DE102013220596A1

DE102013220596A1 - Treiberschaltung für eine Induktivität, Verfahren zum Betreiben einer Induktivität und aktive Sendeeinrichtung mit einer Treiberschaltung

Info

Publication number: DE102013220596A1
Application number: DE201310220596
Authority: DE
Inventors: Herbert Froitzheim; Dieter Sass
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-16
Also published as: US20160250995A1; KR101800568B1; KR20160068885A; CN105745842A; US9802572B2; JP2017501602A; WO2015052033A1; CN105745842B; JP6231198B2

Abstract

Treiberschaltung, Verfahren zum Betreiben einer Induktivität und aktive Sendeeinrichtung, bei denen ein Kondensator mittels eines Ladestromes auf eine Referenzspannung aufgeladen wird, der aufgeladene Kondensator über die Induktivität schwingend entladen wird, wobei das Entladen beendet wird, wenn der Strom durch die Induktivität eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat. Ein solches Verfahren ist sehr effizient und erfordert wenig Aufwand bei der Durchführung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine Induktivität, insbesondere eine induktive Antenne, ein Verfahren zum Betreiben einer Induktivität und einen aktive Sendeeinrichtung mit einer Treiberschaltung.
Schlüssellose Fahrzeug-Zugangs- und Startsysteme wie beispielsweise das Passive Start Entry (PASE) System sind automatische Systeme, ein Fahrzeug ohne aktive Benutzung eines Autoschlüssels zu entriegeln und durch das bloße Betätigen des Startknopfes zu starten. Ermöglicht wird das durch einen elektronischen Schlüssel mit Chip, den der Fahrzeuglenker mit sich führt. Periodisch wird vom Fahrzeug über mindestens eine am Fahrzeug befindliche Antenne ein codiertes Anfragesignal auf einer LF-Frequenz (LF steht für "Low Frequency" mit Frequenzen zwischen beispielsweise 20kHz und 200kHz) ausgesendet. Das System geht darauf in einen Empfangsmodus im UHF-Bereich (UHF steht für "Ultra High Frequency" mit Frequenzen beispielsweise im dreistelligen MHz-Bereich) und wartet auf Bestätigung. Ist eine mit einem Transponder ausgestatteter Schlüssel in Reichweite, empfängt dieser das LF-Signal, decodiert es und sendet es mit einer neuen Codierung als UHF-Signal wieder aus. Das UHF-Signal wird im Fahrzeug decodiert. Da das Fahrzeug beide Kodiertabellen kennt, kann es die eigene ursprüngliche Aussendung mit dem gerade empfangenen Signal vergleichen und bei Übereinstimmung den Zugang gewähren. Gibt es innerhalb einer definierten Zeit keine korrekte Antwort, passiert nichts und das System schaltet wieder auf Standby. Der Motorstartvorgang entspricht im Wesentlichen dem der Zugangskontrolle, nur dass hier der Motorstartknopf zu betätigten ist.
Als Antenne zum Aussenden des LF-Signals findet überwiegend eine induktive Antenne Verwendung, die beispielsweise als ein mit einer Wicklung versehener Ferritkern (auch als Magnetantenne oder Ferritantenne bekannt) ausgeführt ist. Die Induktivität der induktiven Antenne wird dabei häufig zusammen mit einem Kondensator in einem Schwingkreis betrieben. Der Energieverbrauch eines solchen Schwingkreises wird üblicherweise durch eine möglichst hohe Güte und eine exakte Frequenzabstimmung niedrig gehalten, um die Gesamtstromaufnahme des Zugangs- und Startsystems möglichst gering zu halten. Eine geringe Stromaufnahme ist beispielsweise allein schon deshalb wünschenswert, da bei längerer Standzeit des Fahrzeuges ansonsten die Fahrzeugbatterie schnell entladen werden würde. Eine hohe Güte schränkt jedoch die Übertragungsdatenrate ein und eine bei hoher Güte exakte Abstimmung erfordert einigen Aufwand. Gängige Anordnungen stellen daher meist einen unbefriedigenden Kompromiss zwischen Datenrate, Aufwand und Energieverbrauch dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezüglich verbesserte Treiberschaltung für eine Induktivität bereitzustellen. Weiterhin soll ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Induktivität und eine verbesserte aktive Sendeeinrichtung mit einem Schwingkreis bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Treiberschaltung für eine Induktivität gemäß Anspruch 1 beziehungsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Induktivität gemäß Anspruch 12 beziehungsweise eine aktive Sendeeinrichtung gemäß Anspruch 19.
