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Die Erfindung betrifft eine Transponderanregungseinheit zur elektromagnetischen Kopplung mit einem Transponder, ein Zugangs- und/oder Startsystem für ein Fahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Transpondereinheit zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des Transpondereinheit-Transponder-Systems.
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Bei Transpondern handelt es sich um Kommunikationsanordnungen, die eingehende Signale aufnehmen und automatisch (sofort) beantworten. Eingehende Signale werden dabei auch als Transponderanregungssignale bezeichnet, ausgehende Signale als Transponderantwortsignale. Die Übertragung der Signale zu und von Transpondern erfolgt dabei typischerweise drahtlos von und zu einer oder mehreren entsprechenden Transponderanregungseinheiten. Solche Transponderanregungseinheiten können dabei stationär, zum Beispiel an einem Gebäude, oder quasistationär, zum Beispiel in einem Flugzeug, einem Wasserfahrzeug oder einem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
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Weiterhin unterscheidet man zwischen so genannten aktiven und passiven Transpondern. Unter passiven Transpondern versteht man Kommunikationsanordnungen, die die zur Kommunikation mit Transponderanregungseinheiten und zur Abarbeitung interner Prozesse benötigte Energie ausschließlich aus dem Signalfeld der Transponderanregungseinheiten beziehen. Aktive Transponder weisen dagegen eine eigene Energieversorgung auf.
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Aus der
US 2008/0 079 546 A1 ist beispielsweise ein RFID-Lesegerät (RFID = radio-frequency identification, deutsch: „Identifizierung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen”) bekannt, das eine Antenne zur Übertragung elektromagnetischer Wellen an einen Transponder und ein Lesegerät zur Abgabe von Radiofrequenzsignalen an die Antenne aufweist.
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In einer Vielzahl von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, wird bereits heute eine Vielzahl von Funktionen über mobile, von Benutzern mitgeführte Transponder ausgelöst oder gesteuert. Für den Fahrzeugzugang sind dies so genannte „Remote Keyless Entry” Systeme (kurz: RKE-Systeme), wie sie zum Beispiel zur Zentralverriegelung verwendet werden. RKE-Systeme sind inzwischen die Standardlösung nicht nur für komfortables Ver- und Entriegeln eines Fahrzeuges, sondern auch für weitere Komfortfunktionen, die neben dem Ver- und Entriegeln der Türen und des Kofferraums auch zum Aktivieren und Deaktivieren der Wegfahrsperre verwendet werden.
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Ein weiteres Transponder basierendes System ist das so genannte PASE-System. PASE steht dabei für PAsive Start and Entry und beschreibt eine schlüsselloses Zugangs- und Startsystem. Bei diesem schlüssellosen Fahrzeugzugangssystem muss der Fahrer lediglich einen Identifikationsgeber (Transponder) mit sich führen. Die quasistationären Transponderanregungseinheiten suchen durch zyklisches oder durch ein Ereignis ausgelöstes Aussenden von Transponderanregungssignalen nach der Präsenz von Transpondern und der Benutzer erhält Zugang zum Fahrzeug, wenn er sich im Wirkungsbereich einer oder mehrerer quasistationärer, im und/oder am Fahrzeug angeordneter Transponderanregungseinheiten befindet. Dabei besteht üblicherweise auch die Möglichkeit der Personalisierung der Transponder für ausgewählte Nutzer.
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Auf Basis elektromagnetischer Kopplung wird von einer Transponderanregungseinheit in einer Spule eines Schwingkreises ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches in die Spule eines im Transponder angeordneten Schwingkreises eingekoppelt wird. Dadurch wird der Schwingkreis im Transponder seinerseits zum Schwingen angeregt, wodurch wiederum eine bestimmte elektrische Spannung in diesem Transponderschwingkreis erzeugt wird. Durch Anlegen einer zeitabhängig steuerbaren Spannung an den Transponderschwingkreis kann das elektromagnetische Feld verändert beziehungsweise bedämpfet werden. Eine solche Bedämpfung wirkt sich durch Rückkopplung auch auf den Schwingkreis der Transponderanregungseinheit aus. Durch entsprechende gezielte Veränderung der steuerbaren Spannung können – zum Beispiel durch Amplitudenmodulation – Informationen vom Transponder an die Transponderanregungseinheit übertragen werden, die diese durch geeignete Demodulation des elektromagnetischen Feldes auswerten kann.
