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Die
Erfindung geht aus von einer Einrichtung und einem Verfahren zur
Detektion von zu einem DC-Speisestrom hinzugefügten, stromgeprägten Nutzsignalen
für ein
sicherheitstechnisches System zur Gefahrenmeldung in digitaler Meldelinientechnik und
insbesondere für
Sicherungssysteme mit einem hohen Speisestrombedarf für eine Vielzahl
von angeschlossenen Melde-, Steuer- und Signalisierungseinrichtungen.
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Gefahrenmeldeanlagen,
wie etwa Brandmeldeanlagen und/oder Einbruchmeldeanlagen, bestehen üblicherweise
aus einer Meldezentrale mit angeschlossenem lokalem Leitungsnetz, über das
in gewissen, zu überwachenden
Bereichen beispielsweise eines Immobilienobjekts installierte, periphere Sensoren
angebunden sind. Diese Sensoren sind zum Beispiel Bewegungsmelder
oder Brandmelder. Solche sicherungstechnischen Systeme sind vorherrschend
in digitaler Meldelinientechnik ausgeführt.
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Dabei
werden die peripheren Sensoren und andere Netzelemente, wie Koppler,
zum Zwecke einfacher Installierung und niedrigen Gesamtkosten oft über eine
Zweidrahtleitung von der Zentrale her gespeist. Die Informationsübertragung
auf dieser Meldelinie von der Zentrale zu den Sensoren erfolgt über spannungsmodulierte
Signale, die der Speisespannung überlagert
werden. Die Informationsübertragung
von den Sensoren zur Zentrale erfolgt über strommodulierte Signale,
die auf den Speisestrombedarf der Sensoren aufaddiert werden. Die
Detektion dieser stromgeprägten
Signale erfolgt durch ein Stromfühlerelement
in der Zentrale. Um mit dieser Vorgabe eine einfache Signalauswertung
erreichen zu können,
sind sämtliche
Melder und Koppler als Konstantstromsenke ausgebildet, sie „ziehen" innerhalb ihres
erlaubten Arbeitsbereichs immer denselben Strom, unabhängig von
der anliegenden Spannung. Das System wird während des Betriebs immer mit
einer signalüberlagerten,
dadurch variablen Gleichspannung an den peripheren Elementen betrieben,
und es fließt
ein signalüberlagerter,
dadurch variabler Gleichstrom.
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Eine
in der deutschen Patentschrift DE-100 48 599 C1 offenbarte Anordnung
eines sicherungstechnischen Systems in digitaler Meldelinientechnik ist
schematisch als stark vereinfachtes Blockschaltbild in 1 dargestellt.
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Dabei
sind die in Reihe geschalteten peripheren Sensoren 4, 6, 8, 12 und 14 in
Ringstruktur als lokales Sicherheitsnetzwerk (LSN) an die Zentrale 1 angeschlossen.
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Eine
Zentrale 1 weist einen Meldelinienanschluss 2 und
einen Energieversorgungsanschluss 3 für den Ringeingang sowie einen
Meldelinienanschluss 10 und einen Energieversorgungsanschluss 11 für den Ringausgang
auf. Der Meldelinienanschluss 2 ist an die Meldelinie 16 angeschlossen.
In diesem Beispiel ist die Meldelinie 16, das Lokale Sicherheitsnetzwerk
(LSN) der Firma Bosch.
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Auch
der Meldelinienanschluss 10 ist an die Meldelinie 16 angeschlossen.
Die Energieversorgungsanschlüsse 3 und 11 sind
an die Energieversorgungsleitung 17 angeschlossen. An die
Meldelinie 16 sind Melder 4, 6, 8, 12 und 14 in
Reihe angeschlossen. An die Energieversorgungsleitung 17 sind Energieversorgungsvorrichtungen 5, 7, 13 und 15 in Reihe
angeschlossen, während
der Melder 8 über
die Meldelinie 16 mit Energie versorgt werden kann. Gleichzeitige
Signalübertragung
und Energieversorgung auf der Meldelinie 16 wird durch
Modulation der Versorgungsspannung sowie des Stroms erreicht. Die
Zentrale 1 sendet Daten durch pulslängencodierte Modulation der
Versorgungsspannung an den Melder 8. Die Zentrale sendet
Daten durch pulslängencodierte
Information ebenfalls an die Melder 4, 6, 12, 14.
