich an allen Maschinen, Handlingsmaschinen und auch in größeren Anlagen nachgerüstet werden. Zudem ergibt sich eine Kosteneinsparung wenn hiermit eine aufwendige Verkabelung eingespart werden kann. In vielen Fällen, ist eine nachträgliche Verkabelung gar nicht möglich.
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Eine Datenübertragung mit über 100 MB/s auf einer Zweidrahtleitung bei einer Bandbreite von nur 30 MHz und einer Reichweite von ca. 400 m ist Stand der Technik. Meines Wissens nach, gibt es aber zur Zeit noch kein fertiges Gerät, wo diese Technologie zur Datenübertragung auf Gleichspannung, eingesetzt wird.
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Neu ist, dass diese Technologie zum ersten mal eingesetzt werden soll in einer Werkzeugmaschine zur Datenübertagung über einen in der Werkzeugmaschine bereits befindlichen Schleifring. In diesem Fall liegen die Kostenersparnisse bei einigen tausend Euro.
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Problematik, Netzteil, Gleichspannung Verbraucher
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In der Regel stellt jedes noch so kleine auf eine Gleichspannung auf moduliertes Signal (z. B. 240 mV) eine Störung dar. Bei 24 V wären dies Beispielsweise 1% von der Nennspannung. Heutige Netzteile erkennen ein solches Signal als Störung und werden versuchen diese Störung aus zu gleichen. D. h. das Nutzsignal wird nun zu einem Störsignal und durch das Regelverhalten eines Gleichspannungsnetzteils teilweise oder ganz zu Nichte gemacht. Damit wäre eine störungsfreie Übertragung nicht mehr möglich.
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Schaltet man nun nach dem Gleichspannungsnetzteil (8) ein entsprechendes Tiefpassfilter (3) ein, und speist das hochfrequente Datensignal über einen Resonanzkreis (4), (5), (6) erst nach dem Tiefpassfilter (3) auf die Gleichspannungsleitung (7) auf, dann wird das Datensignal vom Netzteil (8) nicht mehr wahr genommen, nicht ausgeregelt und somit nicht mehr gestört. Der Resonanzkreis besteht aus einem Transformator (4), einem Koppelkondensator (5) und einem Widerstand (6).
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Auf der anderen Seite, der Verbraucherseite (9) werden, oder können Geräte angeschlossen sein, in denen sich z. B. DC/DC Wandler befinden. Diese DC/DC Wandler besitzen in der Regel am Eingang einen Pufferkondensator mit einem sehr geringen ESR. Ein Impedanz mäßig sehr niederohmiger Pufferkondensator (z. B. 1.000 μF, 50 mOhm) würde das Datensignal derartig stark dämpfen, so dass auch in diesem Fall keine zuverlässige störungsfreie Datenübertragung möglich wäre.
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Schaltet man nun vor dem Verbraucher (9) ein Tiefpassfilter (3) wie nach dem Netzteil (8), dann wird das hochfrequente Datensignal vom Verbraucher (9) isoliert und gelangt nicht bis zum niederohmigen Verbraucher (9). Durch die Isolation des Verbraucher (9) vom Datensignal, wird das Datensignal nicht mehr gedämpft und somit nicht gestört.
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Die Einspeisung des Datensignals und damit die Datenübertragung, erfolgt nun nur zwischen den beiden Tiefpassfiltern (3). Aus Sicht des Netzteils (8), erzeugt dieses eine ungestörte Gleichspannung und aus Sicht des Verbrauchers (9) erhält dieser eine stabilisierte ungestörte Gleichspannung. Die Dämpfung des Datensignals durch die Tiefpassfilter (3) muss so groß sein, dass das Datensignal vom Netzteil (8) und Verbraucher (9) nicht wahrgenommen wird.
