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Hintergrund
der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf aktive Antennensysteme für
Radioempfänger
und insbesondere auf eine Leistungsschnittstelle für eine aktive
Antenne, die Fehlerdiagnostik und Fehlerschutz enthält.
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Oftmals werden für Radioempfänger zur Verstärkung eines
von einer externen Antenne (d. h. einer nicht im Empfänger integrierten
Antenne) kommenden Antennensignals stromgespeiste Antennensysteme
verwendet. Ein stromgespeister Verstärker ist entfernt vom Antennenelement
angeordnet, und das verstärkte
Antennensignal wird über
eine Antennenzuführung,
wie z. B. ein Koaxialkabel, in den Empfänger eingekoppelt. Die Verstärkung des
Antennensignals verhindert übermäßige Signalschwächung und
-verluste, die während
der Übertragung von
der Antenne zum Empfänger
auftreten würden.
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In einem mobilen Empfängersystem,
wie z. B. einem Kraftfahrzeugradioempfänger, könnte eine unabhängige Energieversorgung
mit einer Hauptenergieeinspeisung am Antennenstandort unerwünscht sein.
Deshalb könnte
eine geregelte Energieversorgung innerhalb des Hauptradioempfängermoduls
(z. B. einer Kopfeinheit) eine Gleichspannung bereitstellen, die
einem Verstärker
in einem entfernten Antennenmodul zugeführt wird. Zur Vermeidung zusätzlicher
Leitungen zwischen dem Empfänger
und dem Antennenmodul könnte
der Gleichstrom direkt an die Antennenzuführung selbst angelegt werden.
Zur Trennung der Gleichspannung von den Hochfrequenz-(HF-)Antennensignalen
werden an beiden Enden der Antennenzuführung typischerweise Hochpass-
und Tiefpassfilter verwendet.
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Für
eine Kraftfahrzeuganwendung, für
die eine aktive Antenne besonders vorteilhaft ist, ist ein Satellitenradioempfänger vorgesehen,
wie z. B. für den
Satellit-Digitalaudioradioservice
(S-DARS). Ein kleines S-Band-Antennenmodul ist typischerweise am
Fahrzeugäußeren, wie
z. B. einer Dachbeplankung oder einer Fensterverglasung, montiert.
Ein zwischen dem S-DARS-Empfänger
und dem Antennennmodul installierter Draht oder installiertes Kabel verläuft durch
verschiedene Karosseriekanäle
und -hohlräume,
die unterschiedliche Krümmungen
aufweisen. Wenn die Antennensignalleitung in einem zu spitzen Winkel
abgebogen wird, könnte
ein Bruch auftreten. Einige Karosserieteile könnten nach Unterbringung des
Antennenkabels montiert werden, und bei dieser Montage könnte das
Kabel versehentlich gequetscht oder anderweitig beschädigt werden,
was entweder zu einer offenen Schaltung (z. B. ein Bruch in der
Signalleitung) oder einem Kurzschluss zwischen Signalleitung und
Karosserie oder zwischen Signalleitung und Erdungsleitung (z. B.
dem Schirmleiter oder einem Koaxialkabel) führen kann.
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Beim Auftreten eines Fehlers im Antennenanschluss
sind die automatische Erfassung des Fehlers durch den Empfänger und
ein Verfahren zur Meldung der Fehlerart an einen Servicetechniker
zur Erleichterung der Fehlerreparatur wünschenswert. Im Falle eines
Kurzschlusses besteht die Möglichkeit der
Schädigung
des Radioempfängers.
Deshalb sind sowohl die Fehlererfassung als auch die Fähigkeit zur
Durchführung
einer Schutzmaßnahme
erwünscht.
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Zur Verbesserung des Preis-Leistungs-Verhältnisses
werden für
Radioempfänger
die kleinstmöglichen
elektronischen Komponenten verwendet. In einem Satellitenradioempfänger könnte z.
