DE102014222603B3

DE102014222603B3 - Treiberschaltung für eine Induktivität und aktive Sendeeinrichtung mit einer Treiberschaltung

Info

Publication number: DE102014222603B3
Application number: DE102014222603.1A
Authority: DE
Inventors: Herbert Froitzheim; Dieter Sass; Norbert van der Heyd
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: KR20160128377A; CN106663862A; US20170331179A1; US10109911B2; KR101869181B1; WO2016071312A1; JP6336120B2; JP2017519386A

Abstract

Treiberschaltung und aktive Sendeeinrichtung, bei denen eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (4) und einem zweiten Kondensator (12) mittels eines Ladestromes auf eine Referenzspannung aufgeladen wird und die aufgeladenen Kondensatoren über die Induktivität (1) schwingend entladen werden, wobei das Entladen beendet wird, wenn der Strom durch die Induktivität eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine Induktivität, insbesondere eine induktive Antenne, und eine aktive Sendeeinrichtung mit einer Treiberschaltung, insbesondere für ein schlüssellosen Fahrzeug-Zugangs- und Startsystem.
Schlüssellose Fahrzeug-Zugangs- und Startsysteme wie beispielsweise das Passive Start Entry (PASE) System sind automatische Systeme, um 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 20 kHz und 200 kHz) 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 ein 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 oft einen unbefriedigenden Kompromiss zwischen Datenrate, Aufwand und Energieverbrauch dar.
Es sind daher quasi-resonante Schwingkreistreiber bekannt, mit welchen eine hohe Güte (und somit eine geringe Stromaufnahme) bei gleichzeitig ausreichend hoher Datenrate erreicht werden kann. Diese Treiberschaltungen haben jedoch den Nachteil, dass sie die Funkzulassungsvorschriften nicht einhalten. Durch die Funkzulassungsvorschriften soll sichergestellt werden, dass andere Funkdienste wie z. B. Rundfunk (Radio und Fernsehen), mobile Funkdienste (Polizei und Sicherheitsdienste) oder mobile Telefone in ihrem Betrieb nicht beeinträchtigt werden. Ein weiterer Nachteil dieser quasi-resonanten Treiberschaltungen liegt darin, dass die Richtlinien der Automobilhersteller in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht eingehalten werden.
Aus dem Stand der Technik sind Treiberschaltungen bekannt, die in einer Spule eine Schwingung anregen.
So ist aus der Druckschrift DE 197 02 841 A1 eine Vorrichtung zur Defibrillation des Herzens durch Stromimpulse bekannt. Die beim Defibrillationsverfahren Anwendung findende Vorrichtung umfasst eine auf eine herznahe Stelle der Körperoberfläche aufsetzbare Stimulations-Magnetspule, die im Entladestromkreis eines an eine Gleichspannungsquelle anlegbaren Kondensators liegt. In diesem Entladestromkreis des Kondensators sind Thyristoren angeordnet, die von einer ihnen zugeordneten Steuereinheit aus über Stimulationsimpulse durchlässig schaltbar sind.
Die Druckschrift DE 10 2009 023 855 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer starker Strompulse in einer Spule, wobei die Spule magnetische Feldpulse mit einer Dauer von 20 bis 3000 Mikrosekunden und einer Stärke von 0,1 bis 5 Tesla erzeugt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion im Körpergewebe elektrische Reizströme zur Reizung von Nerven- und/oder Muskelzellen hervorrufen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Kondensator zur Speicherung und Abgabe der für die Feldpulse benötigten Energie und eine geeignete Ladeschaltung zum Aufladen dieses Kondensators enthält und dass die Spule so ausgeführt ist und wobei sie nahe genug am zu reizenden Körpergewebe positioniert werden kann, sodass das von der Spule erzeugte Magnetfeld innerhalb des vorgesehenen Zielgebietes höchstens auf ein Zehntel der Stärke an der Spulenoberfläche abfällt, und wobei die vom Magnetfeld der Spule hervorgerufenen elektrischen Reizströme mindestens bei einem Zehntel und maximal beim Fünffachen der für eine Reizung der Zellen benötigten Reizströme liegen.
