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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Netzwerkknoten für ein in einem Transportmittel, insbesondere in einem Flugzeug, vorgesehenes Netzwerk sowie ein Netzwerk für ein Transportmittel, insbesondere für ein Flugzeug, mit ein oder mehreren derartigen Netzwerkknoten.
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Energieversorgungsnetze (bei Transportmitteln auch Bordnetze genannt) dienen in einem Transportmittel, wie z. B. einem Flugzeug, einem Schiff, einem Bus oder einem Zug, dazu, elektrische Abnehmer (Verbraucher) mit elektrischer Energie zu versorgen. Als Bordnetz wird oftmals die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in dem Transportmittel bezeichnet. Zu den elektrischen Komponenten zählen unter anderem die Verkabelung, Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente (wie Warn- und Kontrollleuchten, Displays), Aktoren (wie Elektromotoren, Leuchten und Beleuchtungssysteme), Bussysteme, Energiespeicher (wie Batterien und Akkumulatoren) und Generatoren. Konventionelle Bordnetze sind in Transportmitteln, wie Flugzeugen, oftmals sternförmig aufgebaut. Das bedeutet, die von in dem Transportmittel angeordneten Generatoren erzeugte Energie wird über einen oder mehrere Einspeisepunkte in das Bordnetz des Transportmittels eingespeist. Von diesem Einspeisepunkt bzw. diesen Einspeisepunkten führen für gewöhnlich mehrere Leitungen (häufig als Versorgungsleitungen oder Primärversorgungsleitungen bezeichnet) zu einzelnen Verbrauchern oder Verbrauchergruppen mit einer Vielzahl von Verbrauchern. Daraus folgt, dass für gewöhnlich jeder Verbraucher oder jede Verbrauchergruppe durch eine eigene von dem Einspeisepunkt ausgehende Versorgungsleitung mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Das heißt, dass entweder ein Einzelgerät (Verbraucher) durch eine zugehörige Versorgungsleitung versorgt wird oder dass eine mehrere Einzelgeräte aufweisende Gerätegruppe (Verbrauchergruppe) durch eine Versorgungsleitung versorgt wird. Die von dem Einspeisepunkt zu den Einzelgeräten oder Gerätegruppen führenden Leitungen werden am Einspeisepunkt durch geeignete Sicherungen zentral abgesichert. Dadurch können zuverlässig Störungen oder Ausfälle, wie z. B. Überspannungen oder Fehlfunktionen in den Einzelgeräten oder Kabeln abgesichert werden. Ein Übergreifen auf andere Einzelgeräte, Gerätegruppen und die dort ausgeführten Funktionen wird vermieden.
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Die Verbraucher können durch die vorhandene drahtgebundene Verbindung zu dem Einspeisepunkt jederzeit die benötigte Energie abrufen. Einige Verbraucher, wie Aktuatoren, setzen über lange Zeiträume, oftmals auch kontinuierlich, elektronische Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen um. Aktuatoren sind gewissermaßen annähernd dauerhaft im Einsatz und benötigen dementsprechend auch kontinuierlichen Energienachschub. Andere Verbraucher sind hingegen oftmals nur für sehr kurze Zeit im Einsatz, während sie beispielsweise einen kurzen Steuervorgang ausführen, und gehen danach wieder in einen Schlafmodus. In dem Schlafmodus benötigt der Verbraucher nur sehr wenig Energie. Ein Beispiel für derartige Verbraucher sind Sensorknoten, die oftmals in Transportmitteln in Sensornetzwerken organisiert sind, um ihre Umgebung mittels Sensoren abzufragen und die erhaltene Information weiterzuleiten. Diese Sensorknoten sind für gewöhnlich nur kurzzeitig im Einsatz, nämlich dann, wenn sie einen entsprechenden Messvorgang durchführen und die Messinformationen weiterleiten.
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Um Bordnetze unabhängig von Kabeln zu machen, wurde daran gedacht, ein Sensorsystem bereitzustellen, das sich selbst mit Strom versorgt. Für jeden einzelnen in dem Sensorsystem vorgesehenen Sensor erzeugt ein eigener Generator, z. B. ein Thermoelektrischer Generator (auch Thermoelement genannt) oder ein Vibrationsenergiesammler, Strom. Diese Systeme werden oftmals unter dem Oberbegriff „Energy-Harvesting” (deutsch: Energie-Sammeln oder Energie-Ernten) zusammengefasst. Diese Systeme gewinnen zu bestimmten Zeiten Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Alternativ zu einem solchen Energie-Sammler gestattet es eine Batterie für einen gewissen Zeitraum elektrische Energie bereitzustellen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Netzwerkknoten sowie ein Netzwerk mit ein oder mehreren solchen Netzwerkknoten bereitzustellen, die auf effiziente Weise zuverlässig mit elektrischer Energie versorgbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Netzwerkknoten gemäß Anspruch 1 sowie ein Netzwerk gemäß Anspruch 11 gelöst. Besondere Ausführungsformen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Netzwerkknoten für ein in einem Transportmittel, insbesondere in einem Flugzeug, vorgesehenes Netzwerk, ist an eine zur Versorgung des Transportmittels, insbesondere des Flugzeugs, mit elektrischer Energie vorgesehene Versorgungsleitung derart koppelbar, dass er einen Leckstrom der Versorgungsleitungen entnehmen kann. Der Netzwerkknoten weist einen mit elektrischer Energie aufladbaren Energiepufferspeicher auf, der durch den entnommenen Leckstrom mit elektrischer Energie aufladbar ist.
