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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese PCT-Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 13/532,931, die am 26. Juni 2012 eingereicht wurde und die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Leistungsversorgungssteuerung/Netzteilsteuerung und, genauer gesagt, das Einstellen der Ausgangsspannung einer Leistungsversorgung basierend auf der tatsächlichen entfernten (remote) Last.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wenn man einen Ausgangsstrom treibt (z. B. einen Strom mit 4–20 mA), wird eine minimale Konformitätsspannung/Bürdenspannung (compliance voltage), und daher eine entsprechende Versorgung, benötigt. Bei einer fest eingestellten Leistungssteuerung (fixed power controller), wird die Konformitätsspannung üblicherweise auf eine fest eingestellte Spannung basierend auf einer vorbestimmten maximalen Last und dem maximalen Strom eingestellt, der der Last zugeführt werden soll. Da der Stromausgangswandler (current output converter) die Last nicht kennt, muss die Leistungsversorgungskonformität (power supply compliance) (und daher die Leistungsversorgung) groß genug sein, um den ganzen Bereich an Lasten abzudecken. Wenn die tatsächliche Last geringer ist als die maximale Last, ginge die überschüssige Leistung an der Leistungssteuerung verloren (dissipated) und in dem Gehäuse des Treiberbauteils (driving device). Üblicherweise wird die Konformitätsspannung auf das Minimum der erforderlichen Konformitätsspannung plus eine kleine Freiraumspannung (headroom voltage), z. B. 2 V, eingestellt.
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Bei einem Betrieb in einem Stromausgangsmodus kann ein Wandler mit dynamischer Leistungssteuerungsfähigkeit, wie die AD5755-Familie von Bauteilen, die von Analog Devices, Inc. aus Norwood, MA verkauft werden, konfiguriert werden, dass die benötigte Ausgangskonformitätsspannung (output compliance voltage) erfasst wird und die Leistungsversorgungsspannung dynamisch geändert wird, um Konformitätsanforderungen zu erfüllen, z. B. durch Verwendung eines auf der Platine befindlichen DC/DC-Aufwärtswandlers (on-board DC-DC boost converter), um die Leistungsversorgung wie benötigt zu modulieren. Zum Beispiel, unter Verwendung der Formel VOUTmin = IOUTact × RLASTmax (wobei VOUTmin die minimal erforderliche Ausgangsspannung ist, IOUTact die tatsächliche Stromausgabe (current output) ist, und RLASTmax die maximale entfernte Last ist), wenn RLASTmax = 1 Kohm und IOUTact = 10 mA, dann ist VOUTmin = 10 V; aber wenn RLASTmax = 1 Kohm und IOUTact = 20 mA, dann ist VOUTmin = 20 V. Üblicherweise ist die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung auf VOUTmin eingestellt plus eine kleine Freiraumspannung, z. B. 2 V. Eine solche dynamische Leistungssteuerung wird erläutert, zum Beispiel, in dem Datenblatt von Analog Devices AD5755-1, Rev. B (2011), das verfügbar ist unter www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD5755-1.pdf das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird. Unter anderem kann eine solche dynamische Leistungssteuerung unter Verwendung einer DC/DC-Aufwärtswandlerschaltung, den Leistungsverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Designs reduzieren, wenn das Teil im Stromausgangsmodus verwendet wird.
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Ein Nachteil einer solchen dynamischen Leistungssteuerung ist, dass, da die Leistungsversorgung direkt von dem gezogenen Strom moduliert wird, wenn große Ausgangshübe (output swings) benötigt sind, die Einschwingzeit der Stromausgabe sehr groß werden kann, insbesondere wenn hohe Lastwerte gespeist werden. Daher ist es so, dass solche dynamischen Leistungssteuerungen zwar dazu neigen, die Leistungsabfuhr zu verbessern, diese oftmals auf Kosten der Einschwingzeit tun.
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ZUSAMMENFASSUNG BEVORZUGTER AUSGESTALTUNGEN
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Bei bestimmten bevorzugten Ausgestaltungen weist ein Wandler zum Steuern der Ausgangsspannung einer Leistungsversorgung eine Messschaltung und eine Steuerung in Verbindung mit der Messschaltung auf, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eine entfernte Last zu ermitteln, die mit dem Wandler gekoppelt ist, basierend auf einer bekannten Stromausgabe, die der entfernten Last zugeführt wird, und auf Messungen, die man von der Messschaltung erhält, wobei die Steuerung ferner dafür ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der ermittelten entfernten Last und einem vorgegebenen maximalen Strom zu ermitteln.