Die Druckschrift US 6,229,494 B1 zeigt Systeme zur Strahlungserzeugung für effizienten Breitbandbetrieb mit einer Antenne, beispielsweise in Form einer Schleife, die klein bezüglich der Wellenlänge in Betrieb ist. Mittels derartiger Systeme werden Sende-/Empfangssysteme auf Jacke oder Kleidung ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezüglich verbesserte Treiberschaltung für eine Induktivität bereitzustellen. Weiterhin soll eine verbesserte aktive Sendeeinrichtung mit einem Schwingkreis bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Treiberschaltung für eine Induktivität gemäß Anspruch 1 beziehungsweise eine aktive Sendeeinrichtung gemäß Anspruch 13.
Die erfindungsgemäße Treiberschaltung für eine Induktivität umfasst zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, zwei Eingangspfade zum Zuführen einer Referenzspannung für die Reihenschaltung aus den Kondensatoren und zwei Ausgangspfade zum Anschließen der Induktivität an die Reihenschaltung aus den Kondensatoren. Weiterhin umfasst die Treiberschaltung einen ersten steuerbaren Schalter, der in einen der beiden Eingangspfade geschaltet ist, einen zweiten steuerbaren Schalter, der in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist, und einen dritten steuerbaren Schalter, der in den anderen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist. Ein Widerstand ist zwischen einen gemeinsamen Knoten der beiden Kondensatoren und die Induktivität geschaltet. 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 und dritten Schalter den ersten Schalter zu schließen, um die Reihenschaltung der Kondensatoren mit der Referenzspannung aufzuladen, und dann den ersten Schalter zu öffnen und den zweiten und dritten Schalter gleichzeitig zu schließen, um die Kondensatoren über die Induktivität schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter und der dritte Schalter gleichzeitig wieder geöffnet werden, 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 und eine geringere Störsignalabgabe. Zudem können mit der erfindungsgemäßen Treiberschaltung die Funkzulassungsvorschriften eingehalten werden.
Der erste Kondensator und der zweite Kondensator können jeweils dieselbe Kapazität aufweisen. Dadurch kann die Summe der Potentiale an den Anschlüssen der Induktivität während den Schaltvorgängen im Wesentlichen konstant gehalten werden, was die Abstrahlungen beim Schalten reduziert.
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 und den dritten 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, des zweiten Schalters und des dritten 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 der erste Schalter, der zweite Schalter und der dritte Schalter können als steuerbare Halbleiterbauelemente ausgeführt sein, 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 an der Reihenschaltung der Kondensatoren auszuwerten, falls eine Strommessung nicht erwünscht oder nicht praktikabel ist.
Vorzugsweise hat der durch Kondensatoren 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 vierter steuerbarer Schalter kann der Reihenschaltung der Kondensatoren parallel geschaltet sein, welcher derart gesteuert werden kann, dass er die Kondensatoren kurzschließt zum Deaktivieren der Treiberschaltung. Damit kann vorteilhafterweise im deaktivierten Zustand eine definierte Spannung an der Reihenschaltung der Kondensatoren wie zum Beispiel 0 V eingeprägt werden.