B. die HF-Abstimmschaltung in ihren Ausmaßen derart miniaturisiert sein,
dass angeschlossene Geräte
und selbst Bauelemente für
die Oberflächenmontage (SMDs),
die größer als
ein 0805-Package-Style sind, nicht verwendet werden können. Für kleiner
bemessene Komponenten besteht jedoch eine höhere Wahrscheinlichkeit der
Zerstörung
während
eines Kurzschlusses. Deshalb ist erwünscht, dass die Schaltung zur
Kopplung eines Gleichstromeingangs und Erfassung von Fehlerzuständen mithilfe
von SMD-Komponenten
dieser geringeren Größe implementiert
werden, wobei sicherzustellen ist, dass die Komponenten einen Kurzschluss überstehen
(z. B. bis der Kurzschlussfehler erfasst ist und Schutzmaßnahmen
ergriffen worden sind).
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Vorteil der Erfindung besteht
in der Bereitstellung von Energie an eine aktive Antenne trotz Erfassung
von sowohl Offenschaltungsfehlern als auch Kurzschlussfehlern. Es
werden bei Aufrechterhaltung der Überlebensfähigkeit der Komponenten bei
einem Kurzschluss geringe Komponentengrößen verwendet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
koppelt eine Energieschnittstellenschaltung einer aktiven Antenne
eine Versorgungsspannung von einem Radioempfänger an eine Antennenzuführung an.
Die Schaltung umfasst einen Gleichstromeingang und ein zwischen
dem Gleichstromeingang und der Antennenzuführung in Reihe geschaltetes
Leistungsschaltelement. Das Leistungsschaltelement besitzt einen
Steuereingang zur Auswahl eines leitenden Zustands oder eines nichtleitenden
Zustands des Leistungsschaltelements. Ein Oberspan nungssensor erfasst
eine zu einer Spannung am Gleichstromeingang proportionale erste
Spannung. Ein Unterspannungssensor erfasst eine zu einer Spannung
an der Antennenzuführung
proportionale zweite Spannung. Eine Steuerung ist an den Steuereingang
und an die Spannungssensoren gekoppelt. Die Steuerung versetzt das
Leistungsschaltelement in den leitenden Zustand, tastet die erste
und zweite Spannung ab, berechnet in Reaktion auf die erste und
zweite Spannung eine Spannungsdifferenz und vergleicht die Spannungsdifferenz
mit einem oberen und einem unteren Grenzwert. Falls die Spannungsdifferenz
größer als
der obere Grenzwert ist, signalisiert die Steuerung einen Kurzschlussfehler.
Wenn die Spannungsdifferenz kleiner als der untere Grenzwert ist, signalisiert
die Steuerung einen Offenschaltungsfehler.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockschaubild, das einen Radioempfänger und ein aktives Antennensystem
entsprechend einer Vorzugsausgestaltung der Erfindung darstellt.
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2 ist
ein schematisches Blockschaubild, das eine Vorzugsausgestaltung
einer Schnittstellenschaltung detaillierter zeigt.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung der Vorzugsausgestaltungen
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In 1 ist
ein Audioempfänger 10 durch eine
Antennenzuführung
oder ein Antennenkabel 12 an ein entfernt befindliches
Antennenmodul 11 angeschlossen. In der Vorzugsausgestaltung
ist das Antennenkabel 12 zwar ein Koaxialkabel mit einer
Signalleitung 13, die von einer geerdeten Schirmleitung 14 koaxial
umgeben ist, jedoch können
auch andere Arten von Übertragungsleitungen
verwendet werden, die sowohl Antennensignale als auch eine Versorgungsspannung
durchleiten oder mit einer separaten Stromleitung verwendet werden.
Obwohl die Vorzugsausgestaltung ein Kraftfahrzeugaudiosystem einschließen könnte, in
dem ein an ein an der Karosserie montiertes Antennenmodul gekoppelter S-DARS-Empfänger integriert
ist, könnten
andere Arten von drahtlosen HF-Empfängern und Antennen mit der
Erfindung verwendet werden.
