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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Aktuators.
Ferner betrifft die Erfindung ein System aus einer derartigen Vorrichtung,
einem Aktuator und einer Sendeeinrichtung sowie eine Sendeeinrichtung
zur Verwendung in einem solchen System. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines Aktuators.
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Es
ist bereits bekannt, einen Aktuator auf kontaktlosem Weg auszulösen.
Derartige Aktuatoren werden beispielsweise bei elektronischen Schließzylindern
eingesetzt, wobei in einem solchen Anwendungsfall der Aktuator als
ein Schließmagnet ausgebildet sein kann, der von einer
elektronischen Schaltung angesteuert wird.
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Die
Druckschrift
DE 103
48 569 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ansteuern eines
Aktuators basierend auf einer kontaktlosen Kommunikation eines Transponders
mit einer Sendeeinrichtung. Der in dieser Druckschrift gezeigte
Transponder empfangt über eine Antenneneinrichtung Steuersignale,
wobei der Transponder abhängig von den Steuersignalen die
Auslösung des Aktuators bewirken kann. Die über
die kontaktlose Kommunikation von der Sendeeinrichtung übertragene
Energie wird dabei einem Energiespeicher im Transponder zugeführt.
Die Energie des Energiespeichers wird zur Auslösung des
Aktuators verwendet. Es kann hierbei der Fall auftreten, dass der
Energiespeicher zur Auslösung des Aktuators noch nicht
ausreichend geladen ist, wenn ein Steuersignal zur Auslösung
des Aktuators empfangen wird. In einer solchen Konstellation erfolgt
keine Auslösung des Aktuators durch das Steuersignal.
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Zur
kontaktlosen Kommunikation zwischen einem Lesegerät und
einem Transponder wird heutzutage häufig die NFC-Technologie
(NFC = Near Field Communication) verwendet. Diesbezüglich
wird im Standard ISO/IEC 14443-4 ein Verfahren
beschrieben, mit dem ein Transponder dem Lesegerät Informationen über
die Stärke des Lesefelds übermitteln kann. Hierzu
werden entsprechende Bits des INF-Feldes von sog. WTX-Requests verwendet.
Bei den meisten kontaktlosen Anwendungen, wie z. B. der Verwendung
von RFID-Chips in Reisepassen oder Kreditkarten, werden Informationen
bezüglich der Stärke des Lesefelds jedoch nicht übermittelt
und auch nicht benötigt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine kontaktlose Auslösung eines
Aktuators auf einfache und zuverlässige Weise zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1
gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Energiespeicher,
beispielsweise in der Form eines Kondensators, zur Speisung eines
Aktuators, eine Antenneneinrichtung, mit welcher über eine
kontaktlose Kommunikation, insbesondere basierend auf der NFC-Technologie,
von einer Sendeeinrichtung Energie zum Laden des Energiespeichers
und ein oder mehrere Steuersignale umfassend ein Auslösekommando
zum Auslösen des Aktuators empfangbar sind, sowie eine
Steuereinheit zur Steuerung der Energiezufuhr vom Energiespeicher
zum Aktuator abhängig von den Steuersignalen. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass im Betrieb der Vorrichtung
nach Empfang des Auslösekommandos der Ladezustand des Energiespeichers
ermittelt wird, wobei bei einem Ladezustand des Energiespeichers,
der kleiner als ein zum Auslösen des Aktuators ausreichender
Ladezustandsschwellwert ist, ein Antwortsignal zur Fortsetzung der kontaktlosen
Kommunikation über die Antenneneinrichtung zum Empfang durch
die Sendeeinrichtung ausgesendet wird, und wobei bei einem Ladezustand
des Energiespeichers, der größer oder gleich dem
Ladezustandsschwellwert ist, die Steuereinrichtung die Energiezufuhr
vom Energiespeicher zum Aktuator derart steuert, dass ein Auslösen
des Aktuators ermöglicht wird.
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Die
Erfindung beruht auf der Idee, eine kontaktlose Kommunikation zwischen
einer Ansteuervorrichtung und einer Sendeeinrichtung bis zu einem
zur Auslösung des angesteuerten Aktuators ausreichenden
Ladezustandswert des Energiespeichers aufrecht zu erhalten, um hierdurch
das Auslösen des Aktuators sicherzustellen, selbst wenn
bei Empfang des Auslösekommandos ein ausreichender Ladezustand
des Energiespeichers noch nicht erreicht ist. Durch das Aufrechterhalten
der kontaktlosen Kommunikation wird dabei der Empfang von Energie
zum Laden des Energiespeichers fortgesetzt, sodass bei Erreichen
eines ausreichenden Ladezustands schließlich der Aktuator
ausgelöst werden kann. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung hat den Vorteil, dass ein übermitteltes Auslösekommando
immer geeignet verarbeitet wird, ohne dass eine Fehlermeldung aufgrund
eines nicht ausreichend geladenen Energiespeichers zurückgegeben
wird. Der zum Auslösen des Aktuators ausreichende Ladezustandsschwellwert
kann dabei derart festgelegt sein, dass er mit Sicherheit die Auslösung
des Aktuators gewährleistet, d. h. der Ladezustandsschwellwert
kann auch über dem unteren Grenzwert liegen, unterhalb
dem ein Auslösen des Aktuators nichtmöglich ist.