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Bei verschiedenen alternativen Ausgestaltungen kann der Wandler auch eine Stromquelle aufweisen, wobei die Steuerung dafür ausgebildet ist, zu bewirken, dass die Stromquelle einen bekannten Strom der entfernten Last zuführt und die entfernte Last basierend auf dem bekannten Strom und Spannungsmessungen zu ermitteln, die man von der Messschaltung erhält. Die Messschaltung kann einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, der dafür ausgebildet ist, der Steuerung Messwerte bereitzustellen, oder die Messschaltung kann dafür ausgebildet sein, der Steuerung Spannungsmessungen oder Lastwerte zur Verfügung zu stellen. Bei einigen Ausgestaltungen kann der Wandler die Leistungsversorgung aufweisen, die zum Beispiel einen DC/DC-Wandler und/oder einen Leistungsregler aufweisen kann. Bei solchen Ausgestaltungen können die Messschaltung, die Steuerung und die Leistungsversorgung auf einem einzelnen Chip angeordnet sein. Bei verschiedenen Ausgestaltungen kann das Einstellen der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der entfernten Last und einem vorbestimmten maximalen Strom das Speichern eines Werts aufweisen, der zum Steuern der Leistungsversorgung verwendet wird. Die Steuerung kann ferner dafür ausgebildet sein, wiederholt die entfernte Last erneut zu ermitteln und die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der neu ermittelten entfernten Last einzustellen. Die Steuerung kann ferner dafür ausgestaltet sein, mit einem externen Prozessor zusammenzuwirken, um die Messinformation dem externen Prozessor zur Verfügung zu stellen und von dem externen Prozessor einen Parameter zu erhalten, der zum Steuern der Leistungsversorgung verwendet wird, so dass die Ausgangskonformitätsspannung selektiv benutzerprogrammierbar ist.
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Bei anderen beispielhaften Ausgestaltungen weist ein Verfahren zum Einstellen einer Leistungsversorgungsausgangsspannung für eine entfernte Last ein Ermitteln der entfernten Last durch eine Steuerung auf und ein Einstellen der Leistungsversorgungsausgangsspannung durch die Steuerung basierend auf der ermittelten entfernten Last und einem vorbestimmten maximalen Strom für die Leistungsversorgung.
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Bei verschiedenen alternativen Ausgestaltungen kann das Ermitteln der entfernten Last ein Zuführen eines bekannten Stroms an die entfernte Last, ein Messen einer Spannung über die entfernte Last, die von dem Strom hervorgerufen wird, und ein Ermitteln der entfernten Last basierend auf dem bekannten Strom und der gemessenen Spannung aufweisen. Das Ermitteln der entfernten Last kann die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers aufweisen. Die Leistungsversorgung kann einen DC/DC-Wandler und/oder einen Leistungsregler auf demselben Chip wie die Steuerung aufweisen. Das Einstellen der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der entfernten Last und einem vorbestimmten maximalen Strom kann das Speichern eines Werts aufweisen, der zum Steuern der Leistungsversorgung verwendet wird. Das Verfahren kann ferner ein wiederholtes Neuermitteln der entfernten Last und ein Einstellen der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der neuermittelten entfernten Last durch die Steuerung aufweisen.
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Bei weiteren beispielhaften Ausgestaltungen weist ein System zum Steuern der Ausgangsspannung einer Leistungsversorgung einen Wandler und einen externen Prozessor in Verbindung mit dem Wandler auf, wobei der Wandler und/oder der externe Prozessor dafür ausgebildet ist, eine entfernte Last zu ermitteln, die mit dem Wandler gekoppelt ist und eine Ausgangsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der ermittelten entfernten Last und einem vorbestimmten maximalen Strom einzustellen.
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Weitere Ausgestaltungen können offenbart und beansprucht sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorhergenannten Vorteile der Erfindung können besser mittels der nachfolgenden weiteren Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
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1 eine schematische Darstellung eines Leistungssteuerungssystems und -bauteils ist, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung;
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2 eine schematische Darstellung eines Leistungssteuerungssystems und -bauteils ist, das einen externen Prozessor aufweist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung;
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3 ein logisches Flussdiagramm zum Steuern der Ausgangsspannung basierend auf der entfernten Last ist, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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4 ein logisches Flussdiagramm zum Ermitteln der entfernten Last im Hinblick auf 3 ist, gemäß einer spezifischen beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Darstellung ist, die die relevanten logischen Blöcke für einen Leistungssteuerungschip zeigt, gemäß einer spezifischen beispielhaften Ausgestaltung.