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Unter dem Begriff des Leckstroms ist ein Strom zu verstehen, dessen Stromstärke (in Ampere) um ein Vielfaches geringer ist, als die des in der Versorgungsleitung geführten Stroms. Beispielsweise kann der über die Versorgungsleitung geleitete Strom eine um das Hundertfache oder um das Tausendfache oder um das Zehntausendfache höhere Stromstärke aufweisen als der Leckstrom. Der entnommene Leckstrom ist somit um ein Vielfaches geringer als der über die Versorgungsleitung geleitete Strom. Insofern kann auch davon gesprochen werden, dass der Netzwerkknoten derart mit der Versorgungsleitung koppelbar ist, dass er einen Bruchteil, z. B. ein Hundertstel oder ein Tausendstel, des über die Versorgungsleitung geleiteten Stroms entnehmen kann. Demnach ist die Terminologie des Leckstroms als ein sehr geringer Strom verglichen mit dem Strom in der gekoppelten Versorgungsleitung zu verstehen. Rein beispielhaft sei hier genannt, dass der Strom der Versorgungsleitung beispielsweise eine Stromstärke von 1 A aufweist und der entnommene Leckstrom beispielsweise eine Stromstärke von 1 mA aufweist.
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Das bedeutet, unter dem Begriff des Leckstroms ist nicht zwangsläufig ein oftmals mit dem Begriff Leckstrom bezeichnetet unerwünschter Strom zu verstehen, der über einen Pfad fließt, der nicht zur Leitung von Strom vorgesehen ist. Die Begrifflichkeit Leckstrom deutet lediglich an, dass es sich bei dem entnommenen Strom um einen Bruchteil des durch die Versorgungsleitung fließenden Strom handelt.
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Bei dem Netzwerkknoten kann es sich um jeglichen elektronischen oder elektrischen in oder an einem Transportmittel, insbesondere in oder an einem Flugzeug, vorgesehenen Verbraucher handeln. Insbesondere kann es sich um ein Gerät handeln, das nur für kurze Zeiten oder für kurze Intervalle einen geringen Strom benötigt, um beispielsweise eine Messung oder Steuerung durchzuführen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Netzwerkknoten um einen Sensorknoten, der in einem Sensornetzwerk angeordnet sein kann. Der Sensorknoten kann ein oder mehrere Sensoren aufweisen, um Informationen über seine Umgebung abzufragen oder zu sammeln. Bei den Sensoren kann es sich beispielsweise um jeden möglichen aktiven Sensor handeln, der mechanische, chemische, Licht- oder Wärmenergie in elektrische Energie umwandeln kann. Bei den Sensoren kann es sich z. B. um Temperatursensoren zur Messung der Umgebungstemperatur oder um Drucksensoren zur Messung des Umgebungsdrucks handeln. Ferner kann es sich bei den Sensoren um Näherungssensoren handeln, die auf Annäherung reagieren und mit Hilfe derer z. B. bestimmt werden kann, welche Position ein mechanisches Teil hat (Positionserkennung), oder um Positionssensoren zur Bestimmung z. B. eines Winkels eines mechanischen Teils (z. B. zum Bestimmen, ob eine Tür offen oder geschlossen ist). Auch kann es sich um Sensoren handeln, die unter dem Oberbegriff Structural Health Monitoring (SHM) (zu Deutsch: Überwachung des Zustands von Strukturen) zusammengefasst werden können, d. h. Sensoren, die dazu dienen, kontinuierlich Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit von Bauteilen zu erhalten. Auf diese Weise können Schädigungen, wie Risse oder Verformungen, frühzeitig erkannt werden, um Gegenmaßnahmen einzuleiten. Beispiele für solche Sensoren sind Dehnungsmessstreifen, Schallsensoren und Ultraschallsensoren. In dem Transportmittel, z. B. an Bord des Flugzeugs, oder an dem Transportmittel, z. B. an einer Flugzeugwand, können mehrere Sensorknoten mit jeweils ein oder mehreren der vorstehend beispielhaft genannten Sensoren angeordnet sein.
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Der Netzwerkknoten, insbesondere der Sensorknoten, kann an zumindest eine zugeordnete Versorgungsleitung zur Entnahme des Leckstroms koppelbar sein. Insbesondere kann der Netzwerkknoten an genau eine zugeordnete Versorgungsleitung zur Entnahme des Leckstroms koppelbar sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Netzwerkknoten an mehr als eine Versorgungsleitung, z. B. an zwei, drei, vier oder mehr Versorgungsleitungen, koppelbar ist und von jeder der Versorgungsleitungen Leckstrom, d. h. einen Bruchteil des über die jeweilige Versorgungsleitung geleiteten Stroms, entnimmt.
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Durch die Kopplung mit der Versorgungsleitung kann der Netzwerkknoten Leckstrom (d. h., einen sehr geringen Strom) entnehmen oder abgreifen und dadurch den Energiepufferspeicher mit elektrischer Energie aufladen. Falls der Netzwerkknoten vorübergehend elektrische Energie z. B. für eine auszuführende Steueraufgabe benötigt, kann der Energiepufferspeicher die benötigte Energie an die entsprechenden Komponenten des Netzwerkknotens abgeben. Beispielsweise kann dann, wenn der Netzwerkknoten als Sensorknoten ausgebildet ist, der Sensorknoten so viel elektrische Energie aus dem Energiepufferspeicher entnehmen, wie er für eine auszuführende Messung benötigt.
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Durch den Netzwerkknoten mit Energiepufferspeicher kann der benötigte Strom deutlich reduziert werden. Der Energiepufferspeicher kann beispielsweise über lange Zeiträume, z. B. auch zumindest nahezu kontinuierlich oder abschnittsweise kontinuierlich, mit Leckströmen (d. h., geringen Strömen) geladen werden und der Netzwerkknoten kann entsprechend in kurzen Zeitintervallen, z. B. auch zumindest nahezu zeitdiskret, Strom verbrauchen, indem der Energiepufferspeicher vorübergehend entladen wird.