Beispielsweise kann der Ladezustandsschwellwert bei im Wesentlichen
100% Aufladung des Energiespeichers liegen. Der Ladezustandsschwellwert
des Energiespeichers kann jedoch auch derart festgelegt, dass der
Aktuator nicht auslösbar ist, wenn der Ladezustand des
Energiespeichers unterhalb dieses Ladezustandsschwellwerts liegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung derart
ausgestaltet, dass sie ein Bestätigungssignal nach dem
Auslösen des Aktuators über die Antenneneinrichtung
zum Empfang durch die Sendeeinrichtung aussendet. Vorzugsweise ist
das Antwortsignal dabei ein Befehl zur Verlängerung oder
zum Neustart einer Wartezeit, welche die Sendeeinrichtung auf das
Bestätigungssignal wartet. Der Befehl zur Verlängerung
oder zum Neustart der Wartezeit kann insbesondere ein WTX-Request
gemäß dem Standard ISO/IEC 14443-4 sein.
Die Verwendung eines Befehls zur Verlängerung bzw. zum
Neustart einer Wartezeit hat insbesondere den Vorteil, dass auf
der Ebene des Übertragungsprotokolls die Wartezeit und
somit die kontaktlose Kommunikation verlängert werden kann,
ohne dass der Sendeeinrichtung spezielle Codes zur Fortsetzung der kontaktlosen
Kommunikation bekannt sein müssen. Es ist jedoch auch möglich,
dass das Antwortsignal ein spezieller Wiederholbefehl ist, um die
Sendeeinrichtung dazu zu veranlassen, das Auslösekommando
erneut auszusenden.
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In
einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird der Ladezustand des Energiespeichers durch eine
Ladezustands-Messeinheit zur Messung des Ladezustands ermittelt,
wobei die Steuereinheit den Ladezustand des Energiespeichers von
der Ladezustands-Messeinheit vorzugsweise über eine Messdatenschnittstelle
abfragen kann. Die Verwendung einer derartigen Ladezustands-Messeinheit
hat den Vorteil, dass gegebenenfalls auch eine Information über
den Ladezustand des Energiespeichers in dem Antwortsignal übertragen
werden kann.
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In
einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist ferner eine Ladestrom-Messeinheit zur Messung des
Ladestroms des Energiespeichers vorgesehen, wobei eine Information über
den Ladestrom ebenfalls in dem Antwortsignal an die Sendeeinrichtung übertragen
werden kann. Bei der Verwendung des ISO/IEC 14443-4 Standards
kann die Information über den Ladezustand bzw. den Ladestrom
des Energiespeichers besonders einfach durch die bereits für
eine Power-Level-Indication vorgesehenen Bits des WTX-Requests codiert
werden.
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Die
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene
Steuereinheit ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ein integrierter Schaltkreis, insbesondere ein Chip für
Chipkarten, wodurch besonders kompakte Abmessungen der Vorrichtung
erreicht werden. Der Aktuator ist in einer bevorzugten Variante Bestandteil
einer Schließeinrichtung, wobei das Schließen
und Öffnen der Schließeinrichtung durch den Aktuator
ausgelöst wird.
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Neben
der soeben beschriebenen Vorrichtung betrifft die Erfindung ferner
ein System, umfassend eine Sendeeinrichtung, einen Aktuator und
die oben beschriebene erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung,
wobei der Aktuator von der Ansteuervorrichtung durch ein kontaktlos übertragenes
Auslösekommando der Sendeeinrichtung auslösbar
ist. Dieses System ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein
Auslösen des Aktuators nur nach einer erfolgreichen Authentisierung
zwischen der Ansteuervorrichtung und der Sendeeinrichtung erfolgen
kann, so dass das System auch für sicherheitskritische
Anwendungen eingesetzt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße System wird vorzugsweise in Kombination
mit einer Ansteuervorrichtung verwendet, welche als Antwortsignal
zur Fortsetzung der kontaktlosen Kommunikation einen Befehl zur
Verlängerung bzw. zum Neustart einer Wartezeit einsetzt.