Die Aufgabe wird auch noch gelöst durch eine aktive Sendeeinrichtung mit einer induktiven Antenne, einem ersten Kondensator, einem zweiten Kondensator, der zu dem ersten Kondensator in Reihe geschaltet ist, und einer Referenzspannung. Außerdem umfasst sie zwei Eingangspfade, die zwischen die Referenzspannung und die Reihenschaltung der Kondensatoren geschaltet sind, und zwei Ausgangspfade, die zwischen die induktive Antenne und die Reihenschaltung der Kondensatoren geschaltet sind. Ein erster steuerbarer Schalter ist in einen der beiden Eingangspfade geschaltet, ein zweiter steuerbarer Schalter ist in einen der beiden Ausgangspfade geschaltet und ein dritter steuerbarer Schalter ist in den anderen der beiden Ausgangspfade geschaltet. Ein Widerstand ist zwischen einen gemeinsamen Knoten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators und die Induktivität 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 und dritten Schalter den ersten Schalter zu schließen, um die Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensator mit der Referenzspannung aufzuladen, und dann den ersten Schalter zu öffnen und den zweiten und den dritten Schalter gleichzeitig zu schließen, um die Kondensatoren über die induktive Antenne schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter und der dritte Schalter gleichzeitig wieder geöffnet werden, 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 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 der Antenne 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 Schaltbild eine beispielhafte Treiberschaltung für eine Induktivität bei einer Anwendung als aktive Sendeeinrichtung für LF-Signale,
6 in einem Diagramm den Verlauf der Spannung über der Antenne bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen in Bezug auf die Trägerfrequenz bei Verwendung der erfindungsgemäßen Treiberschaltung,
7 in einem Diagramm den zu dem Spannungsverlauf nach 6 korrespondierenden Verlauf der Summe der Spannungen an den Antennenanschlüssen und
8 in einem vergleichenden Diagramm die bei herkömmlichem Rechteckbetrieb und bei Verwendung der erfindungsgemäßen Treiberschaltung erzeugten Harmonischen.
1 zeigt eine 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. Die induktive Antenne 1 weist dabei einen ersten Antennenanschluss X1 und einen zweiten Antennenanschluss X2 auf. 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 kann.
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 Ausgangspfade 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 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 zu 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.
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 mit 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 während 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 Modulationssignal 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 den Verlauf der Spannung Ua über der Antenne 1 über der Zeit t bei zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen F1 und F2 an, wobei die Resonanzfrequenz F1 um 5% über einer gewünschten Trägerfrequenz liegt und die Resonanzfrequenz F2 um 20% 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 sich beispielsweise am Widerstand 8 darstellt. Wie zu erwarten war beträgt die Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Spannungen und Strömen ca. 90°.
Vor dem Einschalten der Antenne 1 in den oben beschriebenen quasi-resonanten Betrieb ist die Antenne 1 stromlos (Ia = 0 A). Der Antennenstrom Ia ändert sich somit nicht und die Antennenanschlüsse X1, X2 liegen beide auf demselben Potential (z. B. Massepotential). Die Antennenspannung Ua beträgt somit zunächst 0 V. Wird die Antenne 1 dann in den quasi-resonanten Betrieb geschaltet, ändert sich das Potential am zweiten Antennenanschluss X2 nicht, während sich das Potential am ersten Antennenanschluss X1 derart ändert, dass die Antennenspannung Ua gleich der Spannung Uc am Kondensator 4 wird (Ua = Uc). Umladungen parasitärer Kapazitäten fallen hierbei nicht ins Gewicht. Durch Verluste im weiteren Betrieb der Antenne 1 wird die maximale Spannung Ua reduziert, so dass kurz vor dem Abschalten die Antennenspannung Ua etwas unterhalb der Spannung Uc liegt. Nach dem Abschalten des quasi-resonanten Betriebes geht die Antennenspannung Ua schlagartig auf 0 V zurück, da der Antennenstrom Ia wieder auf 0 A zurückgeht und sich nicht mehr ändert.
Während sich das Potential am ersten Antennenanschluss X1 beim Ein- und Ausschalten des quasi-resonanten Betriebs verändert, bleibt das Potential am zweiten Antennenanschluss X2 stets gleich. Die Antennenspannung Ua weist somit beim Ein- und Ausschalten des quasi-resonanten Betriebes jeweils einen Spannungssprung auf, wie in 3 zu sehen. Diese Spannungssprünge führen zu unerwünscht hohen Abstrahlungen in der Antenne 1 sowie in den Antennenanschlüssen X1, X2 und den Antennenleitungen.
Mittels einer Treiberschaltung gemäß 5 können diese Abstrahlungen reduziert werden. Die Treiberschaltung basiert dabei auf der in 1 dargestellten Treiberschaltung. Jedoch ist dem ersten Kondensator 4 ein zweiter Kondensator 12 in Reihe geschaltet. Weisen der erste Kondensator 4 und der zweite Kondensator 12 jeweils die gleiche Kapazität auf, liegt über jedem Kondensator 4, 12 eine Spannung Uc/2 an.