Bei mehreren Sensoren 4, 6, 8, 12 und 14 weist die
Zentrale 1 nacheinander digitale Adressen zu, unter denen
die Melder 4, 6, 8, 12 und 14 über die
jeweilige entsprechend pulslängencodierte
Spannungsmodulation in der Folgezeit angesprochen werden. Der Spannungshub
für diese
Signale beträgt
bei einer Versorgungsspannung von 30 V ca. 1,6 V.
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Der über die
Meldelinie 16 mit Energie versorgte Melder 8 überträgt seine
Antwortsignale bzw. Nutzsignale zur Zentrale 1 mittels
pulslängencodierter
Modulation des aufgenommenen Stroms. Die Melder 4, 6, 12, 14 übertragen
ihre Antwortsignale bzw. Nutzsignale zur Zentrale ebenfalls mittels
pulslängencodierter
Modulation des aufgenommenen Stroms. Diese Nutzsignale für die Zentrale 1 sind
als Stromerhöhungen
von ca. 10 mA codiert und werden über einen als Stromfühler eingesetzten
5-Ohm-Widerstand in der Zentrale 1 abgegriffen und als
digitale Spannungssignale umgewandelt zur Auswertung auf einen Prozessor
gegeben.
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Die
benötigte
Stromstärke
bestimmt sich je nach Anzahl und Art der an die Meldelinie 16 angeschlossenen
Sensoren 8 und 4, 6, 12, 14.
Die maximale Stromstärke
auf der Meldelinie 16 beträgt bei diesem, dem Stand der
Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel,
100 mA. Dadurch ist die Anzahl bzw. der Stromverbrauch der ausschließlich über die Meldelinie 16 mit
Energie versorgten Meldern abhängig
von der Stromaufnahme begrenzt. Üblicherweise werden
im Stand der Technik auf diese Weise nur Melder mit geringem Stromverbrauch,
wie beispielsweise Brandmelder, mit Energie versorgt. Die mehr Strom
benötigenden
Melder 4, 6, 12 und 14 erhalten hingegen
den zur Energieversorgung der Sensorik benötigten Strom über die
Energieversorgungsleitung 17. Die geringe Energie für die Elektronik,
welche die Kommunikation mit der Zentrale ermöglicht, erhalten diese Melder
ebenfalls über
die Meldelinie.
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Neben
Anlagen mit Ringstruktur sind auch Gefahrenmeldesysteme mit über Stichleitungen
angeschlossenen Meldern bekannt.
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In
den bekannten Gefahrenmeldeanlagen ist üblicherweise das Stromfühlerelement
als Ohm'scher Widerstand
ausgeführt.
Die als Signal auswertbaren Signalstromstärken betragen etwa ca. 10 mA.
Soweit für
die Versorgung der peripheren Netzelemente ein Speisestrom bzw.
Grundstrom auf der Meldelinie von bis zu maximal 100 mA bzw. 300 mA
benötigt
wird, hält
sich das Verhältnis
von Nutzsignalgröße und Störsignalgröße, wie
beispielsweise der Rauschpegel, für den Empfang im akzeptablen Rahmen.
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Werden
jedoch dem derzeitigen Trend nach mehr Sicherheit durch höheren Überwachungsaufwand
folgend erheblich höhere
Speiseströme
bzw. Grundströme
aufgrund einer entsprechend vergrößerten Vielzahl von angeschlossenen
Melde-, Steuer- und
Signalisierungseinrichtungen gefordert, so wird das Verhältnis von
Nutzsignal zu Störsignal
entsprechend ungünstiger.
Bei zum Beispiel 1,5 A Speisestromstärke würde das Rauschen in der Empfangsverstärkerschaltung
ein Maß er reichen,
bei dem das ca. 10 mA große
Nutzsignal schwer oder nicht mehr an einem Ohm'schen Widerstand zu detektieren wäre. Aus
Kompatibilitätsgründen mit
bestehenden Systemen der zentralen Signalverarbeitung und Signalauswertung
ist eine solche Signalstromamplitude für diese Art von Sicherungssystemen
jedoch weiterhin dringend gewünscht.
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Auch
würde an
einem üblicherweise
zur Detektion verwendeten 5-Ohm-Widerstand eine zu hohe Verlustleistung
von P = R·I2 = 50hm·(1,5 A)2 = 11,25
Watt abfallen. Deshalb werden an derzeit bekannten Gefahrenmeldeanlagen
Melder und andere Netzelemente, durch die der Wert der Stromstärke 100mA
bzw. 300 mA auf der Meldeleitung überschritten werden müsste, mittels
einer zusätzlichen
Energieversorgungsleitung mit Strom gespeist. Dieses verursacht
zusätzlichen
Aufwand und Kosten.