Die erfindungsgemäße Treiberschaltung für eine Induktivität umfasst einen Kondensator, zwei Eingangspfade zum Zuführen einer Referenzspannung für den Kondensator und zwei Ausgangspfade zum Anschließen der Induktivität an den Kondensator. Weiterhin umfasst die Treiberschaltung einen ersten steuerbaren Schalter, der in einen der beiden Eingangspfade geschaltet ist, und einen zweiten steuerbaren Schalter, der in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist. Eine Strommesseinrichtung ist in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet und ist dazu ausgebildet, den durch die Induktivität fließenden Strom zu messen. Eine Schaltersteuereinrichtung, die der Strommesseinrichtung nachgeschaltet ist, wertet den durch die Induktivität fließenden Strom aus und ist dazu ausgebildet, zunächst bei geöffnetem zweiten Schalter den ersten Schalter zu schließen, um den Kondensator mit der Referenzspannung aufzuladen, und dann den ersten Schalter zu öffnen und den zweiten Schalter zu schließen, um den Kondensator über die Induktivität schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter erst dann wieder geöffnet wird, wenn der Strom durch die Induktivität eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.
Vorteile der erfindungsgemäßen Treiberschaltung sind ein geringer Schaltungs- und Justieraufwand, ein geringer Stromverbrauch, eine geringere Störsignalabgabe und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Dimensionierungstoleranzen.
Desweiteren kann eine Strombegrenzung oder Stromeinprägung in Reihe zum ersten Schalter geschaltet werden, sodass vorteilhafterweise Kondensator, Schalter oder Referenzspannungsquelle nicht überlastet werden.
Die Schaltersteuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Nulldurchgänge des gemessenen Stromes zu detektieren und nach einer Anzahl von zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Nulldurchgängen den zweiten Schalter zu öffnen. Die Erfassung der Nulldurchgänge stellt eine einfache und effiziente Möglichkeit dar, dass Ende einer Schwingungsperiode festzustellen.
Die Schaltersteuereinrichtung kann einen Modulationseingang für ein Modulationssignal aufweisen und dazu ausgebildet sein, Schaltzyklen des ersten Schalters und des zweiten Schalters in Abhängigkeit von dem Modulationssignal zu steuern, um vorteilhafterweise vielfältige Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen.
Die Schaltersteuereinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, eine Phase-Shift-Keying-Modulation oder eine Amplitude-Shift-Keying-Modulation oder eine Frequency-Shift-Keying-Modulation des Antennenstromes durchzuführen. Die Schaltersteuereinrichtung bietet bei Modulation eine effektive Güte von 1 während der Schwingkreis mit einer hohen Güte und damit sehr energiesparend betrieben wird.
Zumindest erster Schalter und zweiter Schalter können als steuerbare Halbleiterbauelemente ausgeführt sind, wodurch auf einfache Weise und mit geringem Aufwand Schaltvorgänge auch mit höheren Schaltfrequenzen ausgeführt werden können.
Die Strommesseinrichtung kann als ohmscher Widerstand ausgeführt sein, wodurch auf einfache Weise und mit geringem Aufwand Ströme gemessen werden können.
Die Strommesseinrichtung kann aber auch dazu ausgebildet sein, die Ableitung der Spannung am Kondensator auszuwerten, falls eine Strommessung nicht erwünscht oder nicht praktikabel ist.
Vorzugsweise hat der durch Kondensator und Induktivität gebildete Schwingkreis eine Resonanzfrequenz, die höher ist als eine zur Übertragung vorgesehene Trägerfrequenz. Die Resonanzfrequenz kann beispielsweise um 5 bis 30 Prozent höher sein als die zur Übertragung vorgesehene Trägerfrequenz.
Ein dritter steuerbarer Schalter kann dem Kondensator parallel geschaltet sein, welcher derart gesteuert werden kann, dass er den Kondensator kurzschließt zum Deaktivieren der Treiberschaltung. Damit kann vorteilhafterweise im deaktivierten Zustand eine definierte Spannung am Kondensator wie zum Beispiel 0 V eingeprägt werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Induktivität, bei dem ein Kondensator mittels eines Ladestromes auf eine Referenzspannung aufgeladen wird, der aufgeladene Kondensator über die Induktivität schwingend entladen wird, wobei das Entladen beendet wird, wenn der Strom durch die Induktivität eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat. Ein solches Verfahren ist sehr effizient und erfordert wenig Aufwand bei der Durchführung.