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Es sollte beachtet werden, dass die zuvor genannten Figuren und die hierin gezeigten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu oder überhaupt im Hinblick auf irgendeinen Maßstab gezeichnet sind. Sofern der Kontext es nicht anderweitig anzeigt, werden gleiche Elemente mittels gleicher Bezugszeichen bezeichnet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSGESTALTUNGEN
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Bei Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird die zuvor unbekannte Last (hier als ”entfernte Last” oder ”RLAST” bezeichnet) gemessen, und die Leistungsversorgung wird eingestellt, dass sie nur die benötigte maximale Versorgung für diese Last liefert (d. h., VOUTmin = IOUTmax × RLASTact, wobei VOUTmin die minimal benötigte Ausgangsspannung ist, IOUTmax die maximal benötigte Stromausgabe ist und RLASTact die tatsächlich erfasste entfernte Last ist), statt die maximale Versorgung für alle Lasten. Dann wird die Leistungsversorgungsspannung basierend auf der tatsächlich erfassten entfernten Last und der maximal benötigten Stromausgabe eingestellt. Daher, zum Beispiel, wenn RLASTact = 300 Ohm und IOUTmax = 20 mA, dann ist VOUTmin = 6 V unabhängig von der tatsächlichen Stromausgabe und unabhängig von der maximalen Last, die von der Leistungsversorgung unterstützt wird. Üblicherweise wird die Ausgangsspannung der Leistungsversorgung auf VOUTmin plus eine kleine Freiraumspannung, z. B. 2 V, eingestellt. Indem man dies tut, wird der Leistungsverlust (power dissipation) gering gehalten, wohingegen die Einschwingzeit erheblich reduziert wird, weil die Konformitätsspannung sich nicht ändern muss, wenn eine Stromänderung bewirkt wird.
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Die entfernte Last kann gemessen werden, zum Beispiel, indem man einen vorbestimmten Strom der Last zuführt (wobei es sich um den bekannten Strom handeln kann, der der Last während des Betriebs des Bauteils zugeführt wird), die Spannung über der Last misst und den Wert der effektiven Last (Widerstand) basierend auf dem zugeführten Strom und der gemessenen Spannung berechnet. Zum Beispiel, wenn ein Strom von 5 mA der Last zugeführt wird und die gemessene Spannung 1,5 V ist, dann ist RLAST = 300 Ohm (d. h., R = V/I). Eine solche Messung der Spannung kann unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (analog-to-digital converter, ADC) oder einem anderen Mechanismus, wie zum Beispiel einer analogen Schaltung (z. B. eine analoge Steuerung mit einer Rückkoppelschleife, um die Spannung zu überwachen) erzielt werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Weise des Messens der Last beschränkt. Die Leistungsversorgungsspannung kann einmalig basierend auf einer initial gemessenen Last eingestellt werden, oder kann dynamisch aktualisiert werden, d. h., indem man die Last von Zeit zu Zeit misst und die Leistungsversorgungsspannung entsprechend aktualisiert.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Leistungssteuerungssystems und -bauteils, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung. Das System weist einen Wandler 104 und eine Leistungsversorgung 102 auf, die extern zum Wandler 104 angeordnet ist. Der Wandler 104 weist unter anderem eine Steuerlogik 106, einen Ausgang 108, eine interne Leistungsversorgung 110 (z. B. einen DC/DC-Aufwärtswandler, einen Abwärtswandler, oder einen anderen DC/DC-Wandler) und eine Messschaltung 112 auf. Die Messschaltung 112 kann zum Beispiel einen Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweisen. Der Ausgang 108 kann zum Beispiel einen Digital-Analog-Wandler (digital-to-analog converter, DAC) aufweisen.