Dabei sendet die Sendeeinrichtung nach Empfang dieses Befehls eine
Bestätigungsantwort kontaktlos an die Ansteuervorrichtung,
welche anschließend erneut den Ladezustand des Energiespeichers
ermittelt, wobei bei einem Ladezustand des Energiespeichers, der kleiner
als der Ladezustandsschwellwert ist, erneut ein Befehl zur Verlangerung
oder zum Neustart der Wartezeit über die Antenneneinrichtung
an die Sendeeinrichtung gesendet wird, und wobei bei einem Ladezustand
des Energiespeichers der größer oder gleich dem
Ladezustandsschwellwert ist, die Steuereinheit der Ansteuervorrichtung zur
Auslösung des Aktuators die Energie vom Energiespeicher
dem Aktuator zuführt. Vorzugsweise wird hierbei der aus
dem Standard ISO/IEC 14443-4 bekannte WTX-Response
als Bestätigungsantwort verwendet, wobei der WTX-Response
nach Empfang des entsprechenden WTX-Requests von der Sendeinrichtung
ausgesendet wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Systems ist die Sendeeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie im
Falle, dass als Antwortsignal ein Wiederholbefehl von der Ansteuereinrichtung
ausgesendet wird, das Auslösekommando erneut aussendet.
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Neben
dem oben beschriebenen System umfasst die Erfindung ferner eine
Sendeeinrichtung zur Verwendung in einem solchen System, wobei die
Sendeeinrichtung eine Verarbeitungseinheit für ein kontaktlos empfangenes
Antwortsignal zur Fortsetzung der kontaktlosen Kommunikation aufweist,
wobei die Verarbeitungseinheit in Antwort auf das Antwortsignal
eine Bestätigungsantwort aussendet oder das Auslösekommando
erneut aussendet.
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Vorzugsweise
kann die Verarbeitungseinheit der Sendeeinrichtung kontaktlos empfangene
Informationen über den Ladezustand und/oder den Ladestrom
des Energiespeichers verarbeiten, sofern diese Informationen übertragen
werden. Die Verarbeitungseinheit umfasst dabei vorzugsweise eine
Signalisierungseinheit zur Signalisierung des Ladezustands und/oder
des Ladestroms für einen Benutzer. Die Signalisierungseinheit kann
dabei ein Anzeigefeld bzw. ein Display oder auch eine akustische
Signalisierungseinheit sein. Die Verwendung einer solchen Signalisierungseinheit
hat den Vorteil, dass ein Benutzer über den aktuellen Ladezustand
des Energiespeichers informiert wird und hieraus ablesen kann, wie
viel Zeit in etwa noch bis zur Auslösung des Aktuators
benötigt wird. Ebenso kann ein Benutzer bei der Anzeige
eines nicht ausreichenden Ladestroms entsprechende Gegenmaßnahmen
einleiten, z. B. kann er die Sendeeinrichtung zur Erhöhung
des Ladestroms näher an den Aktuator anordnen. Vorzugsweise
kann die Verarbeitungseinheit auch automatisiert die Sendeleistung
der Sendeeinrichtung erhöhen, wenn der Ladestrom einen
vorgegebenen Wert unterschreitet.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines Aktuators
mit einer Ansteuervorrichtung, wobei über eine kontaktlose
Kommunikation von einer Sendeeinrichtung Energie zum Laden eines
Energiespeichers der Ansteuervorrichtung und ein Auslösekommando
zum Auslösen des Aktuators an die Ansteuervorrichtung übertragen
wird, wobei nach Empfang des Auslösekommandos in der Ansteuervorrichtung der
Ladezustand des Energiespeichers ermittelt wird und bei einem Ladezustand
des Energiespeichers, der kleiner als ein zum Auslösen
des Aktuators ausreichender Ladezustandsschwellwert ist, ein Antwortsignal
zur Fortsetzung der kontaktlosen Kommunikation von der Ansteuervorrichtung
an die Sendeeinrichtung gesendet wird, wohingegen bei einem Ladezustand
des Energiespeichers, der größer oder gleich dem
Ladezustandsschwellwert ist, die Ansteuervorrichtung den Energiespeicher
mit dem Aktuator verbindet und dadurch den Aktuator auslöst.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Figuren detailliert beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Ansteuern eines Aktuators;
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2 eine
schematische Darstellung der kontaktlosen Kommunikation zwischen
der Vorrichtung gemäß 1 und einer
Sendeeinrichtung in einem Mobilfunkgerät;
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3 eine
schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs einer Kommunikation
zwischen einem erfindungsgemäßen Transponder und
einer Sendeeinrichtung; und
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4 eine
schematische Darstellung des INF-Feldes eines WTX-Requests gemäß dem
Standard ISO/IEC 14443-4.