Auch der Ladestrom des Kondensators kann begrenzt oder eingeprägt werden zum Schutz vor Überströmen.
Desweiteren können beim erfindungsgemäßen Verfahren die Nulldurchgänge des gemessenen Stromes detektiert werden und nach einer Anzahl von zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Nulldurchgängen die Entladung des Kondensators beendet werden. Die Erfassung der Nulldurchgänge stellt eine einfache und effiziente Möglichkeit dar, dass Ende einer Schwingungsperiode festzustellen.
Insbesondere bei der Verwendung als Sendeeinrichtung können die Lade- und Entlade-Zyklen des Kondensators in Abhängigkeit von einem Modulationssignal gesteuert werden.
Dabei kann eine Phase-Shift-Keying-Modulation oder eine Amplitude-Shift-Keying-Modulation oder eine Frequency-Shift-Keying-Modulation durchgeführt werden auf Basis des Modulationssignals. Die Lade- und Entladezyklen können derart ausgestaltet sein, dass die Modulation mit einer effektiven Güte von 1 erfolgt, jedoch der Schwingkreis mit einer hohen Güte betrieben wird, wodurch der Betrieb sehr energiesparend ist.
Zur Strommessung kann alternativ auch die Ableitung der Spannung am Kondensator ausgewertet werden.
Der Kondensator kann zudem, ggfs. auch zum Schutz vor Überströmen, mittels einer Strombegrenzung oder Stromeinprägung, kurzschlossen werden zum Deaktivieren der Treiberschaltung, so dass im deaktivierten Zustand ein definierter Zustand am Kondensator vorliegt.
Die Aufgabe wird auch noch gelöst durch eine aktive Sendeeinrichtung mit einer induktiven Antenne, einem Kondensator und einer Referenzspannung. Außerdem umfasst sie zwei Eingangspfade, die zwischen Referenzspannung und Kondensator geschaltet sind, und zwei Ausgangspfade, die zwischen der induktiven Antenne und den Kondensator geschaltet sind. Ein erster steuerbarer Schalter ist in einen der beiden Eingangspfade geschaltet und ein zweiter steuerbarer Schalter ist in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet. Zudem ist eine Strommesseinrichtung in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet und misst den durch die induktive Antenne fließenden Strom. Eine Schaltersteuereinrichtung, die der Strommesseinrichtung nachgeschaltet ist, wertet den durch die induktive Antenne fließenden Strom aus und ist dazu ausgebildet, zunächst bei geöffnetem zweiten Schalter den ersten Schalter zu schließen, um den Kondensator mit der Referenzspannung aufzuladen, und dann den ersten Schalter zu öffnen und den zweiten Schalter zu schließen, um den Kondensator über die induktive Antenne schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter erst dann wieder geöffnet wird, wenn der Strom durch die Antenne eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat. Eine derartige aktive Sendeeinrichtung kann beispielsweise im Rahmen eines schlüssellosen Fahrzeug-Zugangs-und Startsysteme wie beispielsweise dem Passive Start Entry (PASE) System vorteilhaft eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 in einem Schaltbild eine beispielhafte Treiberschaltung für eine Induktivität bei einer Anwendung als aktive Sendeeinrichtung für LF-Signale,
2 in einem Diagramm den Verlauf der Spannung über dem Kondensator der Treiberschaltung in Bezug auf Steuersignale der Schalter und einem Modulationssignal,
3 in einem Diagramm den Verlauf der Spannung über dem Kondensator der Treiberschaltung bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen in Bezug auf die Trägerfrequenz,
4 in einem Diagramm den zu dem Spannungsverlauf nach 3 korrespondierenden Verlauf des Stromes durch die Antenne,
5 in einem vergleichenden Diagramm die bei herkömmlichem Rechteckbetrieb und bei Verwendung der erfindungsgemäßen Treiberschaltung erzeugten Harmonischen,
6 in einem Diagramm den Verlauf des Antennensignals bei Bi-Phase-Shift-Keying-Modulation,
7 in einem Diagramm den Verlauf des Antennensignals bei Amplitude-Shift-Keying-Modulation und
8 in einem Diagramm den Verlauf des Antennensignals bei Frequency-Shift-Keying-Modulation.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung für eine Induktivität, die im vorliegenden Fall durch eine induktive Antenne 1 wie beispielsweise eine Ferritantenne gegeben ist, bei einer Anwendung als aktive Sendeeinrichtung. Die induktive Antenne 1 kann ersatzweise wie in der 1 dargestellt durch eine elektrische Reihenschaltung aus einem rein induktiven Anteil 2 und einem ohmschen Anteil 3 beschrieben werden. Ein Kondensator 4 ist zum einen mit zwei Eingangspfaden zum Zuführen einer auf Masse M bezogenen Referenzspannung Ur und zwei Ausgangspfaden zum Anschließen der induktiven Antenne 1 verbunden. Dabei ist ein erster steuerbarer Schalter 5 in den oberen der beiden Eingangspfade geschaltet, wobei er alternativ auch in den unteren der beiden Eingangspfade geschaltet sein könnte.