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Der Radioempfänger 10 enthält eine
HF-Abstimmeinheit 20, die über ein Hochpassfilter (HPF) 21 HF-Antennensignale
von einer Antennensignalleitung 13 empfängt. Demodulierte Signale von
der Abstimmeinheit 20 werden der (nicht dargestellten)
Audiover arbeitungsschaltung, wie z. B. einem Digital- oder Analogsignalprozessor,
bereitgestellt. Eine Steuerung 22 ist an die Abstimmeinheit 20 und
an einen Gleichstromregler 23 angeschlossen. Die Steuerung 22 koordiniert
den Betrieb des Empfängers 10 und
könnte
vorzugsweise aus einer programmierbaren Mikrosteuerung bestehen.
Der Regler 23 wird durch die Steuerung 22 selektiv
aktiviert, wenn die Radioempfangsfunktion aktiv ist und ein Gleichstrom an
das Antennenmodul 11 angelegt werden soll. Eine Gleichspannung
vom Regler 23 ist über
eine Schnittstellenschaltung 24 (die ein Tiefpassfilter
und weitere nachfolgend beschriebene Funktionen umfasst) an die
Signalleitung 13 gekoppelt. Die Steuerung 22 ist zwecks
selektiver Kopplung der Gleichspannung ebenfalls an die Schnittstellenschaltung 24 gekoppelt,
wie nachfolgend in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben wird.
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Das Antennenmodul 11 enthält ein zum Empfang
von HF-Signalen im Empfangsband des Empfängersystems ausgelegtes Antennenelement 30.
In einem S-DARS-Empfängersystem
könnte
das Antennenelement 30 zum Beispiel eine durch ein Koaxialkabel
gespeiste S-Band-Schaltantenne umfassen. Ein HF-Frequenzantennensignal
von Element 30 wird durch einen HF-Verstärker 31 verstärkt, der die
Antennensignalleitung 13 durch ein Hochpassfilter 26 ansteuert.
Eine Gleichstrombehandlungseinrichtung 32 konditioniert
den Gleichstrom von der Signalleitung 13 über ein
Tiefpassfilter 25 und legt sie an den Energieeingangsanschluss
des Verstärkers 31 an.
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Die Schnittstellenschaltung 24 ist
in 2 detaillierter dargestellt.
Ein Reihenleistungsschalttransistor 40 ist zwischen einem
Gleichstromeingangsanschluss 34 und einem Antennenzuführungsanschluss 35 zur
selektiven Kopplung von Gleichstrom an die Antennenzuführung unter
Kontrolle eines Transistors 41 gekoppelt, der in Reaktion
auf ein Antennenfreigabesignal von der Mikrosteuerung den leitenden
oder nichtleitenden Zustand des Transistors 40 festlegt.
Durch Erfassung eines Spannungsabfalls quer über die Leistungsschaltung
erfasst die Erfindung das Auftreten von Offenschaltungs- und Kurzschlussfehlern.
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Bei ausführlicherer Betrachtung der
Schaltung ist zu erkennen, dass eine Diode 42 an eine Seite
einer Strombegrenzungseinrichtung 43 angeschlossen ist,
deren andere Seite mit dem Emitteranschluss des Transistors 40 verbunden
ist. Ein erster Vorspannungswiderstand 44 ist zwischen
der Diode 42 und dem Basisanschluss des Transistors 40 geschaltet.
Ein zweiter Vorspannungswiderstand 45 koppelt den Basisanschluss
des Transistors 40 an den Kollektoranschluss des Transistors 41.
Der Emitteranschluss des Transistors 41 ist geerdet, und
der Basisanschluss des Transistors 41 empfängt das
Antennenfreigabesignal, das ein positives Logiksignal mit einem
hohen Spannungspegel ist, wenn Energie an das Antennenmo dul gekoppelt
werden soll. Der Transistor 41 ist ein npn-Bipolartransistor
mit internen Vorspannungswiderständen
auf seinem Chip. Bei hohem Antennenfreigabesignal schaltet der Transistor 41 ein,
so dass Strom vom Gleichstromeingangsanschluss 34 durch
die Diode 42 und die Vorspannungswiderstände 44 und 45 fließt, wodurch
an der Verbindungsstelle der Vorspannungswiderstände 44 und 45 eine
festgelegte Spannung erzeugt wird.