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Nachfolgend
wird die Erfindung basierend auf einer sog. NFC-Kommunikation (NFC
= Near Field Communication) beschrieben, bei der drahtlos bzw. kontaktlos
zwischen einem Transponder umfassend einen RFID-Chip (RFID = Radio
Frequency Identification) und einem entsprechenden NFC-Lesegerät
Signale ausgetauscht werden. Der Transponder entspricht hierbei
der Ansteuervorrichtung und das NFC-Lesegerät der Sendeeinrichtung
im Sinne der Ansprüche.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen
Transponders. Der Aufbau des Transponders gemäß
1 entspricht
dabei in großen Teilen dem Transponder, der in der Druckschrift
DE 103 48 569 A1 gezeigt
ist, wobei der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift durch
Verweisung zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Der
Transponder umfasst eine Schaltungsanordnung
1, welche
an eine Antenneneinrichtung in der Form einer Antennenspule
2 angeschlossen
ist. Anstatt einer Antennenspule
2 kann auch jede andere
geeignete Antenneneinrichtung, wie z. B. eine gedruckte Antenne,
verwendet werden. Mit der in
1 gezeigten
Vorrichtung wird ein Aktuator
3 angesteuert, der hierzu
mit der Schaltungsanordnung
1 verbunden ist. Bei dem Aktuator
3 kann
es sich beispielsweise um einen Schließmagneten oder um eine
sonstige optische, akustische, elektrothermische, elektrochemische,
thermomechanische, elektromechanische, elektromagnetische usw. Einrichtung
handeln, die aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs oder aufgrund
ihres hohen Einschaltstroms nicht unmittelbar von der Antennenspule
2 gespeist
werden kann.
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Die
Schaltungsanordnung 1 weist einen Gleichrichter 4 auf,
der auf seiner Wechselspannungsseite mit der Antennenspule 2 verbunden
ist. Dem Gleichrichter 4 ist auf seiner Gleichspannungsseite
eine Ladeschaltung 5 nachgeschaltet, die ausgangsseitig über
einen Schalter 6 mit einem Kondensator 7 verbunden
werden kann. Alternativ zur Ladeschaltung 5 kann der Kondensator 7 über
den Schalter 6 mit dem Aktuator 3 verbunden werden.
Der Schaltzustand des Schalters 6 wird von einer Transponderschaltung 8 gesteuert,
die der Ladeschaltung parallel geschaltet ist. Die Transponderschaltung
ist dabei insbesondere eine integrierte Schaltung in der Form eines
Chips für Chipkarten, z. B. eines Smartcard-Chips.
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Die
Ladeschaltung 5 weist eine Regelschaltung 9 auf,
die an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters 4 angeschlossen
ist und einen ersten regelbaren Widerstand 10 sowie einen
zweiten regelbaren Widerstand 11 steuert. Der erste regelbare
Widerstand 10 ist der Gleichspannungsseite des Gleichrichters 4 parallel
geschaltet. Der zweite regelbare Widerstand 11 verbindet
einen der Anschlüsse der Gleichspannungsseite des Gleichrichters 4 über
eine Diode 12 mit dem Schalter 6.
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Im
Unterschied zu der in der Druckschrift
DE 103 48 569 A1 gezeigten
Vorrichtung beinhaltet die Schaltungsanordnung
1 ferner
eine Ladezustands-Messeinheit
13, welche zum Kondensator
7 parallel
geschaltet ist und zur Messung des Ladezustands des Kondensators
7 dient.
Die Messeinrichtung
13 ist beispielsweise ein AD-Wandler,
mit dem die Spannung am Kondensator
7 gemessen werden kann.
Ferner ist eine Messdatenschnittstelle
15 zwischen der
Ladezustands-Messeinheit
13 und der Transponderschaltung
8 vorgesehen,
wobei die Transponderschaltung über diese Schnittstelle
den von der Messeinheit
13 gemessenen Ladezustand abfragen
kann. Der über die Messeinheit
13 gemessene Ladezustand
wird dabei zur Steuerung der Auslösung des Aktuators
3 verwendet,
wie weiter unten noch näher beschrieben wird. Darüber
hinaus ist mit dem Kondensator
7 eine Ladestrom-Messeinheit
14 in
Reihe geschaltet, welche den durch den Kondensator fließenden
Ladestrom misst, wobei der gemessene Ladestrom über eine
(nicht gezeigte) Schnittstelle ebenfalls von der Transponderschaltung
8 abgefragt
werden kann.
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Der
in 1 gezeigten Vorrichtung liegt folgende Funktionsweise
zu Grunde: die Antennenspule 2 ist einem magnetischen Wechselfeld
in einem Frequenzbereich von 13,56 MHz basierend auf der NFC-Technologie
ausgesetzt. Das magnetische Wechselfeld wird dabei von einer Sendeeinrichtung
erzeugt, beispielsweise von einem in 2 gezeigten
Lesegerät 21 mit angeschlossener Antenne 22,
wobei dieses Lesegerät in einem Mobilfunkgerät 20 integriert
ist. Aufgrund des magnetischen Wechselfeldes wird in der Antennenspule 2 eine
Spannung induziert, die von dem Gleichrichter 4 gleichgerichtet
wird. Die Feldstärke des magnetischen Wechselfelds variiert
abhängig von der Entfernung der Sendeeinrichtung von der
Antennenspule 2. In entsprechender Weise variieren auch
die induzierte Spannung und die daraus hergestellte gleichgerichtete
Spannung, die unter anderem der Versorgung der Transponderschaltung 8 dient.