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Eine
Lösung
dieser Probleme bei der Signalerfassung wäre möglicherweise das Herausfiltern des
gesamten DC-Stromanteils
mit einem Frequenzfilter, um dann den AC-Stromanteil auszuwerten. Dabei wird
jedoch insbesondere bei den in größeren Gefahrenmeldeanlagen
geforderten hohen Reichweiten, beispielsweise im Bereich von 1000m
bis 3000m, das Signal nachteilig in seiner Form beeinflusst. Außerdem sind
die Filterbauteile – wenn
ausgelegt für
relativ hohe Stromstärken – relativ
teuer.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
den Maßnahmen
der unabhängigen
Ansprüche
wird jeweils in vorteilhafter Weise erreicht, dass auch bei Gefahrenmeldeanlagen
mit einem hohen maximalen DC-Speisestrom von weit mehr als 300 mA
ein Nutzsignal im Bereich von 10 mA in ausreichend guter Qualität mit geringer
Verlustleistung detektiert werden kann.
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Dies
erfolgt im Wesentlichen dadurch, dass parallel zu einem zum Abgreifen
der Signale eingerichteten ersten Stromfühlerelement ein Strombypasszweig
vorgesehen ist, wobei der Bypasszweig eine gesteuerte Konstantstromsenke
darstellt, wobei die Steuerung derart wirkt, dass der durch das
erste Stromfühlerelement
fließende
Strom die Nutzsignale mit im Wesentlichen nicht-reduzierter Amplitude
und einen reduzierten Teil des Gleichanteils des Speisestroms enthält. Dadurch,
dass ein großer
Teil des DC-Speisestroms zeitlich angepasst an die momentane Speisestromstärke durch
den erfindungsgemäßen Strombypasszweig
fließt,
wird, ohne die Amplitude des Nutzsignals wesentlich zu beeinflussen,
nur ein reduzierter Gleichanteil des Speisestroms durch das zum
Abgreifen der Signale eingerichtete, erste Stromfühlerelement
geleitet. Vorteilhafte Folgen sind dabei ein geringer Leistungsverlust
an dem ersten Stromfühlerelement
und ein verbessertes Verhältnis von
Nutzsignalgröße zur Störsignalgröße.
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Ohne
wesentliche Beeinträchtigung
des Signalempfangs ist durch die vorliegende Erfindung das Betreiben
von großen
Gefahrenmeldeanlagen gewährleistet,
bei denen die Energieversorgung von vielen angeschlossenen Sensoren
und Netzelementen auch mit relativ hohen Stromverbrauch über die Meldelinie
erfolgt.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen Weiterbildungen und Verbesserungen
des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der
vom Mikroprozessor bestimmte Sollwert für den Konstantstrom im Strombypasszweig über einen
Digital-Analog-Wandler an den Regelverstärker gegeben. Dadurch wird
in einfacher Art und Weise das Signal des Mikroprozessors an die
Bedingungen für
den Regelverstärker
angepasst.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
greift der Mikroprozessor den aktuellen Speisestromwert zur Bestimmung
des Sollwertes von einem in die Speisestromleitung eingefügten Stromfühlerelement
ab. Dieses stellt eine einfache Bestimmung des zeitabhängigen Speisestroms
dar. Eine weitere, alternative Möglichkeit
der Bestimmung des zeitabhängigen Speisestroms
besteht darin, dass der Mikroprozessor den Strom durch Kenntnis
der angeschlossenen Sensoren und Melder sowie den Zustand von versorgten
stromverbrauchenden Steuer- und Signalisierungselementen (z.B. LED
ein/aus) berechnen kann.
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Weiterhin
ist die Ausbildung von mindestens einem der Stromfühlerelemente
als Ohm'scher Widerstand
von Vorteil, denn es handelt sich um eine unkomplizierte und kostengünstige Variante.
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Besonders
vorteilhaft ist die Anpassung der Pegel des Sollwertes an Schwankungen
des Bezugspotentials des Regelverstärkers mittels eines zwischen
Bezugspotenzialpunkt und Regelverstärker eingefügten Ohm'schen Widerstandes. Durch diese Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung wird auf einfache Weise erreicht, dass
auch bei zeitlich variierender Bezugsspannung der jeweils richtige
Sollwert für
den Regelverstärker
zur Steuerung des den Konstantstrom im Bypass-Zweig einstellenden
Stellglieds vorliegt.
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Aus
Kompatibilitätsgründen ist
ein Nutzsignal mit einer Amplitude zwischen 10 bis 15 mA von Vorteil.