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Die Störsicherheit und Robustheit des Datensignals wird noch dadurch verbessert, da durch den Einsatz der Tiefpassfilter (3) die Impedanz der Übertragungsstrecke dem Gerät optimal angepasst werden kann und nahezu konstant bleibt. Eine optimale Impedanzanpassung bringt einen weiteren Vorteil mit sich. Es konnten Reichweiten bis 400 m mit einer ungeschirmten Zweidraht Leitung mit 1,5 qmm Querschnitt im Labor erfolgreich nachgewiesen werden.
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Bei Verwendung dieser Geräte als HomePlug Geräte in einem 230 V AC Netz kann eine konstante Impedanz nicht Garantiert werden und trotzdem sollen diese Geräte stabil und einwandfrei funktionieren.
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Bei dieser Erfindung werden die Tiefpassfilter (3) mit in das Gerät (2) integriert, so daß der Benutzer sich darum nicht kümmern muss. Es ist daran Gedacht, diese Geräte (2) für einen Spannungsbereich von 12 V...72 V DC, bei einem Strom von max. 5A, aus zu legen.
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Bei Herstellung in größeren Stückzahlen könnte der Preis eines solchen Gerätes (2) bei dem Zwei- bis Dreifachen eines vergleichbarem Netzwerkadapters liegen. Der Kostenvorteil liegt hier in dem Wegfall einer kostenintensiven Netzverkabelung, in dem nachträglichen Nachrüsten von bestehenden Anlagen, (z. B. Werkzeugmaschinen, Kränen etc.) und einer einer höheren EMV Verträglichkeit.
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Dieses Gerät (2) stellt eine vollwertige transparente Ethernet Verbindung mit 100 MB/s dar, lediglich mit nur einer Zweidraht Leitung. Diese Technologie ist nicht zu verwechseln mit Power over Ethernet. Es handelt sich hier um Ethernet over Power. Im Gegensatz von zu Power over Ethernet, was eine bestehende Ethernetverbindung (CAT-5 Kabel) voraus setzt und somit die Leistung auf wenige Watt begrenzt ist. Im Gegensatz hierzu setzt Ethernet over Power lediglich eine Versorgungsspannung Leitung voraus. Die Leistung können von mehreren 100 Watt bis zu einigen 1.000 Watt betragen. Die Filter müssen entsprechend dimensioniert sein.
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Aufbau
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Zur Datenübertragung auf einer Gleichspannungsleitung (7) sind min. zwei Geräte (2) notwendig. In 2 ist ein möglicher Aufbau dargestellt.
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Auf Seite des Netzteils (8) bzw. einer Batterie (8), wird der Anschluss zum Netzteil/Batterie abgeklemmt und an den Klemmen des 1.ten Gerätes (2) auf der B Seite angeklemmt. Das Netzteil (8) bzw. Batterie (8) wird mit den Klemmen an der A Seite des 1.ten Gerätes (2) verbunden.
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Auf der Seite des Verbrauchers (9) wird der Anschluss zum Verbraucher getrennt und an den Klemmen des 2.ten Gerätes (2) an der Seite B angeschlossen. Der Verbraucher (9) wird mit den Klemmen an der A Seite des 2.ten Gerätes (2) verbunden.
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Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass das Netzteil (8) und eine elektrische Last (9) immer an der A Seite des Gerätes (2) angeschlossen wird. Die Zweidrahtleitung (7) (Powerline) wird an der B-Seite des Gerätes (2) angeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1 Powerlinemodem für GleichspannungsleitungFig. 2 Zwei Powerlinemodems zur Kommunikation verbunden
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- Elektronik mit ASIC
- 2
- Gerät, Niederspannungs Powerlinemodem
- 3
- Tiefpassfiltern
- 4
- Transformator
- 5
- Koppelkondensator
- 6
- Widerstand
- 7
- Zweidrahtleitung (Powerline)
- 8
- Gleichspannungsnetzteil
- 9
- elektrische Last (Verbraucher)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Encarta97 Enzyklopädie [0001]
- IEEE 1901 powerline communications standard [0003]
- IEEE-1901 Standard [0005]
- IEEE P1901.2 [0006]