Um eine konstante Versorgungsspannung zu erhalten, wird die gleichgerichtete
Spannung von der Regelschaltung 9. auf einen konstanten
Vorgabewert geregelt. Hierzu steuert die Regelschaltung 9 die
beiden variablen Widerstände 10 und 11 so
an, dass die gleichgerichtete Spannung den gewünschten
Vorgabewert annimmt. Dabei fließt durch die beiden variablen
Widerstände 10 und 11 insgesamt ein Strom
Is, der sich bei dem in 1 gezeigten ersten Schaltzustand, bei
dem der Schalter 6 die Diode 12 mit dem Kondensator 7 verbindet,
aus einem ersten Teilstrom I1 durch den ersten regelbaren Widerstand 10 und
einem zweiten Teilstrom I2 durch den zweiten regelbaren Widerstand 11 zusammensetzt.
Der Strom Is wird von der Regelschaltung 9 jeweils auf
einen Wert geregelt, der zum Einstellen der gleichgerichteten Spannung
auf den gewünschten Vorgabewert erforderlich ist. Folglich
ist der Strom Is zwangsbestimmt und kann nicht frei gewählt
werden. Allerdings kann die Aufteilung des Stroms Is in die Teilströme 11 und
I2 frei gewählt werden.
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In
der Vorrichtung der 1 wird die Aufteilung des Stroms
Is in die Teilströme I1 und I2 so vorgenommen, dass der
zweite Teilstrom I2 möglichst groß ist, um den
Kondensator 7 möglichst schnell aufzuladen. Hierzu
kann der erste regelbare Widerstand 10 zunächst
auf einen unendlich hohen Wert eingestellt werden und der zweite
regelbare Widerstand 11 so angesteuert werden, dass der
zweite Teilstrom I2 dem für die Einregelung des Vorgabewerts
für die gleichgerichtete Spannung erforderlichen Strom
Is entspricht. Mit zunehmender Aufladung des Kondensators 7 wird
der zweite regelbare Widerstand 11 auf einen immer kleineren Wert
eingestellt. Sobald der zweite regelbare Widerstand 11 seinen
Minimalwert erreicht hat, ist es erforderlich, auch den Wert des
ersten regelbaren Widerstands 10 zu reduzieren, um die
gleichgerichtete Spannung auch weiterhin konstant beim Vorgabewert
zu halten. Entsprechend nimmt der zweite Teilstrom I2 ab und der
erste Teilstrom 11 zu. Auf diese Weise kann die zum Aufladen
des Kondensators 7 benötigte Zeit jeweils auf
ein unter den gegebenen Bedingungen mögliches Minimum reduziert
werden. Wie lange diese Zeit tatsächlich ist, hängt
entscheidend von der Feldstärke des magnetischen Wechselfeldes
im Bereich der Antennenspule 2 ab, da dadurch die induzierte
Spannung und somit auch der Strom Is festgelegt wird, der zur Einregelung
des Vorgabewerts für die gleichgerichtete Spannung benötigt
wird. Der Strom Is steht wiederum maximal als zweiter Teilstrom
I2 zum Laden des Kondensators 7 zur Verfügung.
Bei einer hohen Feldstärke wird nur eine kurze Ladezeit
benötigt. Bei einer niedrigen Feldstärke dauert
der Ladevorgang entsprechend länger.
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Um
den Aktuator 3 der 1 auszulösen,
wird von der Sendeeinrichtung ein Auslösekommando „activate
actuator" drahtlos ausgesendet und von der Antenneneinrichtung 2 empfangen.
Dieses Auslösekommando veranlasst die Transponderschaltung 8 im
Regelfall zum Umschalten des Schalters 6 in eine Schaltposition,
in welcher der Kondensator 7 über den Aktuator 3 entladen
wird. Hierbei ist zu beachten, dass ein Auslösen des Aktuators 3 jedoch
nur dann erfolgt, wenn der Kondensator 7 einen zur Betätigung
des Aktuators ausreichenden Ladezustand aufweist. Erfindungsgemäß wird
sichergestellt, dass über eine entsprechende Kommunikation
zwischen der Sendeeinrichtung und dem Transponder bei Vorliegen
eines Auslösekommandos bei nicht ausreichender Ladung des
Kondensators eine Fortsetzung der Aufladung des Kondensators bewirkt
wird, bis schließlich bei ausreichender Ladung der Aktuator
ausgelöst wird. Ein entsprechender Ablauf einer solchen
Kommunikation wird weiter unten mit Bezug auf 3 beschrieben.
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2 zeigt
schematisch die Kommunikation des Transponders gemäß 1 mit
einem entsprechenden Lesegerät 21, welches eine
Antenneneinrichtung 22 aufweist und in dem Mobilfunkgerät 20 integriert
ist. Von dem Transponder ist in 2 schematisch
die Schaltungsanordnung 1 sowie die Antenneneinrichtung 2 wiedergegeben.