In Reihe zum Schalter 5 ist ein ohmscher Widerstand 6 geschaltet, welcher zur Strombegrenzung in den Eingangspfaden dient. Anstelle des ohmschen Widerstandes 6 könnte auch eine Stromquelle oder eine sonstige Art von Stromeinprägung oder Strombegrenzung verwendet werden. Ein zweiter steuerbarer Schalter 7 ist in den oberen der beiden Ausgangspfade und ein ohmscher Widerstand 8, der als Messwiderstand zur Messung des durch die induktive Antenne 1 fließenden Stromes Ia, also als Strommesseinrichtung dient, ist in den unteren der beiden Eingangspfade geschaltet. Alternativ könnten der Schalter 7 und der Widerstand 8 auch in dem jeweils selben Eingangspfad angeordnet werden oder die jeweiligen Eingangspfade können gegeneinander vertauscht sein. Zur Strommessung kann alternativ auch die Ableitung der Spannung am Kondensator (4) ausgewertet werden.
Weiterhin umfasst die Treiberschaltung eine Schaltsteuereinrichtung 9, welche eine dem Strom Ia durch den Widerstand 8 und damit dem Strom durch die Antenne 1 proportionale Spannung über dem Widerstand 8 abgreift und auswertet, beispielsweise die Null-Durchgänge des Stromes Ia ermittelt. Bei geöffnetem zweiten Schalter 7 wird unter Steuerung der Schaltsteuereinrichtung 9 der erste Schalter 5 mittels des Steuersignals S1 geschlossen, um den Kondensator 4 auf die Referenzspannung Ur aufzuladen. Anschließend wird dann der erste Schalter 5 geöffnet und der zweite Schalter 7 mittels des Steuersignals S2 geschlossen, um den Kondensator 4 über die induktive Antenne 1 schwingend, d.h. zumindest eine volle Schwingung ausführend entladen, wobei der zweite Schalter 7 erst dann wieder geöffnet wird, wenn der Strom Ia durch die induktive Antenne 1 eine ganze Schwingungsperiode (oder ein Vielfaches davon) durchlaufen hat. Die Schaltsteuereinrichtung 9 weist zudem einen Modulationseingang für ein Modulationssignal MOD auf, auf das unten noch näher eingegangen wird.
Optional kann noch ein dritter steuerbarer Schalter 10, ggfs. zusammen mit einer in Reihe geschalteten Diode 11, dem Kondensator 4 direkt oder – wie gezeigt – über den Widerstand 6 parallel geschaltet sein, welcher mittels eines Steuersignals S3 derart gesteuert wird, dass er den Kondensator 4 kurzschließt, d.h. entlädt zum Deaktivieren der Treiberschaltung.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden als steuerbare Schalter 5, 7 und 10 Feldeffekttransistoren, insbesondere MOS-Feldeffekttransistoren (MOS ist die Abkürzung für den Begriff "Metall Oxide Semiconductor") verwendet, wobei der steuerbare Schalter 5 ein MOS-Feldeffekttransistoren vom p-Kanal-Typ ist, während die steuerbaren Schalter 7 und 10 vom n-Kanal-Typ sind. Neben den gezeigten
MOS-Feldeffekttransistoren (jeglichen Leitungstyps) können auch alle anderen Arten von geeigneten steuerbaren Schaltern, insbesondere von steuerbaren Halbleiterschaltern Verwendung finden, selbstredend auch in Verbindung mit entsprechenden Treibern, Bootstrap-Schaltungen, Ladungspumpen oder Ähnlichem.