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Um die entfernte Last 114 zu messen, steuert die Steuerlogik 106 den Ausgang 108 so, dass er die entfernte Last 114 mit einem vorgegebenen Strom (IOUT) treibt, und empfängt Messungen von der Messschaltung 112 (z. B. Spannungsmessungen). Basierend auf den Messungen von der Messschaltung 112 und der bekannten vorbestimmten Stromausgabe (IOUT), bestimmt die Steuerlogik 106 die entfernte Last RLAST 114 und passt die Spannung dynamisch an, die von der internen Leistungsversorgung 110 (über das Steuersignal VF) bereitgestellt wird, um die gewünschte Ausgangskonformitätsspannung VOUT zu erzeugen. Wie oben erläutert, kann die Steuerlogik 106 von Zeit zu Zeit (z. B. alle X Millisekunden, wobei X ein fester Wert sein kann und für verschiedene Ausgestaltungen verschieden sein kann) die Last erneut messen und die Ausgangskonformitätsspannung entsprechend dynamisch anpassen.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Leistungssteuerungssystems und -bauteils gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung. Hier ist ein externer Prozessor 202, der mit der Steuerlogik 106 gekoppelt ist, in der Lage, die Ausgangskonformitätsspannung VOUT über die Steuerlogik 106 zu steuern, zum Beispiel, indem Messinformation von der Steuerlogik 106 gelesen wird, die gewünschte Ausgangskonformitätsspannung VOUT berechnet wird und die Steuerlogik 106 programmiert wird, um die gewünschte Ausgangskonformitätsspannung VOUT erzeugt wird (z. B. indem ein Wert in der Steuerlogik 106 gespeichert wird, der verwendet wird, um die Ausgangskonformitätsspannung VOUT über das Steuersignal VF einzustellen). Wie oben erläutert, kann der externe Prozessor 202 von Zeit zu Zeit (z. B. alle X Millisekunden, wobei X ein fester Wert sein kann und für verschiedene Ausgestaltungen verschieden sein kann), die Last erneut messen und dynamisch die Ausgangskonformitätsspannung entsprechend dynamisch anpassen. Der externe Prozessor 202 kann ein Teil eines Benutzergeräts sein, in dem der Wandler 104 benutzt wird, so dass die Ausgangskonformitätsspannung VOUT ein benutzerprogrammierbarer Parameter wird.
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3 ist ein logisches Flussdiagramm zum Steuern der Ausgangskonformitätsspannung basierend auf der entfernten Last wie bspw. mittels der Steuerlogik 106, die in 1 gezeigt ist, oder mittels einer ähnlichen Steuerlogik des externen Prozessors 202, die in 2 gezeigt ist, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Im Block 402 bestimmt die Steuerlogik die entfernte Last, die getrieben bzw. gespeist wird. Im Block 404 stellt die Steuerlogik die Ausgangskonformitätsspannung der Leistungsversorgung basierend auf der entfernten Last und einem vorbestimmten maximalen Strom ein. Die Steuerlogik wiederholt optional die Schritte des Ermittelns der entfernten Last und des dynamischen Einstellens der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung, wie es mittels des gestrichenen Pfeils vom Block 404 zurück zum Block 402 dargestellt ist.
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4 zeigt ein logisches Flussdiagramm zum Ermitteln der entfernten Last gemäß Block 402 in 3 gemäß einer spezifischen beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Im Block 502 bewirkt die Steuerlogik, dass der entfernten Last ein bekannter Strom zugeführt wird. Im Block 504 empfängt die Steuerlogik Messungen, die die Spannung der entfernten Last angeben. Im Block 506 berechnet die Steuerlogik die entfernte Last basierend auf dem bekannten Strom und der gemessenen Spannung.
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Im Sinne der Vereinfachung können die Steuerlogik 106 und der externe Prozessor 202 allgemein als eine Steuerung bezeichnet werden. Die Steuerung kann eine analog und/oder digitale Schaltung aufweisen und kann eine beliebige oder alle der Funktionen beim Hervorrufen der Stromausgabe über der entfernten Last bewirken, also Messen oder Empfangen von Spannungsmessungen über der entfernten Last, die von dem Strom hervorgerufen werden, Ermitteln der entfernten Last basierend auf der Stromausgabe und der gemessenen Spannung und dynamisches Einstellen der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung. So kann die Steuerung zum Beispiel die Messschaltung aufweisen, von der die Spannungsmessungen gewonnen werden.
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Es wird erwogen, dass bei bestimmten Ausgestaltungen, die Steuerung und die Messschaltung, wie zum Beispiel die Steuerlogik 106 und die Messschaltung 112, die unter Bezug auf 1 beschrieben wurden, in einem Wandler ähnlich dem AD5755-Chip enthalten sein werden, der von Analog Devices, Inc. aus Norwood, MA verkauft wird. Daher kann ein existierendes Bauteil modifiziert werden, um die Art der Ausgangsspannungssteuerung einfließen zu lassen, die hier diskutiert wurde, oder es kann ein vollständig neues Bauteil produziert werden mit der Art von Ausgangsspannungssteuerung, die hier diskutiert wurde.