Ferner ist die Verbindung des Transponders zum Aktuator 3 gezeigt.
Durch den Doppelpfeil P1 in 2 wird die
kontaktlose NFC-Kommunikation zwischen dem Lesegerät und
dem Transponder angedeutet, wobei die Kommunikation gemäß dem
Standard ISO/IEC 14443-4 erfolgt. In einer bevorzugten,
weiter unten beschriebenen Variante der Erfindung wird bei der Kommunikation
zwischen Transponder und Sendeeinrichtung ferner der Ladezustand
und gegebenenfalls auch der Ladestrom des Kondensators 7 an
das Lesegerät übertragen, wobei Ladezustand und
Ladestrom durch die in 1 gezeigten Messeinrichtungen 13 bzw. 14 gemessen
wurden. Diese Messgrößen können in dem
Display 23 des Mobilfunkgeräts 20 wiedergegeben
werden, wobei in 2 eine vergrößerte
Ansicht des Displays 23 gezeigt ist. Man erkennt, dass
auf dem Display gerade der Ladezustand des Kondensators in einem
horizontalen Anzeigefeld 24 in der Form eines schraffiert
gezeigten Fortschrittsbalkens 25 wiedergegeben ist. Füllt
der Balken 25 das Anzeigefeld 24 komplett aus,
ist der Kondensator zu 100% aufgeladen. Das Mobilfunkgerät 20 enthält
ferner ein Sicherheitselement 26 in der Form eines Sicherheitschips,
mit dem eine kryptographische Authentisierung zwischen dem Mobilfunkgerät
und dem Transponder sichergestellt ist, so dass nur autorisierte
Lesegeräte den Aktuator 3 über die kontaktlose
NFC-Kommunikation auslösen können. Die Verwendung
des Sicherheitselements 26 ist insbesondere bei sicherheitskritischen
Anwendungen erforderlich, bei denen der Aktuator 3 beispielsweise
Bestandteil einer Schließeinrichtung ist, die nur von autorisierten
Personen geöffnet bzw. geschlossen werden soll.
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3 zeigt
den zeitlichen Ablauf einer erfindungsgemäßen
Kommunikation zur Auslösung des Aktuators 3 basierend
auf dem Protokoll ISO/IEC 14443-4 Dabei ist in 3 entlang
der horizontalen Achse t die Zeit aufgetragen, wobei oberhalb der
Achse t der Ladezustand LZ des Ladungsspeichers in der Form des
Kondensators 7 in Prozent wiedergegeben ist und unterhalb
der Zeitachse t der zeitliche Ablauf der Signalisierung zwischen
dem NFC-Lesegerät 21 und dem erfindungsgemäßen
Transponder gezeigt ist. Entlang der Linie L1 sind dabei die Zeitpunkte
wiedergegeben, zu denen das Lesegerät Signale aussendet
und entlang der Linie L2 sind die Zeitpunkte wiedergegeben, zu denen
der Transponder Signale aussendet. Die Zeitpunkte entlang der Linie
L1 und L2 sind dabei durch Kreise dargestellt und die Übertragung
der Signale ist durch entsprechende schräg verlaufende
Pfeile angedeutet.
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Gelangt
der erfindungsgemäße Transponder in das Ansprechfeld
des Lesegeräts 21, wird zunächst eine
Kommunikationsbeziehung zwischen dem Transponder und dem Lesegerät
durch die Befehlsfolge „Request → Anticollision→ ATS"
aufgebaut. Dieser Aufbau der Kommunikationsbeziehung ist in 3 schematisiert
durch ein entsprechendes Rechteck C wiedergegeben. Beim Aufbau der
Kommunikationsbeziehung fließt bereits ein Ladestrom in
den Ladungsspeicher 7, so dass der Ladezustand des Ladungsspeichers
stetig zunimmt, wie durch die ansteigende Linie 40 im oberen
Teil der 3 angedeutet ist. Nach Aufbau
der Kommunikationsbeziehung beginnt ab dem Zeitpunkt T1 die gegenseitige
Authentisierung zwischen dem Lesegerät und dem batterielosen
Aktuator. Dabei kommt das oben beschriebene Sicherheitselement 25 zum
Einsatz. Die Authentisierung erfolgt über einen bekannten
Befehlsablauf basierend auf der Kommandofolge „Get Challenge (Zeitpunkt
T1) → Set Random Number (Zeitpunkt T2) → Authentication
(Zeitpunkt T3) → Authentication (Zeitpunkt T4).
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Das
Lesegerät sendet unmittelbar nach dem erfolgreichen Abschluss
der Au thentisierung ein Auslösekommando („activate
actuator") zum Aktivieren des Aktuators an den Transponder. Dieses
Kommando wird zum Zeitpunkt T5 ausgesendet. In dem in 3 gezeigten
Szenario kann der Aktuator nur bei einer Aufladung des Ladungsspeichers
von im Wesentlichen 100% ausgelöst werden, wobei das Kommando „activate
actuator" jedoch zu einem Zeitpunkt übermittelt wird, bei
dem der Ladezustand des Ladungsspeichers bei lediglich ca. 50% liegt.