Der Verlauf der Spannung Uc über der Zeit t am Kondensator 4 in Abhängigkeit von den Steuersignalen S1, S2 und S3 für den Fall einer Bi-Phase-Shift-Keying-Modulation (BPSK-Modulation) ist in 2 gezeigt. Zu Beginn wird bei einem Zeitpunkt T0 mit der ersten Aufladung des Kondensators 4 von beispielsweise 0 V auf die Referenzspannung Ur begonnen und dementsprechend steigt die Spannung Uc über dem Kondensator 4 von beispielsweise 0 V auf die Referenzspannung Ur (im vorliegenden Fall exponentiell) an. Die vollständige Ladung ist bei einem Zeitpunkt T1 erreicht. Um auch bei kleinen Abweichungen in den Betriebsbedingungen eine vollständige Ladung sicherzustellen, erfolgt das Umschalten zwischen dem zum Laden geschlossenen ersten Schalter 5 (Schalter 7 öffnet) und dem zum schwingenden Entladen geschlossenen zweiten Schalter 7 (Schalter 5 geöffnet) etwas später als der Zeitpunkt T1, nämlich zu einem Zeitpunkt T2.
Somit wird zum Zeitpunkt T2 die Phase des schwingenden Entladens des Kondensators 4 eingeleitet. Dementsprechend fällt nun die Spannung Uc über dem Kondensator 4 wieder (im vorliegenden Fall cosinusförmig) ab, erreicht zunächst null und dann dem Verhalten des aus dem Kondensator 4 und der Antenne 1 gebildeten Schwingkreises entsprechend ein negatives Maximum mit einer güteabhängigen Amplitude zu einem Zeitpunkt T3, um dann wieder annähernd auf ein relatives positives Maximum mit einer güteabhängigen Amplitude zu einem Zeitpunkt T4 hin anzusteigen. Das positive Maximum ist zwar mehr oder weniger annähernd gleich der Referenzspannung Ur, auf alle Fälle aber kleiner als diese. Während der schwingenden Entladephase sendet die Antenne 1 ein elektromagnetisches Signal aus. Zum Zeitpunkt T4 beginnt dann eine Nachladephase, bei der die volle Ladung zu einem Zeitpunkt T5 erreicht wird. Das Umschalten vom Laden zum schwingenden Entladen erfolgt aber wiederum aus den oben bereits geschilderten Gründen zu einem etwas späteren Zeitpunkt T6. Danach folgt wiederum eine schwingende Entladephase bis zu einem Zeitpunkt T8 einschließlich des Erreichens des negativen Maximums bei einem Zeitpunkt T7.
Es folgt danach erneut eine Nachladephase beginnend mit dem Zeitpunkt T8, bei der zu einem Zeitpunkt T9 die volle Ladung erreicht ist. Danach folgt aber eine längere Wartezeit bis zu einem Zeitpunkt T11, welche einer 180° Phasenverschiebung aufgrund der BPSK-Modulation geschuldet ist. Zum Vergleich ist in 2 auch noch ein Zeitpunkt T10 eingetragen, der die minimale Wartezeit zwischen den Zeitpunkten T10 und T11 angibt. Ab dem Zeitpunkt T11 erfolgt wiederum eine schwingende Entladung bis zu einem Zeitpunkt T13 einem negativen Maximum zu einem Zeitpunkt T12. Danach kommt es noch zu einer Nachladung bis zum Zeitpunkt T14, welche aber aufgrund der Deaktivierung der Treiberschaltung zum Zeitpunkt T14 durch eine finale Entladung auf etwa 0 V (ggf. Diodenspannung über Diode 11) mittels des Schalters 10 abgebrochen wird.
Dem Schaltverhalten der Schalter 5, 7 und 10 entsprechend ist das Steuersignal S1 währen jeder Ladephase (zwischen den Zeitpunkten T0 bis T1, T4 bis T6, T8 bis T1, T13 bis T14) auf dem Pegel H und das Steuersignal S2 zunächst auf dem Pegel L. Zur jeweils nachfolgenden Entladephase (zwischen den Zeitpunkten T2 bis T4, T6 bis T8, T11 bis T13) geht das Steuersignal S1 in den Pegel L und das Steuersignal S2 in den Pegel H über. Das Steuersignal S3 ist bis zum finalen Entladen beim Zeitpunkt T14 auf dem Pegel L und dann auf dem Pegel H. Der besseren Übersichtlichkeit halber stehen bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 grundsätzlich der Pegel H für einen geschlossenen Schalter (leitend) und der Pegel L für einen geöffneten Schalter (nicht leitend). Jedoch können sich abhängig vom Typ eines einzelnen oder aller tatsächlich verwendeter Schalter und dessen spezifische Signal-Schalt-Konstellationen davon abweichende tatsächliche Ansteuersignale ergeben.