Ein ohmscher Widerstand 13 ist zwischen den zweiten Antennenanschluss X2 und einen gemeinsamen Knoten des ersten und des zweiten Kondensators 4, 12 geschaltet. Weiterhin ist ein vierter steuerbarer Schalter 14 zwischen den zweiten Antennenanschluss X2 und den Widerstand 8 geschaltet. Der vierte steuerbare Schalter 14 kann mittels eines von der Schaltsteuereinrichtung 9 bereitgestellten Steuersignals S4 geöffnet oder geschlossen werden. Das Steuersignal S4 entspricht dabei im Wesentlichen dem Steuersignal S2. Das heißt, der vierte steuerbare Schalter 14 wird im Wesentlichen gleichzeitig mit dem zweiten steuerbaren Schalter 7 geöffnet oder geschlossen. Kleinere Abweichungen zwischen den beiden Steuersignalen S2, S4 sind jedoch möglich.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden als steuerbare Schalter 5, 7, 10 und 14 Feldeffekttransistoren, insbesondere MOS-Feldeffekttransistoren (MOS ist die Abkürzung für den Begriff ”Metall Oxide Semiconductor”) verwendet, wobei der steuerbare Schalter 5 ein MOS-Feldeffekttransistor vom p-Kanal-Typ ist, während die steuerbaren Schalter 7, 10 und 14 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.
Sind der zweite Schalter 7 und der vierte Schalter 14 geschlossen, verläuft die quasi-resonante Schwingung wie oben in Bezug auf 2 beschrieben. Es liegt somit vor dem Ausschalten der Antenne 1 eine Spannung Ua an der Antenne 1 an, welche aufgrund von Verlusten etwas unterhalb der Spannung Uc über den Kondensatoren 4, 12 liegt. Wie oben bereits dargestellt, wird die Antenne 1 nach dem Ausschalten wieder stromlos (Ia = 0 A). Da nach dem Ausschalten der Antenne 1 der zweite Schalter 7 und der vierte Schalter 14 geöffnet sind, ändert sich aufgrund des Widerstands 13 das Potential am ersten Antennenanschluss X1 von Uc auf Uc/2. Weiterhin ändert sich auch das Potential am zweiten Antennenanschluss X2 von Massepotential auf Uc/2. Der Verlauf der resultierenden Antennenspannung Ua über der Zeit ist in 6 gezeigt.
Die Summe Ux der Potentiale an den Antennenanschlüssen X1, X2 ändert sich somit während der Schaltvorgänge in der Treiberschaltung nicht wesentlich. Geringe Änderungen können sich beispielsweise durch einen geringen Versatz der Ansteuersignale S2, S4 ergeben, welcher häufig unvermeidbar ist. Der Verlauf der Summe Ux der Potentiale über der Zeit ist in 7 dargestellt. Da sich die Summe der Potentiale an den Antennenanschlüssen X1, X2 während der Schaltvorgänge nicht (wesentlich) ändert, reduziert sich die durch die Schaltvorgänge verursachte Abstrahlung weitgehend auf Null.
In 8 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.