Um zu vermeiden, dass trotz des Auslösekommandos wegen
mangelnder Ladung des Kondensators keine Aktivierung des Aktuators
erfolgt, wird erfindungsgemäß bei der Abarbeitung
des Auslesekommandos „activate actuator” zunächst
der Ladezustand des Ladungsspeichers 7 überprüft.
Ist der Ladezustand – wie in 3 gezeigt – zu
gering, ist es vorgesehen, keine Fehlermeldung zu senden, sondern
vor dem Ablaufen der entsprechenden Frame-Waiting-Time des Protokolls ISO/IEC
14443-4 einen WTX-Request (WTX = Waiting Time Extension)
zu senden, um die Frame-Waiting-Time neu zu starten bzw. zu verlängern.
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Das
erstmalige Aussenden dieses WTX-Requests von dem Transponder erfolgt
gemäß 3 zum Zeitpunkt T6. Das Lesegerät
bestätigt diesen WTX-Request mit einem entsprechenden WTX-Response,
der zum Zeitpunkt T7 ausgesendet wird. Nach Empfang des WTX-Response überprüft
der Tansponder erneut, ob der Ladezustand des Ladungsspeichers 7 zur
Auslösung des Aktuators ausreicht. Dies ist im Szenario
der 3 noch nicht der Fall, so dass zum Zeitpunkt T8
nochmals ein WTX-Request an das Lesegerät gesendet wird,
der zum Zeitpunkt T9 wiederum durch einen entsprechenden WTX-Response
beantwortet wird. Wie sich aus 3 ergibt,
werden nunmehr die Schritte des gegenseitigen Austauschs von WTX-Requests
und WTX-Responses so lange wiederholt, bis schließlich
eine 100%-ige Aufladung des Ladungsspeichers im Transponder festgestellt
wird. Die 100%-ige Aufladung ist in 3 durch
die horizontale Linie 41 angedeutet. Ferner sind in 3 die
Zeitpunkte des gegenseitigen Aussenden von WTX-Requests und WTX-Responses durch
entsprechende Ellipsen REQ bzw. RES angedeutet, welche die Zeitpunkte
des Aussendens der entsprechenden Requests bzw. Responses umranden.
Mit den Requests wird in der hier beschriebenen Ausführungsform
auch eine Information über den Ladezustand übermittelt.
Die Requests in der Ellipse REQ zeigen dabei einen Ladezustand des
Ladungsspeichers von 60% an, wohingegen der zum Zeitpunkt T6 ausgesendete
Request einen Ladezustand von 30% angibt.
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Die
volle Aufladung des Kondensators liegt gemäß 3 zum
Zeitpunkt Tf vor, wobei die volle Aufladung in dem Transponder zum
Zeitpunkt Te festgestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt schließt
dann die Transponderschaltung 8 den Schalter 6,
um die Energie des Kondensators 7 dem Aktuator 3 zuzuführen.
Gleichzeitig wird ein entsprechender Return-Code (z. B. „90
00") an das Lesegerät zur Bestätigung der vollständigen
Ausführung des Kommandos „activate actuator" gesendet.
Die nachfolgende Entladung des Kondensators ist in 3 durch
die abfallende Flanke 42 angedeutet.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist es vorgesehen, dass
mit den von dem Transponder ausgesendeten WTX-Requests auch Informationen über
den Ladezustand und den Ladestrom übertragen werden, wobei
der Ladezustand bzw. der Ladestrom durch die Messeinrichtungen
13 bzw.
14 der
1 gemessen
werden können. Zur Übermittlung des Ladezustands
bzw. des Ladestroms werden vorzugsweise die Bits 7 und 8 des WTX-Requests
gemäß dem Standard
ISO/IEC 14443-4 verwendet,
welche zur sog. „Power-Level-Indication" vorgesehen sind.
Eine mögliche Codierung des Ladezustands bzw. Ladestroms
ist in nachfolgender Tabelle wiedergegeben:.
| Bit
8 | Bit
7 | Bedeutung |
| 0 | 0 | Funktion
nicht unterstützt |
| 0 | 1 | Ladestrom
nicht ausreichend; Feldenergie zu gering. |
| 1 | 0 | Ladungssepicher
zu 30% geladen (0 ... 50%) |
| 1 | 1 | Ladungsspeicher
zu 60% geladen (50 ... 99%) |
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Eine
Darstellung des Ladezustands von 100% wird nicht benötigt,
da in diesem Zustand der Aktuator sofort ausgelöst wird.