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Die Stärke des von der Transponderanregungseinheit erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes ist ein für die Funktion der Kommunikation zwischen der Transponderanregungseinheit und dem Transponder wichtiger Parameter. Insbesondere ist die von der Transponderanregungseinheit erzeugte Feldstärke wichtig für den Signal-Rausch-Abstand sowie den Störabstand (Signal-to-Noise-and-Distortion-Ratio). Für die Feldstärke ist im Wesentliche der Antennenstrom durch die Antenne der Transponderanregungseinheit maßgeblich. In Anwendungen im Automobilbereich (z. B. bei PASE-Systemen) gibt es Situationen, beispielsweise bei schwacher Autobatterie oder einer sonstigen Unterspannungssituation, in denen die Spannungsversorgung der Transponderanregungseinheit unzureichend ist und aus diesem Grund der Antennenstrom reduziert ist, was eine geringere Feldstärke und einen geringeren Störabstand zur Folge hat.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Transponderanregungseinheit, ein Zugangs- und/oder Startsystem für ein Fahrzeug sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Transponder-Systems bereitzustellen, welches auch in einer Unterspannungssituation eine ausreichende Funktion gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die Transponderanregungseinheit gemäß Anspruch 1, ein Zugangs- und/oder Startsystem für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 5 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird eine Transponderanregungseinheit beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Transponderanregungseinheit eine Antenne zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes abhängig von einem Oszillatorsignal und des Weiteren eine von einer Versorgungsspannung gespeiste Signalquelle. Die Signalquelle ist dazu ausgebildet, das Oszillatorsignal zu erzeugen und der Antenne zuzuführen, wobei die Signalquelle die Signalform abhängig von der Versorgungsspannung umzuschalten kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Signalquelle eine Detektorschaltung auf. Diese ist dazu ausgebildet, zu detektieren, wann die Versorgungsspannung der Signalquelle einen vordefinierbaren Schwellwert unterschreitet. Eine Unterschreitung des Schwellwerts wird durch ein entsprechendes Unterspannungssignal signalisiert. Die Signalquelle kann der Weiteren dazu ausgebildet sein, die Signalform abhängig von dem Unterspannungssignal umzuschalten. Ganz allgemein kann die Signalquelle dazu ausgebildet sein, im Falle einer Unterspannung in Bezug auf die Versorgungsspannung von einer sinusförmigen Signalform auf eine rechteckige Signalform umzuschalten. Die Transponderanregungseinheit kann insbesondere in Transponder-Systemen wie z. B. einem PASE-System eingesetzt werden. Die Umschaltung von einer sinusförmigen Signalform zu einer Rechteckform erhöht den effektiven Antennenstrom bei gleicher Signalamplitude und damit den Störabstand ohne wesentlichen Mehraufwand in Bezug auf die verwendete Hardware. Vorübergehende Einbußen bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden in Kauf genommen.
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Es wird auch ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer Transponderanregungseinheit und einem elektromagnetisch mit dieser koppelbaren Transponder beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren folgendes auf: das Überwachen einer Versorgungsspannung der Transponderanregungseinheit, das Erzeugen eines Antennenstroms für eine Antenne der Transponderanregungseinheit mit einer ersten Signalform oder mit einer zweiten Signalform, wobei die Signalform abhängig von der Versorgungsspannung eingestellt wird.
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Das Überwachen der Versorgungsspannung umfasst beispielsweise das Detektieren, ob die Versorgungsspannung einen vordefinierbaren Schwellwert unterschreitet. Die Signalform kann von der ersten auf die zweite Signalform umgeschaltet werden, wenn die Versorgungsspannung den Schwellwert unterschreitet. Sobald die Versorgungsspannung diesen Schwellwert (oder einen geringfügig anderen, um eine Hysterese zu erreichen) wieder erreicht oder überschreitet wird auf die erste Signalform zurückgeschaltet. Insbesondere sind die erste Signalform eine Sinusform und die zweite Signalform eine Rechteckform oder eine Trapezform.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
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1 eine Schaltungsanordnung mit einer Transponderanregungseinheit und einem Transponder nach dem Stand der Technik;
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2 ein Beispiel einer Signalquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ist ein Zeitdiagramm, welches die von der Signalquelle erzeugten Signalformen und die resultierende Leistung illustriert.