Vorteile der erfindungsgemäßen Treiberschaltung sowie der erfindungsgemäßen aktiven Sendeeinrichtung sind, dass die EMV-Emissionen vergleichsweise sehr gering sind, und dass die Funkzulassungsvorschriften eingehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: induktive Antenne
2: induktiver Anteil
3: ohmscher Anteil
4: erster Kondensator
5: steuerbarer Schalter
6: ohmscher Widerstand
7: steuerbarer Schalter
8: Strommesseinrichtung
9: Schaltsteuereinrichtung
10: steuerbarer Schalter
11: Diode
12: zweiter Kondensator
13: ohmscher Widerstand
14: steuerbarer Schalter
Ur: Referenzspannung
Uc: Spannung über den Kondensatoren
Ua: Antennenspannung
Ux: Summe der Potentiale an den Antennenanschlüssen
Ia: Antennenstrom
X1: erster Antennenanschluss
X2: zweiter Antennenanschluss
S1: Steuersignal
S2: Steuersignal
S3: Steuersignal
S4: Steuersignal
MOD: Modulationssignal
F1: erste Resonanzfrequenz
F2: zweite Resonanzfrequenz

Claims

Treiberschaltung für eine Induktivität (1) mit einem ersten Kondensator (4) und einem zu dem ersten Kondensator (4) in Reihe geschalteten zweiten Kondensator (12), zwei Eingangspfaden zum Zuführen einer Referenzspannung (Ur) für die Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12), zwei Ausgangspfaden zum Anschließen der Induktivität (1) an die Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12), 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, einem dritten steuerbaren Schalter (14), der in den anderen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist, einem Widerstand (13), der zwischen einen gemeinsamen Knoten des ersten Kondensators (4) und des zweiten Kondensators (12) und die Induktivität (1) 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) und geöffnetem dritten Schalter (14) den ersten Schalter (5) zu schließen, um den ersten Kondensator (4) und den zweiten Kondensator (12) aufzuladen, so dass über der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12) eine Spannung (Uc) anliegt, die der Referenzspannung (Ur) entspricht, und dann den ersten Schalter (5) zu öffnen und den zweiten Schalter (7) und den dritten Schalter (14) gleichzeitig zu schließen, um den ersten Kondensator (4) und den zweiten Kondensator (12) über die Induktivität (1) schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter (7) und der dritte Schalter (14) wieder gleichzeitig geöffnet werden, wenn der Strom (Ia) durch die Induktivität (1) eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der der erste Kondensator (4) und der zweite Kondensator (12) dieselbe Kapazität aufweisen.
Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, 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 ausgebildet 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) und den dritten Schalter (14) gleichzeitig 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), des zweiten Schalters (7) und des dritten Schalters (14) 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), der zweite Schalter (7) und der dritte Schalter (14) 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 7, bei der die Strommesseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Ableitung der Spannung (Uc) an der Reihenschaltung des ersten Kondensators (4) und des zweiten Kondensators (12) auszuwerten.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein durch die Reihenschaltung des ersten Kondensators (4) und des zweiten Kondensators (12) und die Induktivität (1) gebildete Resonanzkreis eine Resonanzfrequenz hat, die höher ist als eine zur Übertragung vorgesehene Trägerfrequenz.
Treiberschaltung nach Anspruch 10, 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 vierter steuerbarer Schalter (10) der Reihenschaltung mit dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12) parallel geschaltet ist, welcher derart gesteuert wird, dass er den ersten Kondensator (4) und den zweiten Kondensator (12) kurzschließt zum Deaktivieren der Treiberschaltung.
Aktive Sendeeinrichtung insbesondere für ein schlüsselloses Fahrzeug-Zugangs- und Startsystem mit einer induktiven Antenne (1), einem ersten Kondensator (4) und einem zu dem ersten Kondensator (4) in Reihe geschalteten zweiten Kondensator (12), einer Referenzspannung (Ur), zwei Eingangspfaden, die zwischen die Referenzspannung (Ur) und die Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12) geschaltet sind, zwei Ausgangspfaden, die zwischen der induktiven Antenne (1) und der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12) 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, einem dritten steuerbaren Schalter (14), der in den anderen der beiden Ausgangspfade geschaltet ist, einem Widerstand (13), der zwischen einen gemeinsamen Knoten des ersten Kondensators (4) und des zweiten Kondensators (12) und die Induktivität (1) 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) und geöffnetem dritten Schalter (14) den ersten Schalter (5) zu schließen, um die Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (4) und dem zweiten Kondensator (12) auf eine Spannung (Uc) aufzuladen, die der Referenzspannung (Ur) entspricht, und dann den ersten Schalter (5) zu öffnen und den zweiten Schalter (7) und den dritten Schalter (14) gleichzeitig zu schließen, um die Kondensatoren (4, 12) über die induktive Antenne (1) schwingend zu entladen, wobei der zweite Schalter (7) und der dritte Schalter (14) gleichzeitig wieder geöffnet werden, wenn der Strom (Ia) durch die Antenne (1) eine ganze Schwingungsperiode oder ein Vielfaches davon durchlaufen hat.