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Der
Aufbau eines WTX-Requests gemäß dem Standard ISO/IEC
14443-4 ist in 4 dargestellt. Der Bitbereich
B1, der die Bits b1 bis b6 umfasst, codiert dabei den sog. WTXM-Wert,
der zur Definition einer temporaren Frame Waiting-Time verwendet
wird. Der Bitbereich B2 bezeichnet die Bits b7 und b8, welche zur
Power-Level-Indication vorgesehen sind. Gemäß dem
Standard ISO/IEC 14443-4 ist dabei folgende Codierung für
die Bitbelegungen vorgesehen:
b8 = 0, b7 = 0: Gerät
unterstützt keine „Power-Level-Indication"
b8
= 0, b7 = 1: nicht ausreichende Leistung für volle Funktionalität
b8
= 1, b7 = 0: ausreichende Leistung für volle Funktionalität
b8
= 1, b7 = 1: mehr als ausreichend Leistung für volle Funktionalität.
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Die
Interpretation dieser „Power-Level-Indication" ist dabei
für das Lesegerät optional. Erfindungsgemäß werden
die Bitbelegungen vorzugsweise basierend auf der obigen Tabelle
interpretiert.
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Unter
Umständen ist die Feldstärke des von dem Lesegerät
ausgesendeten magnetischen Wechselfeldes zu gering, um einen ausreichenden
Ladestrom zur Ladung des Ladungsspeichers zu erzeugen. Gemäß der
obigen Tabelle kann es deshalb vorgesehen sein, den Zustand eines
nicht ausreichenden Ladestroms dem Lesegerät über
eine entsprechende Codierung von Bit 7 und Bit 8 im WTX-Request
zu signalisieren (siehe Codierung „Bit 8 = 0, Bit 7 = 1").
Das Lesegerät kann daraufhin gegebenenfalls seine Sendeleistung
erhöhen. In solchen Fällen, in denen eine Erhöhung
der Sendeleistung nicht möglich ist, z. B. wenn das Lesegerät
in einem batterieversorgten Mobilfunkgerät vorgesehen ist,
kann dem Benutzer des Lesegeräts signalisiert werden, dass
der Ladestrom nicht ausreicht, so dass der Benutzer als Folge die
Antenne des Lesegeräts gegenüber dem batterielosen
Aktuator besser ausrichtet, um dadurch die Energieübertragung
zwischen dem Lesegerät und dem Transponder zu verbessern.
Eine entsprechende Signalisierung eines nicht ausreichenden Ladestroms
bzw. des Fortschritts der Ladung des Kondensators kann am Lesegerät
beispielsweise durch ein akustisches Signal oder ein Anzeigefeld
erfolgen. Eine Variante der Anzeige des Ladefortschritts durch einen
Balken wurde bereits im Vorangegangenen mit Bezug auf 2 beschrieben.
Dabei kann neben dem Fortschrittsbalken oder anstatt des Fortschrittsbalkens
gegebenenfalls auch eine optische Anzeige des Ladestroms erfolgen,
um dem Benutzer die Optimierung der Ausrichtung der Antenne des
Lesegeräts in Bezug auf den Transponder zu ermöglichen.
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Anstatt
der oben beschriebenen Verwendung der WTX-Requests bzw. WTX-Responses
zur Sicherstellung eines ausreichenden Ladezustands zur Auslösung
des Aktuators kann in einer Variante der Erfindung gegebenenfalls
auch ein spezieller Return-Code von dem Transponder anstatt des
WTX-Requests gesendet werden. In dem Return-Code wird die Information
codiert, dass das zuvor gesendete Auslösekommando des Lesegeräts
nicht ausgeführt werden konnte. Als Folge sendet das Lesegerät
anschließend das Kommando „activate actuator"
erneut, wobei dieser Mechanismus analog zur Verwendung der WTX-Requests
und WTX-Responses so lange wiederholt wird, bis der Ladungsspeicher
ausreichend geladen ist und das Auslösekommando schließlich
erfolgreich durch Aktivieren des Aktuators ausgeführt werden
kann. In dem Return-Code kann gegebenenfalls auch der Ladezustand
des Ladungsspeichers sowie der Ladestrom mit übertragen
werden. Auch bei dieser Variante kann der Ladezustand des Ladespeichers
und gegebenenfalls der Ladestrom am Lesegerät signalisiert
werden, beispielsweise wiederum auf dem Display eines Mobilfunkgeräts,
in dem das Lesegerät integriert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10348569
A1 [0003, 0025, 0028]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO/IEC 14443-4 [0004]
- - ISO/IEC 14443-4 [0008]
- - ISO/IEC 14443-4 [0010]
- - ISO/IEC 14443-4 [0013]
- - ISO/IEC 14443-4 [0023]
- - ISO/IEC 14443-4 [0032]
- - ISO/IEC 14443-4 [0033]
- - ISO/IEC 14443-4 [0035]
- - ISO/IEC 14443-4 [0038]
- - ISO/IEC 14443-4 [0040]
- - ISO/IEC 14443-4 [0040]