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Die in den Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiele dienen dazu, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu illustrieren. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Transponderanregungseinheit 1 und einem Transponder 2 nach dem Stand der Technik. Im vorliegenden Beispiel ist der Transponder 2 ein passiver Transponder, d. h. ein Transponder ohne eigene Energieversorgung. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist jedoch ohne weiteres auch auf Transpondersysteme mit aktiven Transpondern anwendbar. Unter einem Transpondersystem wird allgemein ein System verstanden, das zumindest eine Transponderanregungseinheit und zumindest einen Transponder umfasst. Das System umfasst also sämtliche Komponenten, die für die Kommunikation zwischen Transponderanregungseinheit und Transponder notwendig sind. Die Transponderanregungseinheit 1 umfasst eine Spannungsquelle als Signalquelle UOSZ 6, einen Widerstand RA, eine erste Spule LA, einen ersten Kondensator CA und einen Demodulator 3 auf. Der Transponder 2 weist einen Schalter SMOD, eine Spannungsquelle UTlim 4, eine Spannungsquelle UTmod, einen zweiten Kondensator CT und eine zweite Spule LT auf. Die Signalquelle UOSZ 6 ist mit ihrem einem (z. B. negativen) Pol an Masse gelegt und mit ihrem anderen (z. B. positiven) Pol über einen Widerstand RA mit der ersten Spule LA verbunden, die als Antenne dient. Die erste Spule LA ist mit dem Demodulator 3 und dem Kondensator CA verbunden, der andererseits an Masse angeschlossen ist.
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Die Spannungsquelle UTlim 4 ist mit ihrem einen (z. B. negativen) Pol mit der zweiten Spule LT und dem Kondensator CT verbunden, der andere (z. B. positive) Pol der Spannungsquelle UTlim 4 führt zu einem der beiden Schaltkontakte des Schalters SMOD. Die Spannungsquelle UTmod 5 ist mit ihrem einen (z. B. negativen) Pol mit jeweils dem selben Anschluss der zweiten Spule LT und dem selben Anschluss des zweiten Kondensators CT verbunden wie die Spannungsquelle UTlim 4, der andere (z. B. positive) Pol der Spannungsquelle UTmod 5 führt zu dem anderen der beiden Schaltkontakte des Schalters SMOD. Der Schalter SMOD wiederum ist mit den verbleibenden Anschlüssen der zweiten Spule LT und des zweiten Kondensators CT verbunden. Durch den Widerstand RA, die erste Spule LA und den ersten Kondensator CA wird in der Transponderanregungseinheit 1 ein Schwingkreis ausgebildet, der durch die Wechselspannung der Signalquelle UOSZ 6 zum Schwingen angeregt wird, wodurch über die erste Spule LA ein entsprechendes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Gleichzeitig fällt über den ersten Kondensator CA die Spannung UA ab, die dem Demodulator 3 zur Verfügung gestellt wird.
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Das durch die erste Spule LA (Antenne der Transponderanregungseinheit) erzeugte elektromagnetische Wechselfeld wird mit einem Koppelfaktor K in die zweite Spule LT des Transponders 2 eingekoppelt. Dadurch wird in dem aus der Parallelschaltung der zweiten Spule LT mit dem Kondensator CT gebildeten Transponderschwingkreis eine entsprechende Spannung induziert. Die Größe des Koppelfaktors K hängt dabei von der räumlichen Ausrichtung der ersten und zweiten Spulen LA und LT sowie deren räumlichen Abstand zueinander ab. Befindet sich die zweite Spule LT bedingt durch entsprechende Ausrichtung des Transponders 2 beispielsweise in einer Ausrichtung senkrecht zur ersten Spule LA der Transponderanregungseinheit 1, geht der Koppelfaktor K gegen Null und es wird keine oder eine nur sehr geringe Spannung in der zweiten Spule LT der Transpondereinheit 2 induziert. Durch Betätigen des Modulationsschalters SMOD wird zwischen den Spannungsquellen UTlim 4 und UTmod 5 des Transponders 2 umgeschaltet, wodurch der Transponderschwingkreis das von der Transponderanregungseinheit 1 herrührende elektromagnetische Feld zeitabhängig bedämpft (impedanzmodulierte Amplitudenmodulation).