Das Modulationsignal MOD, das den in 2 gezeigten Verlauf der Spannung Uc über dem Kondensator 4 zur Folge hat, ist ebenfalls in 2 gezeigt. Das Modulationssignal MOD führt bis zum Zeitpunkt T2 den Pegel H, dann bis zum Zeitpunkt T3 den Pegel L, zum Zeitpunkt T3 den Pegel H, dann bis zum Zeitpunkt T4 den Pegel L, vom Zeitpunkt T4 bis zum Zeitpunkt T6 den Pegel H, vom Zeitpunkt T6 bis zum Zeitpunkt T8 den Pegel L mit Ausnahme des Pegels H zum Zeitpunkt T7, vom Zeitpunkt T8 bis zum Zeitpunkt T11 den Pegel H und vom Zeitpunkt T11 bis zum Zeitpunkt T13 den Pegel L mit Ausnahme des Pegels H zum Zeitpunkt T13. Im Wesentlichen führt damit das Modulationssignal MOD in den Ladephasen des Kondensators 4 und beim Auftreten des negativen Maximums der Spannung Uc am Kondensator 4 den Pegel H und ansonsten den Pegel L.
3 zeigt nochmals im Detail den Verlauf der Spannung Uc am Kondensator 4 über der Zeit t bei zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen F1 und F2 an, wobei Resonanzfrequenz F1 um 5 % über einer gewünschten Trägerfrequenz liegt und die Resonanzfrequenz F2 um 30 % über der gewünschten Trägerfrequenz liegt. 4 zeigt den jeweils hierzu korrespondierenden Stromverlauf Ia über der Zeit t für die beiden Resonanzfrequenzen F1 und F2, wie er beispielsweise sich am Widerstand 8 darstellt. Wie zu erwarten war beträgt Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Spannungen und Strömen ca. 90°. In 5 sind schematisch die sich ergebenden Harmonischen in den Spektren der durch die Antenne 1 abgestrahlten Signale als Amplituden A der Harmonischen über der Frequenz f dargestellt, wobei für beide Fälle von einer Grundschwingung mit derselben Amplitude (nicht gezeigt) ausgegangen wird. Wie zu ersehen ist, ist das vorliegende Verfahren gegenüber bekannten Verfahren mit Rechtecksignalen bezüglich der von den Harmonischen beigetragenen Energie deutlich günstiger, d.h. es erzeugt weniger Störenergie und ist damit im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) vorteilhafter bei darüber hinaus geringerem Aufwand wie aus der Schaltung nach 1 ersichtlich ist. Bei rechteckförmigem Betrieb der Antenne werden nur ungerade Harmonische erzeugt, während im vorliegenden Fall sowohl gerade als auch ungerade Harmonische generiert werden. Das günstige Verhalten der vorliegenden Treiberschaltung ergibt sich daraus, dass der durch die Antenne 1 fließende Strom Ia über einen weiten Bereich sinusförmig ist und nur die Unterbrechung während der Nachladezeit zwischen den sinusförmigen Schwingungsvorgängen zur Erzeugung harmonischer Anteile beiträgt. Die Amplituden der Grundschwingung und der Harmonischen ändern sich dabei mit dem Verhältnis zwischen der Antennenresonanzfrequenz und der Trägerfrequenz.
Bei dem Beispiel nach 2 wurde von einer BPSK-Modulation ausgegangen. Das sich hierzu ergebende Sendesignal als Amplitude A über der Zeit t ist im Einzelnen in 6 dargestellt. In gleicher Weise sind alternativ auch viele andere Modulationsarten geeignet wie beispielsweise die ASK-Modulation (ASK steht für "Amplitude Shift Keying"), dessen zugehöriges Sendesignal in 7 dargestellt ist, oder die FSK-Modulation (FSK steht für "Frequency Shift Keying"), dessen zugehöriges Sendesignal in 8 dargestellt ist.