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Der Netzwerkknoten kann auf verschiedene Art und Weise mit der Versorgungsleitung gekoppelt werden, um Leckstrom zu entnehmen. Gemäß einer ersten möglichen Realisierung kann der Netzwerkknoten mit dem in der Versorgungsleitung zum Leiten des Versorgungsstroms vorgesehenen stromführenden Leiter, z. B. unmittelbar, verbunden werden. Im Einklang mit dieser ersten Realisierung kann über die Kopplung ein Bruchteil des über den stromführenden Leiter fließenden Stroms entnommen oder abgegriffen werden. Der entnommene Strom kann dann in dem Energiepufferspeicher des Netzwerkknotens in Form von elektrischer Energie zwischengespeichert werden. Gemäß einer zweiten möglichen Realisierung kann der Netzwerkknoten mit einer beispielsweise den stromführenden Leiter umgebenden Isolation (Isolierung) der Versorgungsleitung, z. B. unmittelbar, verbunden werden. Im Einklang mit dieser zweiten Realisierung kann über die Kopplung ein in der Isolation vorhandener Leckstrom oder Kriechstrom entnommen werden, der um ein Vielfaches kleiner ist als der in dem stromführenden Leiter geleitete Strom. Der entnommene Strom kann dann in dem Energiepufferspeicher des Netzwerkknotens in Form von elektrischer Energie zwischengespeichert werden.
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Leckströme können in der Versorgungsleitung aus verschiedenen Gründen auftreten. Beispielsweise können Leckströme in der Versorgungsleitung auftreten, wenn der die Versorgungsleitung umgebende Isolator (u. a. zur Isolierung von weiteren Versorgungsleitungen) nicht ideal ist, er also eine zumindest geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt und somit einen zumindest geringen Strom führt. Es ist auch denkbar, dass die Oberfläche eines die Versorgungsleitung umgebenden Isolators einen Kriechstrom führt, beispielsweise wenn Verunreinigungen und/oder Feuchtigkeit auf der Oberfläche vorhanden sind. Auch aus anderen, hier nicht abschließend aufgezählten Gründen, können Leckströme an der Versorgungsleitung auftreten, die von dem Netzwerkknoten über die zuvor beschriebene Kopplung an die Versorgungsleitung gemäß der zweiten Realisierung abgreifbar oder entnehmbar sind.
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Der Netzwerkknoten, insbesondere der Sensorknoten, kann weiter eine Schutzschaltung aufweisen. Die Schutzschaltung ist insbesondere dazu ausgebildet, die Weitergabe von durch den Netzwerkknoten hervorgerufenen elektrischen Störungen in Richtung der Versorgungsleitung zu verhindern und/oder die Eingabe von aus Richtung der Versorgungleitung kommenden elektrischen Störungen in den Netzwerkknoten zu verhindern. Insbesondere kann die Schutzschaltung dazu ausgebildet sein, die Weitergabe von durch den Netzwerkknoten hervorgerufenen elektrischen Störungen auf andere mit der Versorgungsleitung verbundene elektronische Geräte oder Verbraucher, wie andere mit der Versorgungsleitung verbundene Netzwerkknoten oder elektronische Geräte, zu verhindern und/oder die Eingabe von durch andere mit der Versorgungsleitung verbundene elektronische Geräte hervorgerufenen elektrischen Störungen in den Netzwerkknoten zu verhindern. Bei den aus Richtung der Versorgungsleitung kommenden elektrischen Störungen kann es sich beispielsweise um elektrische Störsignale handeln, die durch Fehlfunktionen (Fehlverhalten) oder Störungen oder Ausfälle von mit der Versorgungsleitung verbundenen elektronischen Geräten hervorgerufen werden. Die Schutzschaltung kann dafür sorgen, dass diese Störsignale nicht über die Versorgungsleitung und die Kopplung des Netzwerkknotens an die Versorgungsleitung in den Netzwerkknoten eindringen. Die aus Richtung der Versorgungsleitung kommenden elektrischen Störungen können beispielsweise auch durch Überspannungen zwischen zwei oder mehr Versorgungsleitungen hervorgerufen werden. Auch diese Störungen können durch die Schutzschaltung von dem Netzwerkknoten abgehalten werden. Bei den durch den Netzwerkknoten hervorgerufenen elektrischen Störungen kann es sich z. B. um durch Fehlfunktionen (Fehlverhalten) des Netzwerkknotens oder Komponenten des Netzwerkknotens hervorgerufene elektrische Störsignale handeln. Auch diese Störungen können durch die Schutzschaltung von anderen mit der Versorgungsleitung verbundenen elektronischen Geräten abgehalten werden. Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten Beispielen kann die Schutzschaltung dazu ausgebildet sein, Überspannungen, wie durch Blitzeinschläge oder Radareinstrahlung hervorgerufene Überspannungen, abzuhalten (von dem Netzwerkknoten und/oder den anderen elektronischen Geräten).
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Die Schutzschaltung kann dazu ausgebildet sein, auftretende Überspannungen oder Spannungsspitzen zu vermindern. Für die Schutzschaltung sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Die Schutzschaltung kann gemäß einer Ausgestaltung eine Diode, insbesondere eine Zenerdiode (Z-Diode) aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Schutzschaltung ein RC-Glied und/oder einen Überstromschalter aufweisen. Es sind auch weitere Ausgestaltungen der Schutzschaltung denkbar, bei der die Schutzschaltung z. B. einen Varistor, einen Widerstand oder eine Schaltung mit Diode und Zenerdiode aufweist. Es ist ferner denkbar, dass die Schutzschaltung elektronisch abschaltet.
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Der Energiepufferspeicher und/oder die Schutzschaltung können in den Netzwerkknoten integriert sein. Der Energiepufferspeicher und/oder die Schutzschaltung können beispielsweise miniaturisiert werden, um in einen miniaturisierten Netzwerkknoten integriert zu sein. Bei dem Energiepufferspeicher kann es sich beispielsweise um einen Akkumulator und/oder einen Kondensator, insbesondere einen Super-Kondensator, handeln oder der Energiepufferspeicher kann einen Akkumulator und/oder einen Kondensator, insbesondere einen Super-Kondensator, aufweisen. Der Super-Kondensator kann beispielsweise als Doppelschichtkondensator, als Ultrakondensator oder als Hybridkondensator ausgebildet sein.