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Die Strombegrenzungseinrichtung 43 enthält ein Paar
paralleler Widerstände 60 und 61,
die zwischen der Diode 42 und dem Emitteranschluss des Transistors 40 gekoppelt
ist. Der Transistor 40 ist als pnp-Bipolartransistor dargestellt.
Vor dem Anschalten empfängt
sein Emitteranschluss eine Spannung, die gleich einer um den Spannungsabfall
einer Diode reduzierten Eingangsgleichspannung ist. Eine an der Verbindungsstelle
der Vorspannungswiderstände 44 und 45 erzeugte
Spannung wird an den Basisanschluss des Transistors 40 angelegt.
Bei einer negativen Basis-Emitter-Spannung VBE wechselt der Transistor 40 in
seinen leitenden Zustand. Der Wirkwiderstand der Widerstände 60 und 61 ist
wesentlich kleiner als der Widerstand des Vorspannungswiderstands 44,
so dass selbst, nachdem Strom durch den Transistor 40 fließt, die
VBE in einem Bereich zum Halten des Transistors 40 in einem
leitenden Zustand verharrt. Jeder der Widerstände 60 und 61 könnte zum
Beispiel einen Widerstandswert von etwa 4 Ω haben (was einen Wirkwiderstand
von etwa 2 Ω bewirkt),
der Widerstand 44 einen Wert von etwa 10 KΩ und der
Widerstand 45 einen Wert von etwa 620 KΩ haben. In dieser Vorzugsausgestaltung
werden die parallelen Widerstände 60 und 61 anstelle
eines einzelnen Widerstands verwendet, um den Gesamtenergieverbrauch
in jedem einzelnen Transistor zu senken, so dass Widerstandskomponenten
mit einer geringeren Packungsgröße verwendet
werden können (größer dimensionierte
SMD-Widerstände
neigen zu größeren Zuverlässigkeitsproblemen).
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Die (um den Spannungsabfall der Diode 42, den
Spannungsabfall der Widerstände 60 und 61 sowie
den Spannungsabfall über
den Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors 40 abgenommene) Versorgungsgleichspannung
wird durch ein Tiefpassfilter 46 an die Antennenzuführung 35 gekoppelt.
Das Tiefpassfilter 46 enthält einen Längsinduktor 63 und einen
parallelen Kondensator 64. Die von der Antennenzuführung zurückkehrenden
HF-Signale werden zwar am Zugang zu den Gleichstromschaltungen gehindert,
jedoch an den HF-Eingangsanschluss 37 frei übertragen.
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Die Strombegrenzungseinrichtung 43 enthält außerdem einen
pnp-Transistor 62, dessen Emitteranschluss an die Oberspannungsseite
des Widerstands 44 und dessen Kollektoranschluss an den
Basisanschluss des Transistors 40 gekoppelt sind. Der Basisanschluss des
Transistors 62 ist an die Verbindungsstelle zwischen den
Widerständen 60 und 61 und
dem Emitteranschluss des Transistors 40 gekoppelt. Wenn
die Höhe
des durch die Widerstände 60 und 61 fließenden Stroms
steigt, steigt ihr Spannungsabfall (der gleich der VBE des Transistors 62 ist)
ebenfalls. Die Widerstände 60 und 61 wirken
als ein Stromsensor für
die Strombegrenzungseinrichtung. Wenn der Transistor 62 aktiviert
ist, wirkt er zwecks Erhöhung
der Spannung am Basisanschluss des Transistors 40 parallel
zum Widerstand 44, wodurch sich die VBE des Transistors 40 verringert. Wenn
der Transistor 62 mit immer höheren Spannungen über die
stromerfassenden Widerstände
angesteuert wird, verringert er proportional den leitenden Zustand
des Transistors 40, wodurch der Stromfluss begrenzt wird,
um eine Vermeidung von Schädigungen
aller Komponenten durch Überstrom
zu unterstützen.