Die BPSK-Modulation bedeutet bei der vorliegenden Treiberschaltung, dass 180° Phasenverschiebungen in das Trägersignal eingefügt werden in Abhängigkeit von dem zu übertragenen logischen Wert. Beispielsweise kann für den logischen Wert L eine Phasenverschiebung von 0° und für den logischen Wert H eine Phasenverschiebung von 180° vorgesehen werden. Bei der vorliegenden Treiberschaltung wird eine Phasenverschiebung um 180° dadurch erreicht, dass der jeweils anstehende Entladevorgang um eine entsprechende Zeit verzögert durchgeführt wird. Obwohl bei der vorliegenden Treiberschaltung der Gütefaktor Q ohnehin sehr hoch ist, wird die BPSK-Modulation sofort erzeugt, so dass der Gütefaktor Q als gleich eins erscheint. Demzufolge ist die Verlustenergie äußerst gering, da der Resonanzkreis aus Kondensator 4 und Antenne 1 nicht entladen werden muss zum Zwecke der Modulation.
Bei ASK-Modulation werden zwei verschiedene Amplituden abhängig von dem zu übertragenden logischen Wert erzeugt. Bei einer speziellen Form, dem OOK (On-Off Keying) ist einer der Amplituden-Werte null und der andere beispielsweise der Maximalwert. In Bezug auf die vorliegenden Treiberschaltung hat diese besondere Art der Modulation zur Folge, dass die Antenne 1 die ganze Zeit ausgeschaltet bleibt, solange beispielsweise der logische Wert L übertragen werden soll, andernfalls ist die Antenne 1 eingeschaltet, wenn der logische Wert H übertragen werden soll. Dies korrespondiert mit einer Phasenverschiebung von n-mal 360° für eine Dauer von n Trägerperioden. Auch in diesem Fall ist der Gütefaktor eins und auch hier wird dem System zur Modulation keine Energie entzogen.
Die FSK-Modulation sieht für jeden logischen Wert eine eigene Trägerfrequenz vor. Bei der vorliegenden Treiberschaltung wird hierzu eine entsprechende Phasenverschiebung nach jeder Entladephase eingefügt zur Erzeugung einer niedrigeren Trägerfrequenz als die nominale Trägerfrequenz. Auch in diesem Fall ist der Gütefaktor eins und auch hier wird dem System zur Modulation keine Energie entzogen.
Vorteile der erfindungsgemäßen Treiberschaltung sowie der erfindungsgemäßen aktiven Sendeeinrichtung sind, dass hohe Schwingkreis-Gütefaktoren Q erzielt werden können ohne dabei die Übertragungsqualität zu beeinträchtigen und ohne einen spezifischen Gütefaktor Q zu benötigen, dass die EMV-Emissionen vergleichsweise sehr gering sind, dass die Verlustleistung sehr gering ist und dass durch Verwendung von Multiplexern auch mehrere verschiedene Antennen mit dem selben Treiber betrieben werden können.
Bezugszeichenliste

1: Antenne
2: rein induktiver Anteil
3: rein ohmscher Anteil
4: Kondensator
5: erster steuerbarer Schalter
6: Strombegrenzung, Widerstand
7: zweiter steuerbarer Schalter
8: Strommesseinrichtung, Widerstand
9: Schaltersteuereinrichtung
10: dritter steuerbarer Schalter
11: Diode
A: Amplitude
f: Frequenz
F1: Resonanzfrequenz
F2: Resonanzfrequenz
H: Pegel
Ia: Strom
L: Pegel
M: Masse
MOD: Modulationssignal
Q: Gütefaktor
S1: Steuersignal
S2: Steuersignal
S3: Steuersignal
t: Zeit
T0–T14: Zeitpunkte
Uc: Spannung am Kondensator
Ur: Referenzspannung

Claims

Treiberschaltung für eine Induktivität (1) mit einem Kondensator (4), zwei Eingangspfaden zum Zuführen einer Referenzspannung (Ur) für den Kondensator (4), zwei Ausgangspfaden zum Anschließen der Induktivität (1) an den Kondensator (4), einem ersten steuerbaren Schalter (5), der in einen der beiden Eingangspfade geschaltet ist, einem zweiten steuerbaren Schalter (7), der in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist, einer Strommesseinrichtung (8), die in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, den durch die Induktivität (1) fließenden Strom (Ia) zu messen, und einer Schaltersteuereinrichtung (9), die der Strommesseinrichtung (8) nachgeschaltet ist, die den durch die Induktivität (1) fließenden Strom (9) auswertet und die dazu ausgebildet ist, zunächst bei geöffnetem zweiten Schalter (7) den ersten Schalter (5) zu schließen, um den Kondensator (4) auf die Referenzspannung (Ur) aufzuladen, und dann den ersten Schalter (5) zu öffnen und den zweiten Schalter (7) zu schließen, um den Kondensator (4) über die Induktivität (1) schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter (7) erst dann wieder geöffnet wird, wenn der Strom (Ia) durch die Induktivität (1) eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der eine Strombegrenzung (6) oder Stromeinprägung in Reihe zum ersten Schalter (5) geschaltet ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Schaltersteuereinrichtung (9) dazu aus gebildet ist, die Nulldurchgänge des gemessenen Stromes (Ia) zu detektieren und nach einer Anzahl von zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Nulldurchgängen den zweiten Schalter (7) zu öffnen.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Schaltersteuereinrichtung (9) einen Modulationseingang für ein Modulationssignal (MOD) aufweist und dazu ausgebildet ist, Schaltzyklen des ersten Schalters (5) und des zweiten Schalters (7) in Abhängigkeit von dem Modulationssignal (MOD) zu steuern.