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Unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Energiepufferspeichers oder der Ausgestaltung der Kopplung des Netzwerkknotens, insbesondere des Sensorknotens, mit der. Versorgungsleitung kann der Netzwerkknoten dazu ausgebildet sein, zeitkontinuierlich den Leckstrom von der Versorgungsleitung zu entnehmen und den Energiepufferspeicher mit dem entnommenen Leckstrom, z. B. auch zeitkontinuierlich, aufzuladen. Der Energiepufferspeicher kann demnach mit einem sehr geringen Strom kontinuierlich aufgeladen werden. Durch die Kopplung mit der Versorgungsleitung kann der Netzwerkknoten durch die Entnahme von Leckströmen den Energiepufferspeicher mit einem solchen sehr kleinen Strom aufladen.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann der Netzwerkknoten kontaktlos mit der zugehörigen Versorgungsleitung koppelbar sein. Bei dieser kontaktlosen Kopplung kann es sich insbesondere um eine induktive oder kapazitive Kopplung des Netzwerkknotens mit der Versorgungsleitung handeln. Durch die kontaktlose, z. B. kapazitive oder induktive Kopplung mit der Versorgungsleitung kann der Netzwerkknoten den Leckstrom entnehmen. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, dass der Netzwerkknoten über Kontakte oder eine galvanische Kopplung mit der Versorgungsleitung gekoppelt ist, um den Leckstrom zu entnehmen.
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Die induktive Kopplung kann durch die Kopplung von zwei oder mehr Induktivitäten oder Spulen erfolgen, von denen eine mit der Versorgungsleitung und von denen eine andere mit dem Netzwerkknoten verbunden ist. Die eingesetzten Spulen können ein oder mehrere Windungen, beispielsweise nur eine einstellige Anzahl an Windungen, wie z. B. eine, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Windungen aufweisen. Es ist sowohl möglich, dass beide Spulen die gleiche Anzahl oder eine unterschiedliche Anzahl an Windungen aufweisen. Die Anzahl der Windungen kann so gewählt werden, dass sie ausreicht, einen Leckstrom im Bereich von wenigen μA, wie einen zweistelligen μA-Wert, beispielsweise einen Leckstrom von 10 μA bis 20 μA, oder einen Leckstrom von wenigen mA, wie z. B. 1 mA, 2 mA oder mehr als 2 mA, zu entnehmen. Die kapazitive Kopplung kann mit Hilfe eines Kondensators erfolgen, dessen eine Kondensatorplatte mit der Versorgungsleitung und dessen andere Kondensatorplatte mit dem Netzwerkknoten verbunden ist. Auch hier kann die gewählte Kondensatorfläche und/oder die gewählte Kondensatorplattengröße und/oder der gewählte Kondensatorplattenabstand darauf abgestimmt werden, einen Leckstrom im Bereich von wenigen μA, wie einen zweistelligen μA-Wert, beispielsweise einen Leck-Strom von 10 μA bis 20 μA, oder einen Leckstrom von wenigen mA, wie z. B. 1 mA, 2 mA oder mehr als 2 mA, zu entnehmen.
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Wie zuvor ausgeführt kann der Netzwerkknoten z. B. zeitkontinuierlich den Leckstrom von der Versorgungsleitung entnehmen und den Energiepufferspeicher mit dem entnommenen Leckstrom aufladen. Die Abgabe von Energie aus dem Energiepufferspeicher kann auf verschiedene Arten erfolgen. Insbesondere ist der Energiepufferspeicher dazu ausgebildet, bei Bedarf des Netzwerkknotens nach elektrischer Energie, in dem Energiepufferspeicher gespeicherte elektrische Energie zur Versorgung des Netzwerkknotens abzugeben. Die Abgabe von elektrischer Energie kann demnach beispielsweise nur zu kurzen Zeiten, wie beispielsweise zeitdiskret, erfolgen. Ist der Netzwerkknoten z. B. als Sensorknoten ausgestaltet, so befindet sich der Sensorknoten die meiste Zeit in einem Schlafmodus (d. h. der Sensorknoten ist inaktiv), in dem er nur wenig Energie aus dem Energiepufferspeicher entnehmen muss. Für das Durchführen einer Messung wacht der Sensorknoten auf (d. h. der Sensorknoten ist aktiv) und führt die Messung für eine kurze Zeitspanne durch. Für diese kurze Zeitspanne entnimmt der Netzwerkknoten elektrische Energie aus dem Energiepufferspeicher, um die Messung durchzuführen. Durch die kurzzeitige Aufnahme von geringen Strömen und das Laden des Energiepufferspeichers mit niedrigen Strömen, kann der Energiepufferspeicher miniaturisiert und in den Sensorknoten integriert werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass der Netzwerkknoten, insbesondere der Sensorknoten, im Schlafmodus Strom im Bereich von wenigen μA, beispielsweise von 10 μA bis 20 μA, verbraucht. Zur Durchführung seiner Aufgabe, z. B. seiner Steuer- oder Messaufgabe, kann der Netzwerkknoten einen höheren Strom im Bereich von wenigen mA, z. B. von 10 mA bis 30 mA, verbrauchen.
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Gemäß einer ersten möglichen Realisierung kann der Netzwerkknoten weiter eine Transformationskomponente zum Transformieren des entnommenen Leckstroms in eine zur Versorgung des Netzwerkknotens geeignete Größe, z. B. Stromgröße, aufweisen. Beispielsweise kann die Transformationskomponente dazu ausgebildet sein, eine auf der Versorgungsleitung zur Verfügung stehende höhere Spannung in eine zur Verwendung in dem Netzwerkknoten, insbesondere in dem Sensorknoten, geeignete, niedrigere Spannungsgröße zu transformieren. Es ist denkbar, dass an der Versorgungsleitung eine Spannung von 28 Volt oder 110 Volt Wechselspannung vorliegt, die zu hoch für den Betrieb des Netzwerkknotens ist. Durch die hohe Spannung könnte der Netzwerkknoten beispielsweise beschädigt werden. Die Transformationskomponente kann die Spannung in eine geeignetere Spannung z. B. im einstelligen Volt-Bereich, beispielsweise 3 Volt, umwandeln.