Durch Begrenzung des Stroms kann der Transistor 40 mit
einem kleineren, kostengünstigeren Gerät implementiert
werden, wobei dennoch abgesichert ist, dass er jeden auftretenden
Kurzschluss überstehen
kann. Mit den zuvor angegebenen Widerstandswerten ist der Strom
auf weniger als etwa 400 mA begrenzt.
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Ein Oberspannungssensor 50 und
ein Unterspannungssensor 51 werden zum Festlegen eines Gesamtspannungsabfalls über dem
Schaltkreis verwendet, um Offenschaltungs- und Kurzschlussfehler zu
erfassen. Ein genügend
großer
Spannungsabfall könnte
durch den Transistor 40 allein oder in Kombination mit
dem Widerstand der Widerstände 60 und 61 oder
mit dem Spannungsabfall der Diode 42 erreicht werden. Damit
kann die Fehlererfassung ohne Verwendung einer Strombegrenzungseinrichtung oder
ihres entsprechenden Widerstands bewirkt werden. Die Diode 42 kann
zur Bereitstellung eines konstanten Spannungsabfalls ungeachtet
des Arbeitsstroms und als Unterstützung der Absicherung, dass eine
Maximalspannung für
die aktive Antenne nicht überschritten
wird, verwendet werden. Die an einer beliebigen Stelle zwischen
den Sensoren 50 und 51 in Reihe geschaltete Diode 42 vergrößert den
erfassten Spannungsabfall zwecks Erhöhung der Feinheit der Erfassung.
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Der Oberspannungssensor 50 enthält die zwischen
dem Gleichstromeingangsanschluss 34 und der Erdung in Reihe
geschalteten Widerstände 52 und 53.
Die Verbindungsstelle der Widerstände 52 und 53 ist
außerdem
durch einen Kondensator 54 an die Erdung gekoppelt. Eine
zur Eingangsgleichspannung proportionale Spannung V1 wird
durch einen Analog/Digital-(A/D-)Wandler 55 digitalisiert,
der in der Mikrosteuerung enthalten sein könnte. Bei Verwendung eines
separaten A/D-Wandlers wird das digitale Ergebnis der Mikrosteuerung
bereitgestellt. Der Kondensator 54 stellt einen Mittlungseffekt
zur Reduzierung der Übergangsvorgänge bereit
und könnte
durch Mikrosteuerung oder durch den A/D-Wandler zur Ladungsspeicherung benötigt werden.
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Der Unterspannungssensor 51 enthält die zwischen
dem Eingang des Tiefpassfilters 46 und der Erdung in Reihe
geschalteten Widerstände 55 und 57.
Die Verbindungsstelle der Widerstände 55 und 57 ist
außerdem
durch einen Kondensator 58 an die Erdung gekoppelt. Eine
zur Schaltkreisausgangspannung proportionale Spannung V2 wird
durch einen Analog/Digital-(A/D-)Wandler 59 digitalisiert,
der in der Mikrosteuerung enthalten sein könnte. In den Sensoren 50 und 51 könnten ähnliche
Komponenten identische Komponenten zur Bereitstellung desselben
Spannungsverringerungsverhältnisses
umfassen, um die mathematischen Berechnungen innerhalb der Mikrosteuerung
zwecks Erfassung von Anomalien in der Differenz zwischen den erfassten
Spannungen zu vereinfachen.
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Die auf der erfassten Ober- und Unterspannung
basierende Fehlererfassung könnte
ein bevorzugtes Verfahren verwenden, wie es in 3 gezeigt wird. Nach Initialisierung
in Schritt 70 prüft
die Mikrosteuerung in Schritt 71, ob der Empfänger aktiv ist. Wenn nicht,
wird in Schritt 72 der Antennenstrom abgeschaltet oder bleibt abgeschaltet.