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Wenn ein ausreichend großer Koppelfaktor K zur Verfügung steht, wird durch Rückkopplung des elektromagnetischen Feldes in den Schwingkreis der Transponderanregungseinheit 1 dadurch die dem Demodulator 3 zugeführte Spannung UA am ersten Kondensator CA um einen Wert ΔUA variiert und kann von diesem Demodulator 3 demoduliert werden. Auf diese Weise wird eine gewünschte Information vom Transponder 2 an die Transponderanregungseinheit 1 übertragen. Im Fall abgestimmter Schwingkreise in der Transponderanregungseinheit 1 und des Transponders 2 ist die erzielbare Spannungsmodulation ΔUA direkt vom aktuell vorliegenden Koppelfaktor K abhängig, der wie oben beschrieben in ungünstigen Fällen Werte nahe Null annehmen kann. Eine mit UTlim – UTmod bezeichnete Spannung stellt eine zeitabhängige Spannung dar, die durch Umschaltung des Schalters SMOD zwischen der Spannungsquelle UTlim 4 und der Spannungsquelle UTmod 5 erzielt und auf den Transponderschwingkreis angewendet wird, der aus einer Parallelschaltung von zweiter Spule LT und zweitem Kondensator QT ausgebildet ist.
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Unabhängig davon, ob ein aktiver oder ein passiver Transponder verwendet wird, ist die Stärke des von der Antenne, d. h. von der ersten Spule LA, erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes ein für die Funktion der Kommunikation zwischen der Transponderanregungseinheit 1 und dem (aktiven oder passiven) Transponder 2 wichtiger Parameter. Insbesondere ist die mit Hilfe der Transponderanregungseinheit 1 erzeugte Feldstärke wichtig für das Signal-Störsignal-Verhältnis bzw. den Störabstand (kurz: SINAD, Signal-to-Noise-and-Distortion-Ratio). Für die Feldstärke ist im Wesentlichen der Antennenstrom durch die Antennenspule LA der Transponderanregungseinheit 1 maßgeblich. In Anwendungen im Automobilbereich (z. B. bei PASE-Systemen) gibt es Situationen, beispielsweise bei schwacher Autobatterie oder einer sonstigen Unterspannungssituation, in denen die Spannungsversorgung der Transponderanregungseinheit 1 unzureichend ist und aus diesem Grund der Antennenstrom (Spulenstrom durch die erste Spule LA) reduziert ist, was eine geringere Feldstärke und einen geringeren Störabstand (SINAD) zur Folge hat. Bei herkömmlichen PASE-Systemen wird aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) immer ein sinusförmiges Antennenstromsignal generiert, um ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld zu erhalten.
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Die 2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Signalquelle UOSZ 6 aus 1 detaillierter. Im vorliegenden Beispiel werden die zu sendenden Signale SSIN, SSQU, welche in der Folge auch die Signalform des Antennenstroms bestimmen, digital erzeugt.
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Über den steuerbaren Schalter 63 (z. B. ein Multiplexer) wird entweder das sinusförmige Signal SSIN (nachdem es von dem Digital-Analog-Wandler in ein Analogsignal gewandelt wurde) oder das Rechtecksignal SSQU der Treiberstufe 61 zugeführt. Die Treiberstufe 61 ist in der Abbildung als LF-Treiberstufe bezeichnet, wobei das LF (”low frequency”) für eine Trägerfrequenz von 125 kHz steht.
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Die Treiberstufe 61 wird mit einer Versorgungsspannung VBAT versorgt, welche beispielsweise, insbesondere bei PASE-Systemen, von einer Fahrzeugbatterie (direkt oder, z. B. während der Fahrt, indirekt über einen Spannungsregler) bereitgestellt wird. Die Batteriespannung kann bei PKW-Batterien erheblichen Schwankungen unterworfen sein (von der Maximalspannung 14,4 V bis auf 9 V oder auch weniger). Der effektive Verstärkungsfaktor der Treiberstufe 61 hängt von der Höhe der Versorgungsspannung VBAT ab und damit auch die von der Treiberstufe 61 über die Antenne übertragbare Signalleistung. Die Signalleistungen sind in 3 für verschiedene Signalformen gegenübergestellt.