Für solche
Nutzsignalamplituden erweist sich ein durch den ersten Stromfühler fließender reduzierter
Teil des Speisestroms von maximal 100 mA wegen der geringen Verlustleistung
und des guten Signal-Rauschverhältnisses
als besonders vorteilhaft. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung,
die den Konstantstrom durch den Strombypasszweig dafür ent sprechend
regelt, stellt einweiteres vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden
Erfindung dar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das den Widerstand bzw.
den Stromfluss in dem Strombypasszweig einstellende Stellglied einfach
und kostengünstig
als Transistor ausgebildet. Wegen seiner kostengünstigen Herstellung, sehr geringen
Widerstandswerte bei voller Durchsteuerung und geringen Abmessungen
ist dafür
ein MOS-Feldeffekttransistor
besonders gut geeignet.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
vereinfachtes Blockschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten
Ausführungsbeispiels
eines sicherheitstechnischen Systems zur Gefahrenmeldung in digitaler
Meldelinientechnik;
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2 eine
schematische Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung
in einem sicherheitstechnischen System zur Gefahrenmeldung in digitaler
Meldelinientechnik.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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2 zeigt
eine schematische Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung 20 in
einem sicherheitstechnischen System zur Gefahrenmeldung in digitaler
Meldelinientechnik.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung 20 ist
ein Teil der in 1 aufgeführten Zentrale 1 einer
Gefahrenmeldeanlage. Sie ist also dem Anfang bzw. Ende eines Leitungsrings
oder einer Stichleitung zugeordnet. Die Signale der Sensoren oder
Melder kommen an der Meldeleitung 16 an.
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Die
von den angeschlossenen Meldern als pulslängencodierte Modulationen der
Stromstärke abgegebenen,
stromgeprägten
Nutzsignale mit einer Amplitude von ca. 10 mA werden in Signale
einer an einem ersten Stromfühler 22 abfallenden
Spannung umgewandelt und durch einen Empfangsverstärker 24 für die Auswertung
verstärkt.
Der erste Stromfühler 22 ist
beispielsweise ein Ohm'scher
Widerstand mit einer Größe aus dem
Bereich um 5 Ohm.
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Durch
den Stromfühler 22 wird
erfindungsgemäß nun jedoch
nur ein reduzierter Teil des DC-Speisestroms von maximal 100 mA,
sowie das im wesentlichen nicht-reduzierte, zusätzlich auf der Leitung liegende
stromgeprägte
Nutzsignal geleitet. Der andere Teil des Speisestroms fließt erfindungsgemäß durch den
zum Stromfühler 22 parallel
angeordneten, erfindungsgemäßen Strombypasszweig 26,
der durch einen gestrichelten Rahmen in 2 gekennzeichnet ist.
Der Stromfluss im Strombypasszweig 26 führt über einen Stromfühler 28,
der beispielsweise ein niedrigohmiger Widerstand im Bereich von
0,1 Ohm ist, durch ein Stellglied 30 zu einem Sendeendstufen-Transistor 34,
an dem beide parallel angeordnete Stromzweige wieder vereinigt angeschlossen
sind.
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Das
Stellglied 30, mit dem der Widerstand bzw. der Stromfluss
im Bypasszweig 26 eingestellt wird, ist beispielsweise
ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder eine andere Art von Transistor
oder ein ausreichend schnell regelbarer anders aufgebauter Widerstand,
der eine Regelung ermöglicht,
die alle wesentlichen Spektralanteile des Nutzsig nals nicht beeinflusst.
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Der
Transistor 30 wird von einem Regelverstärker 32, der an dem
Gate des Transistors 30 angeschlossen ist, gesteuert. Der
Istwert für
den durch den Bypasszweig 26 fließenden Strom wird als der am
Stromfühlerwiderstand 28 abgefallene
Spannungswert an den Minus-Eingang des Regelverstärkers gegeben.
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Der
Regelverstärker 32 steuert
gemäß Ausführungsbeispiel
den Strom durch den Transistor 30 nach einem, ihm einem
Mikroprozessor 40 vorgegebenen Sollwert. Dieser Sollwert
bestimmt sich nach dem momentan fließenden DC-Speisestrom auf dem Meldelinienanschluss 16,
indem beispielsweise, wie in 2 gezeigt
ist, mit einem niedrigohmigen Widerstand 36 von beispielsweise
0,5 Ohm, der hinter dem Endstufentransistor 34 als Stromfühler in
der Sendeendstufe funktioniert, die daran abfallende Spannung vom
Mikroprozessor 40 abgefragt wird -, wobei die Spannungswerte
durch einen zwischengeschalteten Analog-Digital-Wandler 38 in
für den
Mikroprozessor 40 lesbare Signale umgewandelt werden. Dieser Spannungsabfall
ist dann proportional zu dem – bei großen Anlagen
bis zu mehreren Amperes messenden – Speisestrom.