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5 ist eine schematische Darstellung, die die relevanten logischen Blöcke für einen Wandler gemäß einer spezifischen beispielhaften Ausgestaltung zeigt. Hier erlaubt der VMON-Block dem Steuerblock, den Messwiderstand (sense resistor) (in der Zeichnung mit 100 Ohm angegeben, aber nur als Beispiel) zu messen und dann die Leistungsversorgung wie benötigt zu programmieren (in der Zeichnung angegeben als VSET = 4 V, d. h., VOUTmin = IOUTmax × RLASTact = 20 mA × 100 Ohm = 2 V; VSET = VOUTmin + Freiraum = 4 V). Wie oben erläutert kann der Steuerblock (und wird dies üblicherweise tun) die Last von Zeit zu Zeit überwachen und die Leistungsversorgung wie benötigt einstellen (z. B. entweder dynamisch oder benutzerprogrammierbar). Auf diese Weise folgt die Leistungsversorgung dynamisch dem Lastwiderstand im Gegensatz zu der Ausgangskonformitätsspannung, so dass sich die Versorgung nur dann ändert, wenn sich die Last ändert, und die Einschwingzeit wird erheblich reduziert im Vergleich zu einer vollständig dynamischen Leistungsversorgungsanordnung, die die Spannungsänderungen nachverfolgt.
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Es sollte beachtet werden, dass während die oben erläuterte Messschaltung 112 im Hinblick auf das Bereitstellen der Spannungsmessungen an die Steuerung, um es so der Steuerung zu ermöglichen, die entfernte Last zu ermitteln, kann die Messschaltung 112 bei verschiedenen alternativen Ausgestaltungen, die entfernte Last selbst messen und kann der Steuerung eine Lastmessung bereitstellen.
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Es sollte beachtet werden, dass Pfeile in den Zeichnungen verwendet sein können, um Verbindungen, Übertragungen oder andere Aktivitäten darzustellen, die zwei oder mehr Elemente betreffen. Pfeile mit Pfeilspitzen an beiden Seiten zeigen im Allgemeinen an, dass eine Aktivität in beide Richtungen erfolgen kann (z. B. ein Befehl/eine Anfrage in eine Richtung mit einer entsprechenden Rückantwort in die andere Richtung, eine Peer-to-Peer-Kommunikation, die von einem der Elemente initiiert wird), auch wenn in einigen Situationen die Aktivität nicht zwingendermaßen in beide Richtungen erfolgen muss. Pfeile mit nur einer Pfeilspitze zeigen im Allgemeinen an, dass eine Aktivität ausschließlich oder hauptsächlich in eine Richtung stattfindet, auch wenn beachtet werden sollte, dass solche richtungsgebundene Aktivität in bestimmten Situationen tatsächlich Aktivitäten in beide Richtungen aufweisen kann (z. B. eine Nachricht von einem Sender an einen Empfänger und eine Bestätigung zurück von dem Empfänger an den Sender, oder das Herstellen einer Verbindung vor einer Übertragung und eine Beendigung der Verbindung nach der Übertragung). Daher ist die Art des Pfeils, wie er in einer bestimmten Zeichnung verwendet wird, zur Darstellung einer bestimmten Aktivität verwendet, die lediglich beispielhaft ist und nicht als beschränkend verstanden werden soll.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die oben verwendeten Überschriften der Vereinfachung dienen und nicht dahingehend ausgelegt werden sollen, die vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken.
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Die vorliegende Erfindung kann in anderen Ausgestaltungen ausgestaltet sein ohne von dem tatsächlichen Bereich der Erfindung abzuweichen, und viele Variationen und Modifikationen sind für den Fachmann basierend auf der hier vermittelten Lehre erkennbar. Jegliche Verweise auf die ”Erfindung” sollen nur auf beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung verweisen und sollten nicht dahingehend verstanden werden, dass sie sich auf alle Ausgestaltungen der Erfindung beziehen, sofern es der Kontext nicht anders erforderlich macht. Die beschriebenen Ausgestaltungen sollen in jeglicher Hinsicht nur als erläuternd und nicht als beschränkend verstanden werden.