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Gemäß einer zweiten möglichen Realisierung, die unabhängig oder in Kombination mit der ersten Realisierung realisierbar ist, kann der Netzwerkknoten weiter ein Kommunikationsmodul zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Kommunikation mit weiteren in dem Netzwerk des Transportmittels vorgesehenen Netzwerkknoten, insbesondere Sensorknoten, aufweisen. Über das Kommunikationsmodul kann der Netzwerkknoten, insbesondere der Sensorknoten, beispielsweise seine Messergebnisse an andere Netzwerkknoten, wie andere Sensorknoten oder zentrale Server oder Steuereinheiten übermitteln, in denen die Ergebnisse dann ausgewertet oder anderweitig weiterverwendet werden können. Auch kann der Netzwerkknoten über das Kommunikationsmodul Zustandsabfragen erhalten oder Anweisungen erhalten, dass z. B. eine bestimmte Steuerung oder Messung auszuführen ist. Auch das Kommunikationsmodul kann durch die in dem Energiepufferspeicher gespeicherte elektrische Energie versorgt werden.
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Das erfindungsgemäße Netzwerk für ein Transportmittel, insbesondere für ein Flugzeug, umfasst ein oder mehrere an ein oder mehrere Versorgungsleitungen zur Versorgung des Transportmittels, insbesondere des Flugzeugs, mit elektrischer Energie koppelbare Netzwerkknoten wie sie hierin beschrieben werden/wurden. Jeder der ein oder mehreren Netzwerkknoten ist an zumindest eine zugeordnete Versorgungsleitung der ein oder mehreren Versorgungsleitungen zur Entnahme von Leckstrom koppelbar oder gekoppelt. Insbesondere ist jeder der ein oder mehreren Netzwerkknoten an genau eine zugeordnete Versorgungsleitung zur Entnahme von Leckstrom koppelbar oder gekoppelt.
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Das Netzwerk kann gemäß einer möglichen Realisierung als Sensornetzwerk mit ein oder mehreren Sensorknoten ausgebildet sein, wie sie hierin beschrieben werden/wurden.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist das Netzwerk, insbesondere das Sensornetzwerk, ein oder mehrere Kopplungseinheiten auf, wobei jeder der ein oder mehreren Netzwerkknoten mittels einer der ein oder mehreren Kopplungseinheiten an die zugeordnete Versorgungsleitung gekoppelt werden kann oder gekoppelt ist.
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Auch ist es möglich, dass eine Teilzahl von Netzwerkknoten über mehrere Kopplungseinheiten jeweils mit mehreren zugehörigen Versorgungsleitungen gekoppelt werden kann oder gekoppelt ist.
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Die ein oder mehreren Kopplungseinheiten können beispielsweise zur kontaktlosen, insbesondere induktiven oder kapazitiven, Kopplung des Netzwerkknotens an die zugeordnete Versorgungsleitung ausgebildet sein. Hierzu können die ein oder mehreren Kopplungseinheiten ein oder mehrere Induktivitäten oder ein oder mehrere Kapazitäten zur Kopplung an die Versorgungsleitung und zur Entnahme des Leckstroms aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die ein oder mehreren Kopplungseinheiten Kontakte aufweisen, über die der Netzwerkknoten an die zugehörige Versorgungsleitung koppelbar ist.
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Das Netzwerk kann eine Vielzahl von Netzwerkknoten und eine entsprechende Vielzahl von Kopplungseinheiten aufweisen. Es ist möglich, dass eine Teilzahl der Vielzahl von Netzwerkknoten an mehr als eine Versorgungsleitung koppelbar oder gekoppelt ist. Eine andere Teilzahl der Vielzahl von Netzwerkknoten kann entsprechend nur mit genau einer zugeordneten Versorgungsleitung koppelbar oder gekoppelt sein.
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Es ist denkbar, dass zumindest eine Teilzahl der Vielzahl von Kopplungseinheiten zur kontaktlosen, insbesondere Induktiven oder kapazitiven, Kopplung der Netzwerkknoten an die zugeordneten Versorgungsleitungen ausgebildet ist. Im Falle einer Vielzahl von Kopplungseinheiten sind die verschiedenen möglichen Kopplungsarten miteinander kombinierbar, d. h. eine Teilzahl der Kopplungseinheiten kann zur induktiven Kopplung, eine andere Teilzahl der Kopplungseinheiten kann zur kapazitiven Kopplung und eine weitere Teilzahl der Kopplungseinheiten kann zur Kopplung über Kontakte ausgebildet sein.
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Gemäß einer möglichen Variante kann zumindest eine Teilzahl, beispielsweise auch alle, der Netzwerkknoten, insbesondere der Sensorknoten, ein Kommunikationsmodul zur drahtlosen und/oder drahtgebundenen Kommunikation mit anderen in dem Netzwerk, insbesondere dem Sensornetzwerk, vorgesehenen Netzwerkknoten aufweisen. Ferner kann das Netzwerk eine zentrale Absicherung, insbesondere eine Sicherung, aufweisen, die zur gemeinsamen Absicherung der ein oder mehreren Versorgungsleitungen ausgebildet ist. Die zentrale Absicherung kann beispielsweise an einem zentralen Einspeisepunkt des Netzwerks vorgesehen sein, so dass die Absicherung alle mit dem Einspeisepunkt verbundenen Versorgungsleitungen absichert.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Es stellen dar:
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1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Aufbaus zur Versorgung eines Netzwerks mit elektrischer Energie;
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2 eine schematische Darstellung eines Netzwerkknotens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Architektur zur Versorgung eines Netzwerks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit elektrischer Energie;
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4a eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Realisierung einer Kopplungseinheit aus 3;
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4b eine schematische Darstellung einer zweiten möglichen Realisierung der Kopplungseinheit aus 3; und
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4c eine schematische Darstellung einer dritten möglichen Realisierung der Kopplungseinheit aus 3.
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Beispielhaft wird im Folgenden angenommen, dass es sich bei den in den Figuren gezeigten Netzwerken um Netzwerke eines Flugzeugs handelt. Ebenso wird beispielhaft im Folgenden angenommen, dass es sich bei den in den Figuren gezeigten Geräten und Sensoren um solche eines Flugzeugs handelt. Die nachfolgend beschriebenen Komponenten sind jedoch nicht auf eine Verwendung im Flugzeug beschränkt, sondern können auch in anderen Transportmitteln, wie Zügen, Bussen oder Schiffen angeordnet sein.