Treiberschaltung nach Anspruch 4, bei der die Schaltersteuereinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, eine Phase-Shift-Keying-Modulation oder eine Amplitude-Shift-Keying-Modulation oder eine Frequency-Shift-Keying-Modulation durchzuführen.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest der erste Schalter (5) und der zweite Schalter (7) als steuerbare Halbleiterbauelemente ausgeführt sind.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Strommesseinrichtung (8) als ohmscher Widerstand ausgeführt ist.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Strommesseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Ableitung der Spannung am Kondensator (4) auszuwerten.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein durch den Kondensator (4) und die Induktivität (1) gebildete Resonanzkreis eine Resonanzfrequenz hat, die höher ist als eine zur Übertragung vorgesehene Trägerfrequenz.
Treiberschaltung nach Anspruch 9, bei der die Resonanzfrequenz um 5 bis 30 Prozent höher ist als die zur Übertragung vorgesehene Trägerfrequenz.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein dritter steuerbarer Schalter (10) dem Kondensator (4) parallel geschaltet ist, welcher derart gesteuert wird, dass er den Kondensator (4) kurzschließt zum Deaktivieren der Treiberschaltung.
Verfahren zum Betreiben einer Induktivität (1), bei dem ein Kondensator (4) mittels eines Ladestromes auf eine Referenzspannung (Ur) aufgeladen wird und der aufgeladene Kondensator (4) über die Induktivität (1) schwingend entladen wird, wobei das Entladen beendet wird, wenn der Strom (Ia) durch die Induktivität (1) eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.
Verfahren nach Anspruch 12, bei der der Ladestrom des Kondensators (Ia) begrenzt oder eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der Nulldurchgänge des gemessenen Stromes (Ia) detektiert werden und nach einer Anzahl von zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen von zwei Nulldurchgängen die Entladung des Kondensators (4) beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem Lade-und Entlade-Zyklen des Kondensators (4) in Abhängigkeit von einem Modulationssignal (MOD) gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Phase-Shift-Keying-Modulation oder eine Amplitude-Shift-Keying-Modulation oder eine Frequency-Shift-Keying-Modulation durchgeführt wird auf Basis des Modulationssignals (MOD).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Ableitung der Spannung am Kondensator (4) zur Strommessung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der Kondensator (4) kurzschlossen wird zum Deaktivieren der Treiberschaltung.
Aktive Sendeeinrichtung mit einer induktiven Antenne (1), einem Kondensator (4), einer Referenzspannung (Ur), zwei Eingangspfaden, die zwischen Referenzspannung (Ur) und Kondensator (4) geschaltet sind, zwei Ausgangspfaden, die zwischen der induktiven Antenne (1) und den Kondensator (4) geschaltet sind, einem ersten steuerbaren Schalter (5), der in einen der beiden Eingangspfade geschaltet ist, einem zweiten steuerbaren Schalter (7), der in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist, einer Strommesseinrichtung (8), die in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, den durch die induktive Antenne (1) fließenden Strom (Ia) zu messen, und einer Schaltersteuereinrichtung (9), die der Strommesseinrichtung (8) nachgeschaltet ist, die den durch die induktive Antenne (1) fließenden Strom (Ia) auswertet und die dazu ausgebildet ist, zunächst bei geöffnetem zweiten Schalter (7) den ersten Schalter (5) zu schließen, um den Kondensator (4) mit der Referenzspannung (Ur) aufzuladen, und dann den ersten Schalter (5) zu öffnen und den zweiten Schalter (7) zu schließen, um den Kondensator (1) über die induktive Antenne (1) schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter (7) erst dann wieder geöffnet wird, wenn der Strom (Ia) durch die Antenne (1) eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.