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Um trotz niedriger Versorgungsspannung VBAT ein zu starkes Absinken der übertragbaren Signalleistung zu verhindern, wird gemäß dem hier dargestellten Beispiel das Eingangssignal der Treiberstufe von dem sinusförmigen Signal SSIN auf das Rechtecksignal SSQU umgeschaltet, sobald die Versorgungsspannung einen Schwellwert VSW (Minimalwert) unterschreitet. Zu diesem Zweck wird die Versorgungsspannung VBAT von einer Spannungspegelüberwachungsschaltung 62 (in 2 als ”VBAT-Monitor” bezeichnet) überwacht. Sobald die Versorgungsspannung VBAT den Schwellwert VSW unterschreitet, wird das Eingangssignal der Treiberstufe 61 über ein entsprechendes Steuersignal umgeschaltet (von SSIN auf SSQU). Bei einem späteren Anstieg der Versorgungsspannung VBAT über den Schwellwert VSW wird wieder auf das sinusförmige Eingangssignal SSIN zurückgeschaltet. Der Schwellwert für die Umschaltung von der Sinusform auf die Rechteckform kann sich von dem Schwellwert für das Zurückschalten von der Rechteckform auf die Sinusform unterscheiden. So wird eine Hysterese erreicht und ein ständiges Hin- und Herschalten (Toggling) zwischen den beiden Signalformen verhindert. Die Spannungspegelüberwachungsschaltung 62 kann beispielsweise mit Hilfe einer Komparatorschaltung in sehr einfacher Weise implementiert werden. Der Schalter 63 ist ebenfalls sehr einfach implementierbar, beispielsweise mit Hilfe von MOSFETs, jedoch ist, bei Verwendung eines Mikrocontrollers auch eine mit softwaregesteuerte Umschaltung möglich. Der Komparator 62 kann auch softwaregestützt ausgeführt sein, d. h. die Versorgungsspannung wird mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert und der Vergleich des digitalisierten Wertes mit dem (in digitaler Form vorliegenden) Schwellwert wird beispielsweise mit Hilfe eines entsprechend programmierten Mikrocontrollers durchgeführt. Die oben erwähnte Spannungspegelüberwachungsschaltung 62 kann also ganz allgemein als Detektorschaltung angesehen werden, die dazu ausgebildet ist, zu detektieren, wann die Versorgungsspannung VBAT der Signalquelle UOSZ 6 einen vordefinierbaren Schwellwert VSW unterschreitet, und dies durch ein entsprechendes Unterspannungssignal UV zu signalisieren. Die konkrete Implementierung dieser Funktion kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen (als diskret aufgebaute Schaltung, mit Hilfe eines entsprechend programmierten Mikrocontrollers, oder in gemischter Bauweise).
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In 3 sind die Signalverläufe (der Spannung UOSZ) und die entsprechenden Momentanleistungen für ein sinusförmiges (Diagramm (a), SSIN) und ein rechteckiges (Diagramm (b), SSQU) Oszillatorsignal dargestellt. In einer realen Implementierung weist – aufgrund der endlichen Anstiegszeit (Slew-Rate) der Treiberstufe – das Rechtecksignal immer (annähernd) eine Trapezform auf, was hier jedoch auch unter den Begriff ”Rechtecksignal” subsumiert wird. Wie die Zeitdiagramme zeigen, wird durch die Umschaltung der Signalform die Maximalleistung praktisch verdoppelt, ohne einen signifikanten schaltungstechnischen Mehraufwand zu verursachen. Im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist die sinusförmige Signalform jedoch besser, sodass eine Umschaltung nur für niedrige Versorgungsspannungen VBAT erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transponderanregungseinheit
- 2
- Transponder
- 3
- Demodulator
- 4
- Spannungsquelle UTlim
- 5
- Spannungsquelle UTmod
- 6
- Signalquelle UOSZ
- SSIN
- sinusförmiges Eingangssignal
- SSQU
- rechteckförmiges Eingangssignal
- VBAT
- Versorgungsspannung
- 61
- LF-Treiberstufe
- 62
- Spannungspegelüberwachungsschaltung
- 63
- steuerbarer Schalter
- DAC
- Digital-Analog-Wandler
- UA
- Spannung
- RA
- Widerstand
- LA
- erste Spule
- LT
- zweite Spule
- CA
- erster Kondensator
- CT
- zweiter Kondensator
- SMOD
- Schalter
- K
- Koppelfaktor
- UV
- Unterspannungssignal
- VSW
- Schwellwert der Versorgungsspannung