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Die 1 zeigt die grundsätzliche Architektur eines herkömmlichen in einem Flugzeug vorgesehenen Netzwerks. Insbesondere zeigt die 1 schematisch eine herkömmliche Architektur eines Bordnetzes, das Kabel (Versorgungsleitungen) und Geräte vor Fehlfunktionen absichert.
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Über einen oder mehrere Generatoren erzeugte Energie wird über einen zentralen Einspeisepunkt in das Bordnetz eingespeist. Mehrere Versorgungsleitungen (Primärversorgungskabel) 10a, 10b, 10c führen in einem Kabelbündel 10 von dem Einspeisepunkt weg, um die eingespeiste Energie auf verschiedene Geräte zu verteilen und diese Geräte mit Strom zu versorgen. In 1 sind beispielhaft drei solcher Leitungen 10a, 10b, 10c gezeigt, es kann jedoch jede mögliche Vielzahl von Versorgungsleitungen von dem Einspeisepunkt wegführen. Die Versorgungsleitungen 10a, 10b, 10c sind mit einer zentralen Absicherung 20 (einer zentralen Sicherung) an dem zentralen Einspeisepunkt abgesichert. Beispielhaft führen zwei der drei Versorgungsleitungen, nämlich die Versorgungsleitung 10a, 10c, in jeweils ein Einzelgerät 30, 50, um diese Einzelgeräte 30, 50 mit Strom zu versorgen. Eine andere Versorgungsleitung 10b führt von dem Einspeisepunkt zu einer Gerätegruppe 40, in welcher eine Vielzahl von Einzelgeräten angeordnet sind (in 1 beispielhaft drei Einzelgeräte), die gemeinsam von der einen Versorgungsleitung 10b versorgt werden.
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Die zentrale Absicherung 20 dient dazu, zu verhindern, dass Störungen oder Fehlfunktionen, wie z. B. Überspannungen zwischen den Leitungen 10a, 10b, 10c oder Fehlfunktionen in den Geräten, auf andere Teile des Bordnetzes, wie andere Einzelgeräte oder Gerätegruppen, übergreifen. Tritt beispielsweise eine Fehlfunktion in dem Einzelgerät 30 auf, so wird eine hieraus resultierende Störung des Einzelgeräts 50 oder der Gerätegruppe 40 durch die zentrale Absicherung 20 verhindert.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Netzwerkknotens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Netzwerkknoten kann es sich beispielsweise um einen Sensorknoten mit einem oder mehreren Sensoren zur Messung verschiedener Parameter, wie z. B. Temperatur, Druck etc., handeln. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Sensorknoten beschränkt.
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Der Netzwerkknoten 200 weist einen Pufferspeicher 260 auf, der mit elektrischer Energie aufladbar ist und den Netzwerkknoten 200 (genauer gesagt elektrische Energie benötigende Komponenten des Netzwerkknotens 200) durch Abgabe der gespeicherten Energie mit elektrischer Energie versorgen kann. Zusätzlich zu dem Pufferspeicher 260 kann der Netzwerkknoten 200 optional eine Schutzschaltung 220, ein Netzteil 240 und/oder ein Kommunikationsmodul 280 unabhängig voneinander oder in Kombination miteinander aufweisen. Die Schutzschaltung 220, das Netzteil 240 und das Kommunikationsmodul 280 sind, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, nur optional und können auch entfallen. Falls die Schutzschaltung 220 entfällt, kann der in 2 in die Schutzschaltung 220 weisende Pfeil, der die Entnahme von Leckstrom aus einer Versorgungsleitung symbolisiert, direkt in den Pufferspeicher 260 führen, so dass der Pufferspeicher 260 direkt mit dem entnommenen Leckstrom aufladbar ist. Falls beispielsweise die Schutzschaltung 220 in dem Netzwerkknoten 200 vorhanden ist, das Netzteil 240 jedoch nicht, so kann die Schutzschaltung 220 direkt mit dem Pufferspeicher 260 verbunden sein.
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In Bezug auf 3 wird die Funktionsweise des Netzwerkknotens 200 beschrieben. In 3 weist der Netzwerkknoten 200 rein beispielhaft alle der in 2 gezeigten Komponenten, d. h. auch die optionale Schutzschaltung 220, das optionale Netzteil 240 und das optionale Kommunikationsmodul 280 auf, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern auch ausführbar, wenn der Netzwerkknoten 200 lediglich den Pufferspeicher 260 zur Speicherung von elektrischer Energie und zur Versorgung des Netzwerkknotens 200 mit elektrischer Energie aufweist.
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Wie in 3 gezeigt, führen von einem Einspeisepunkt drei Versorgungsleitungen 100a, 100b, 100c zusammengefasst in einem Stromversorgungskabelbündel 100 weg, um an Bord des Flugzeugs Geräte (Verbraucher) mit Strom zu versorgen. Die Versorgungsleitungen 100a, 100b, 100c sind durch eine zentrale Absicherung 20, wie sie auch in Bezug auf 1 gezeigt wurde, an dem Einspeisepunkt abgesichert. Die 3 zeigt rein beispielhaft nur drei Versorgungsleitungen 100a, 100b, 100c, es kann jedoch jede Vielzahl von Versorgungsleitungen an Bord des Flugzeugs zur Versorgung von Geräten angeordnet sein. Wie in 3 zu erkennen, ist die Versorgungsleitung 100a mit einem Einzelgerät 30 verbunden, um das Einzelgerät 30 mit Strom zu versorgen. Genauso können andere Einzelgeräte oder Gerätegruppen, wie dies in Bezug auf 1 beschrieben wurde, mit den Versorgungsleitungen 100b, 100c verbunden sein. Dies ist jedoch aus Platzgründen nicht in 3 gezeigt.