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Gemäß bevorzugtem
Ausführungsbeispiel bestimmt
der Mikroprozessor 40 aus diesem Signal für die momentane
Größe des Speisestroms
einen Sollwert für
den durch den Bypass-Zweig 26 fließenden Konstantstrom.
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Dieser
Konstantstrom entspricht einem vorbestimmten, relativ großen Teil
des Gleichanteils des Speisestroms, so dass die DC-Stromstärke des
restlichen Teils des Speisestroms den im Stand der Technik für kleine
Anlage bekannten und ohne Probleme verarbeitbaren Wert von etwa
100 mA nicht wesentlich überschreitet.
Der Speisestrombedarf kann sich ändern,
wie beispielsweise während
der Adresszuweisung der Melder und anderer LSN-Elemente oder bei
zentralseitig ge steuerten Aktionen, wie LEDs in LSN-Elementen einschalten
bzw. ausschalten. Der Mikroprozessor 40 passt erfindungsgemäß den von ihm
bestimmten Sollwert für
den Konstantstrom diesen zeitlichen Veränderungen des Speisestroms
an.
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Der
Mikroprozessor 40 übermittelt
den Sollwert für
den Konstantstrom umgewandelt durch einen zwischengeschalteten Digital-Analog-Wandler 42 als
entsprechenden Spannungswert U(Isoll) an
den Plus-Eingang des Regelverstärkers 32.
An seinem Minus-Eingang liegt wie weiter oben beschrieben, die am
Stromfühlerwiderstand 28 abgefallene
Spannung als Istwert.
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Je
nach dem, ob der Istwert höher
oder niedriger als der Sollwert für den Konstantstrom durch den
Bypasszweig 26 ist, regelt der Regelverstärker 32 erfindungsgemäß den Transistor 30 entsprechend auf
kleineren oder größeren Stromdurchlass,
um den Konstantstrom-Sollwert zu erreichen. Dadurch fließt erfindungsgemäß und wie
benötigt
nur ein Rest Gleichanteil von maximal 100 mA des Speisestroms und
die im Wesentlichen nicht-reduzierten stromgeprägten Nutzsignale durch den
parallel zum Bypasszweig 26 angeordneten Stromfühlerwiderstand 22.
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Zur
Pegelanpassung des Sollwertes an Schwankungen der Bezugsspannung
des Regelverstärkers 32 ist
in vorteilhafter Weise ein Ohm'scher Widerstand 44 in
einem Nebenzweig vom Bezugspotentialpunkt 48 zum Sollwert-Eingang
des Regelverstärkers 32 angeordnet.
Der Sollwert wird vom DA-Wandler 42 in diesem Fall nicht
mehr als Spannungswert, sondern als Stromwert ausgegeben. Der Strom
durchfließt
den Widerstand 44 und erzeugt einen Spannungsabfall an
diesem, der als Spannungswert U(Isoll) am
Sollwert-Eingang des Regelverstärkers
liegt. Die Bezugsspannung (Bezugspotentialpunkt 48) kann
sich damit in diesem Fall vorteilhafterweise in gewis sen Grenzen
verschieben, ohne Einfluss auf die Sollwertvorgabe zu haben.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.
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So
können
in einer Zentrale einer Gefahrenmeldeanlage bei einer Ringstruktur
der angeschlossenen, peripheren Sensoren gleich zwei erfindungsgemäße Einrichtungen
zum Empfang der Nutzsignale – eine
am Ringanfang und eine am Ringende – enthalten sein.
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An
Stelle des Mikroprozessors 40, der den Sollwert für den Bypasszweig über DA-Wandler 42 vorgibt
und ggf. über
DA-Wandler 38 und
Stromfühler 36 den
Gesamtstrom einliest, könnte
auch eine Analog(verstärker)schaltung
eingesetzt werden, die an ihrem Ausgang den Sollwert für den Bypasszweig ausgibt.
Der Ausgabewert als Ausgangsstrom oder Ausgangsspannung ist dabei
proportional abhängig vom
Eingangssignal (Strom oder Spannung), welches vom Stromfühler 36 abgegriffen
wird.
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Schließlich können die
Merkmale der Unteransprüche
im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende
Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander
sind.