Wenn der Radioempfänger
eingeschaltet ist, wird in Schritt 73 der Antennenstrom angeschaltet,
indem das von der Mikrosteuerung kommende Antennenfreigabesignal auf
seinen hohen Logikpegel getrieben wird. In Schritt 74 werden durch
den A/D-Wandler die Spannungen V1 und V2 abgetastet. Zur weiteren Verringerung der Übergangseffekte
könnten
aufeinander folgende Spannungsmesswerte (z. B. 4 aufeinander folgende
Abtastwerte) gemittelt werden. Diese beweglichen Mittelwerte werden
in Schritt 75 aktualisiert. Die in den Mittelwerten enthaltenen
Werte von Abtastgeschwindigkeit und Anzahl der Abtastungen wird
vorzugsweise entsprechend einer Zeitdauer festgelegt, während der
der Hauptschalttransistor eine während eines
Kurzschlusszustands verursachte Wärme sicher ableiten kann.
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In Schritt 76 wird eine Differenz
D zwischen den beweglichen Mittelwerten von V1 und
V2 berechnet. Die Differenz D repräsentiert
einen zum Arbeitsstrom proportionalen Gesamtspannungsabfall über dem
Schaltkreis. Bei zu hohem Arbeitsstrom wird ein Kurzschluss erfasst.
Bei zu geringem Arbeitsstrom wird keine Energie durch den Antennenverstärker verbraucht
und deshalb eine offene Schaltung erfasst. Diese Zustände werden
durch Vergleich der Differenz D mit einem oberen Grenzwert Go und einem unteren Grenzwert Gu erfasst,
die beide zum Beispiel in einer Verweistabelle gespeichert sein könnten.
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In Schritt 77 erfolgt eine Prüfung, um
festzustellen, ob die Differenz D kleiner als der untere Grenzwert
Gu ist. Wenn ja, wird in Schritt 78 ein
Offenschaltungsfehler signali siert. Das Signalisieren eines Fehlers
umfasst vorzugsweise einen Diagnosekode im Speicher des Empfängers, so
dass der Diagnosekode durch einen Servicetechniker abgerufen werden
kann, der den Fehler isolieren und reparieren kann. Nach der Signalisierung
des Fehlers wird in Schritt 80 eine festgelegte Abtastverzögerung (z.
B. 4 ms) ausgeführt
und anschließend
auf Schritt 74 zurückgekehrt,
um die nächsten
Abtastwerte zu erhalten. Der Antennenstrom bleibt während eines
Offenschaltungsfehlers vorzugsweise angeschaltet, so dass er verfügbar ist,
wenn der Fehler behoben ist.
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Falls in Schritt 77 festgestellt
wird, dass kein Offenschaltungsfehler vorliegt, wird in Schritt
81 geprüft,
ob die Differenz D größer als
der obere Grenzwert Go ist. Wenn nicht,
wird das normale Abtasten über
Schritt 80 fortgesetzt. Andernfalls wird in Schritt 82 ein Kurzschlussfehler
signalisiert. Zur Vermeidung thermischer Schäden am Hauptschalttransistor
während
eines Kurzschlusses wird in Schritt 83 der Antennenstrom abgeschaltet
(z. B. wird das Antennenfreigabesignal zum Entfernen der Anschaltvorspannung
vom Hauptschalttransistor auf einen niedrigen Logikpegel getrieben).
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Zur Wiederaufnahme des Antennenbetriebs unmittelbar
nach Behebung des Kurzschlussfehlers könnten periodische Tests durchgeführt werden. Nach
einer in Schritt 84 festgelegten Verzögerung (z. B. 128 ms) wird
auf Schritt 73 zurückgekehrt,
um erneut den Antennenstrom anzuschalten und wiederum die resultierenden
Spannungen abzutasten. Falls der Kurzschlusszustand weiterhin existiert,
wird der An- und Abschaltzyklus des Antennenstroms solange fortgesetzt,
bis der Fehler behoben ist oder die Freigabe der Antenne nicht länger erforderlich
ist.