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Ein in Bezug auf 2 beschriebener Netzwerkknoten 200 ist über eine zur Kopplung des Netzwerkknotens 200 mit der Versorgungsleitung 100a dienende Kopplungsschaltung 300 mit der Versorgungsleitung 100a gekoppelt. Durch die Kopplung mit der Versorgungsleitung 100a kann der Netzwerkknoten 200 Leckströme (einen Bruchteil des über die Versorgungsleitung 100a geführten Stroms) von der Versorgungsleitung 100a entnehmen. Ist der entnommene Leckstrom nicht für den Betrieb des Netzwerkknotens 200 verwendbar, so kann mit Hilfe einer in dem Netzteil vorgesehenen zur Transformation des entnommenen Stroms dienenden Transformationskomponente der entnommene Leckstrom in geeignete Größen umgewandelt werden.
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Das Netzteil 240 kann mit der Transformationskomponente beispielsweise eine Spannungstransformation durchführen. Liegt beispielsweise an der Versorgungsleitung 300a eine Spannung in Höhe von 110 Volt an, so kann das Netzteil die Spannung auf beispielsweise 3 Volt herunter transformieren, so dass der Netzwerkknoten 200 mit der Spannung von 3 Volt betrieben werden kann. Der entnommene Leckstrom wird in dem Pufferspeicher 260 des Netzwerkknotens 200 in Form elektrischer Energie gespeichert und kann bei Bedarf des Netzwerkknotens 200 nach elektrischer Energie an die zu versorgenden Komponenten abgegeben werden. Insbesondere entnimmt der Netzwerkknoten 200 über die Kopplungsschaltung 300 zumindest nahezu zeitkontinuierlich geringe Leckströme von der Versorgungsleitung 100a und lädt dadurch den Pufferspeicher 260 mit elektrischer Energie auf. Über das Kommunikationsmodul 280 kann der Netzwerkknoten mit anderen Netzwerkknoten 200 drahtgebunden oder drahtlos (im Falle von drahtloser Datenübertragung über die Antenne 290) kommunizieren. Zur Stromversorgung des Kommunikationsmoduls 280 kann die in dem Pufferspeicher 260 gespeicherte Energie dienen. Ferner kann der Netzwerkknoten 200 aus dem Energiepufferspeicher 260 elektrische Energie entnehmen, um z. B. über Sensoren spezifische Messungen, wie Temperatur- oder Druckmessungen, durchführen zu können. Die für die durchzuführende Messung benötigte Energie führt der Energiepufferspeicher 260 dem oder den entsprechenden Sensoren zu.
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Die Betriebsweise des Netzwerkknotens 200 wird nachfolgend anhand eines als Sensorknoten ausgebildeten Netzwerkknotens beschrieben, ist jedoch auch auf alle anderen Netzwerkknoten 200 übertragbar, die nicht zeitkontinuierlich, sondern nur in bestimmten Zeitintervallen eine gewisse Funktion, z. B. eine Steuer- oder Messfunktion, ausführen. Der Sensorknoten wird nachfolgend auch mit dem Bezugszeichen 200 des Netzwerkknotens bezeichnet.
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Der Sensorknoten 200 ist in einem Sensornetzwerk angeordnet und weist zumindest einen Sensor zur Messung von bestimmten Umgebungsparametern auf. Über längere Zeiträume, insbesondere zeitkontinuierlich, wird der Pufferspeicher 260 durch die Entnahme von Leckströmen aus der Versorgungsleitung 100a geladen. Der Sensorknoten 200 befindet sich normalerweise in einem Schlafmodus, d. h. er ist inaktiv, und verbraucht in diesem Zustand nur wenig Strom, z. B. im Bereich von wenigen μA, z. B. 10 bis 20 μA. Wenn eine Messung durchzuführen ist, wacht der Sensorknoten 200 auf und führt die auszuführende Messung durch. Bei der Durchführung der Messung benötigt der Sensorknoten 200 einen höheren Strom, beispielsweise einen Strom im mA-Bereich, z. B. einen Strom zwischen 10 und 30 mA. Diesen höheren Strom entnimmt der Sensorknoten 200 nur kurzzeitig, d. h. nur solange, wie die auszuführende Messung durchgeführt wird.
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Die elektrische Energie zum Aufladen des Energiepufferspeichers 260 und zum Betreiben des Sensorknotens 200, entnimmt der Sensorknoten 200 der Versorgungsleitung 100a über die Kopplungsschaltung 300. Die Kopplungsschaltung 300 koppelt den Sensorknoten 200 derart an die Versorgungsleitung, dass der Sensorknoten 200 einen Bruchteil des in der Versorgungsleitung 100a geführten Stroms als Leckstrom entnehmen kann.
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Um den Sensorknoten 200 vor Fehlfunktionen oder elektrischen Störungen hervorgerufen durch die Versorgungsleitungen 100a, 100b, 100c oder andere Geräte, wie das Einzelgerät 30, zu schützen, ist eine Schutzschaltung 220 in dem Sensorknoten 200 vorgesehen. Die Schutzschaltung 220 ist ferner dazu ausgebildet, andere Geräte, wie das Einzelgerät 30 vor durch den Sensorknoten 200 hervorgerufenen Fehlfunktionen oder elektrischen Störungen zu schützen. Tritt beispielsweise eine Überspannung zwischen den Leitungen 100b und 100a auf, so verhindert die Schutzschaltung 220, dass die Überspannung den Sensorknoten 200 stört oder beschädigt. Genauso wird durch die Schutzschaltung 220 verhindert, dass eine Fehlfunktion oder ein Ausfall des Einzelgeräts 30 zu Störungen oder Beschädigungen in dem Sensorknoten 200 führt. Würde z. B. das Einzelgerät 30 kaputt gehen, so können hohe Spannungen im Bereich von mehreren hundert Volt oder 1000 Volt auftreten, die den Sensorknoten 200 zerstören würden. Die Schutzschaltung 220 schützt den Sensorknoten 200 vor solchen Überspannungen. Beispielsweise kann als Schutzschaltung eine Z-Diode oder ein Überstromschalter verwendet werden. Auch verhindert die Schutzschaltung 220, dass Fehlfunktionen in dem Sensorknoten 200, wie durch Beschädigung des Sensorknotens 200 auftretende Spannungsspitzen, das Einzelgerät 30 stören oder negativ beeinflussen.
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Die 4a bis 4c zeigen schematisch mögliche Ausgestaltungen der Kopplungsschaltung 300 zur Kopplung des Netzwerkknotens 200 mit der Versorgungsleitung 100a.
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Die 4a und 4b zeigen exemplarisch zwei Möglichkeiten zur kontaktlosen Kopplung des Netzwerkknotens 200 an die Versorgungsleitung 100a. Die 4c zeigt eine Möglichkeit zur Kopplung über Kontakte.
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Die 4a zeigt schematisch eine Kopplungsschaltung 300a zur kapazitiven Kopplung. Über die kapazitive Kopplungsschaltung 300a kann der Netzwerkknoten 200 an die Versorgungsleitung 100a kapazitiv gekoppelt werden und über die kapazitive Kopplung den Leckstrom von der Versorgungsleitung 100a kontaktlos entnehmen, ohne mit der Versorgungsleitung 100a über Kontakte verbunden zu sein. In der Kopplungsschaltung 300a ist ein Kondensator angeordnet. Gemäß der in 4a beispielhaft gezeigten Realisierung weist der Kondensator zwei Kondensatorplatten 320a, 340a auf. Eine der Kondensatorplatten, nämlich in 4a die Kondensatorplatte 320a, ist mit der Versorgungsleitung 100a, die andere der Kondensatorplatten, nämlich in 4a die Kondensatorplatte 340a, ist mit dem Netzwerkknoten 200 verbunden. Alternativ zu den in 4a rein schematisch angedeuteten zwei Kondensatorplatten 320a, 340a kann jede dieser Kondensatorplatten 320a, 340a jeweils zwei oder mehr elektrisch leitfähige, nebeneinander (ko-planar) angeordnete, räumlich voneinander getrennte Flächen aufweisen. Jeder dieser Flächen bildet demgemäß mit ihrer gegenüberliegenden Fläche einen Plattenkondensator. Die zwei mit dem Netzwerkknoten 200 verbundenen Flächen können dann mit diesem in Reihe geschaltet werden.
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Wie in 4a zu erkennen, ist die Kondensatorplatte 320a mit der Versorgungsleitung 100a verbunden. Gemäß einer ersten möglichen Realisierung ist die Kondensatorplatte 320a mit dem in der Versorgungsleitung 100a zum Leiten des Versorgungsstroms vorgesehenen stromführenden Leiter, z. B. unmittelbar, verbunden. Im Einklang mit dieser ersten Realisierung kann über die Kopplungsschaltung ein Bruchteil des über den stromführenden Leiter fließenden Stroms entnommen oder „abgezapft” werden. Der entnommene Strom wird dann in dem Pufferspeicher 260 des Netzwerkknotens 200 in Form von elektrischer Energie zwischengespeichert. Gemäß einer zweiten möglichen Realisierung ist die Kondensatorplatte 320a mit einer, beispielsweise den stromführenden Leiter umgebenden, Isolation (Isolierung) der Versorgungsleitung 100a, z. B. unmittelbar, verbunden. Im Einklang mit dieser zweiten Realisierung kann über die Kopplungsschaltung ein in der Isolation vorhandener Leckstrom oder Kriechstrom entnommen werden, der um ein Vielfaches kleiner ist als der in dem stromführenden Leiter geleitete Strom. Der entnommene Strom wird dann in dem Pufferspeicher 260 des Netzwerkknotens 200 in Form von elektrischer Energie zwischengespeichert.
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Die 4b zeigt schematisch eine Kopplungsschaltung 300b zur induktiven Kopplung des Netzwerkknotens 200 an die Versorgungsleitung 100a. Über die induktive Kopplungsschaltung 300b kann der Netzwerkknoten 200 an die Versorgungsleitung 100a induktiv gekoppelt werden und über die induktive Kopplung den Leckstrom von der Versorgungsschaltung 100a kontaktlos entnehmen, ohne mit der Versorgungsleitung 100a über Kontakte verbunden zu sein. In der Kopplungsschaltung 300b sind zwei Spulen 320b, 340b angeordnet. Eine der Spulen, nämlich in 4b die Spule 320b, ist mit der Versorgungsleitung 100a, die andere der zwei Spulen, nämlich in 4b die Spule 340b, ist mit dem Netzwerkknoten 200 verbunden.
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Wie in 4b zu erkennen, ist gemäß einer möglichen Realisierung die Spule 320b in der Versorgungsleitung 100a selbst angeordnet bzw. durch diese gebildet. Die weitere Spule 340 ist mit einer Leitung verbunden oder durch diese gebildet. Die Leitungsenden dieser Leitung führen dann, wie in 4b schematisch angedeutet als „Leitungsbündel”, z. B. als zwei parallel zueinander verlaufende Leitungen, zu dem Netzwerkknoten 200 (in 3 ist dieses Leitungsbündel vereinfacht als eine von der Kopplungsschaltung 300 zu dem Netzwerkknoten 200 führende Leitung gezeigt). Die von dem Versorgungsstrom durchflossene Spule 320b erzeugt einen magnetischen Fluss. Zumindest ein Teil des magnetischen Flusses induziert in der Spule 340b eine Spannung. Der hierdurch hervorgerufene Strom entspricht einem Bruchteil des in der Versorgungsleitung 100a geführten Versorgungsstroms und kann in Form elektrischer Energie in dem Pufferspeicher 260 des Netzwerkknotens 200 zwischengespeichert werden.
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Die 4c zeigt schematisch eine Kopplungsschaltung 300c mit Hilfe von Kontakten. Über die Kopplungsschaltung 300c kann der Netzwerkknoten 200 an die Versorgungsleitung 100a direkt gekoppelt werden und über die direkte Kopplung den Leckstrom von der Versorgungsschaltung 100a entnehmen.
