DE112011101041T5

DE112011101041T5 - Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination

Info

Publication number: DE112011101041T5
Application number: DE112011101041T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch; Aloyse Schoos
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: DE112011101041B4; EP2368772A1; WO2011117237A1; US20130015863A1; US9006618B2

Abstract

Eine Sitzheizung und ein kapazitiver Belegungssensor in Kombination umfassen ein zwischen einem ersten (21) und einem zweiten (22) Knoten angeschlossenes Heizelement (10) und ein kapazitives Erfassungsnetz, das an das Heizelement angeschlossen ist, um daran eine oszillierende Spannung anzulegen und die kapazitive Last des Heizelements herzuleiten. Eine Gleichtaktdrossel (16) verbindet den ersten und zweiten Knoten mit einem dritten (23) bzw. vierten (24) Knoten. Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst einen Oszillator (28), der mit dem dritten und/oder vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist, um die oszillierende Spannung in diesen Knoten zu speisen, und einen Transimpedanzverstärker (32), welcher einen ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als Referenzspannung und einen mit dem Heizelement wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist. Der Transimpedanzverstärker erhält durch Speisen eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung an seinem zweiten Eingang aufrecht. Ein Ausgangssignal (44) gibt die Wechselstromkomponente des in den zweiten Eingang gespeisten Stroms an.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein kapazitives Insassenerkennungssystem, beispielsweise zur Erkennung der Ab- oder Anwesenheit eines auf einem Fahrzeugsitz sitzenden Insassen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Sitzheizung und ein kapazitives Belegungserfassungssystem in Kombination.
Hintergrund der Erfindung
Ein kapazitiver Sensor, der von Einigen als „E-Feld-Sensor” oder „Näherungssensor” bezeichnet wird, bedeutet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss dessen anspricht, was bei einem elektrischen Feld erfasst wird (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Gegenstand usw.). Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an welche bei eingeschaltetem Sensor ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und welche danach ein elektrisches Feld in einem der Antennenelektrode nahen räumlichen Bereich aufbaut. Der Sensor umfasst mindestens eine Erfassungselektrode, an welcher der Einfluss eines Gegenstands oder Lebewesens auf das elektrische Feld erfasst wird. Bei einigen kapazitiven Belegungssensoren (mit dem so genannten „Lademodus”; im Engl. „loading mode”) dienen die eine oder mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Erfassungselektroden. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom, der in die eine oder mehreren Antennenelektroden als Reaktion auf eine an sie angelegte oszillierende Spannung fließt. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz der einen oder mehreren Antennenelektroden. Bei einer alternativen Version kapazitiver Sensoren (kapazitive Sensoren mit „Kopplungsmodus”; im Engl. „coupling mode”) sind die sendende(n) Antennenelektrode(n) und die Erfassungselektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der bzw. die in der Erfassungselektrode induziert wird, wenn die sendende Antennenelektrode in Betrieb ist.
Die verschiedenen kapazitiven Erfassungsmechanismen werden in der technischen Abhandlung mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces" von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60, veröffentlicht wurde. Die Abhandlung beschreibt das Konzept der Erfassung eines elektrischen Feldes, wobei das Konzept verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen durchzuführen und um insbesondere die Position einer menschlichen Hand mit dem Zweck zu erfassen, einem Computer dreidimensionale Eingaben der Position bereitzustellen. Der Autor unterscheidet bei dem allgemeinen Konzept der kapazitiven Erfassung zwischen einzelnen Mechanismen, die er als „loading mode” (Lademodus), „shunt mode” (Nebenschlussmodus) und „transmit mode” (Sendemodus) bezeichnet, welche verschiedenen möglichen Wegen des elektrischen Stroms entsprechen. Im „Lademodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das zu erfassende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Nebenschlussmodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld zu einer Empfangselektrode aufbaut, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den Körper, der gerade erfasst wird, modifiziert werden kann. Im „Sendemodus” wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über kapazitive Kopplung ein Sender relativ zu einem Empfänger wird. Der „Nebenschlussmodus” wird alternativ auch als der oben genannte „Kopplungsmodus” bezeichnet.
Es wurden viele verschiedene kapazitive Insassenerfassungssysteme vorgeschlagen, beispielsweise zur Steuerung der Entfaltung von einem oder mehreren Airbags wie z. B. einem Fahrerairbag, einem Beifahrerairbag und/oder einem Seitenairbag. Das US-Patent 6,161,070 an Jinno et al. bezieht sich auf ein Insassenerkennungssystem, das eine einzige Antennenelektrode umfasst, die in einem Kraftfahrzeug auf einer Oberfläche eines Fahrgastsitzes angebracht ist. Ein Oszillator legt ein oszillierendes Spannungssignal an die Antennenelektrode an, wodurch ein sehr kleines elektrisches Feld rings um die Antennenelektrode erzeugt wird. Jinno schlägt vor, dass die An- oder Abwesenheit eines Insassen auf dem Sitz auf der Grundlage der Amplitude und Phase des Stroms erfasst wird, der zu der Antennenelektrode fließt. Das US-Patent 6,392,542 an Stanley lehrt einen E-Feld-Sensor, der eine Elektrode umfasst, die in einem Sitz angebracht werden kann und mit einer Erfassungsschaltung wirkgekoppelt ist, welche ein oszillierendes oder gepulstes Signal mit „höchstens schwachem Ansprechen” auf die Nässe des Sitzes an die Elektrode anlegt. Stanley schlägt vor, die Phase und die Amplitude des zu der Elektrode fließenden Stroms zu messen, um einen belegten oder leeren Sitz zu erfassen und die Sitznässe zu kompensieren.
Der Gedanke der Benutzung des Heizelements einer Sitzheizung als Antennenelektrode eines kapazitiven Belegungserfassungssystems ist seit langer Zeit bekannt. Die WO 92/17344 A1 offenbart einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch den Durchfluss eines elektrischen Stroms erwärmt werden kann und in der Sitzoberfläche angeordnet ist, wobei der Leiter ferner eine Elektrode eines Zwei-Elektroden-Sitzbelegungssensors bildet.
Die WO 95/13204 offenbart ein ähnliches System, bei dem die Schwingungsfrequenz eines an das Heizelement angeschlossenen Oszillators gemessen wird, um den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes herzuleiten.
Die US 7,521,940 betrifft eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, die in der Lage sind, gleichzeitig im Heizmodus oder im Insassenerfassungsmodus zu arbeiten. Die Vorrichtung umfasst eine Sensor-/Heizunterlage zum Senden eines Erfassungssignals, eine an einen ersten Knoten der Sensor-/Heizunterlage gekoppelte erste Diode, eine an einen zweiten Knoten der Sensor-/Heizunterlage gekoppelte zweite Diode, einen an die erste Diode gekoppelten ersten Transistor und einen an die zweite Diode gekoppelten zweiten Transistor. Beim Erfassungsmodus sind der erste und zweite Transistor geöffnet und die Knoten zwischen dem ersten Transistor und der ersten Diode sowie zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Diode in Sperrrichtung vorgespannt, um die Sensor-/Heizunterlage von der Energieversorgung der Heizschaltung zu isolieren.
Die US 2009/0295199 offenbart eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, wobei jede der zwei Anschlussklemmen des Heizelements über zwei in Reihe geschaltete Transistoren an die Energieversorgung angeschlossen ist. Die Vorrichtung kann nicht gleichzeitig im Erfassungsmodus und im Heizmodus arbeiten. Wenn sich die Vorrichtung im Erfassungsmodus befindet, werden die Knoten zwischen jedem Transistorpaar mittels jeweiliger Spannungsfolger aktiv auf dem gleichen Potential wie das Heizelement gehalten, um eine etwaige Impedanz der Transistoren bei offenem Schalter zu neutralisieren.
Genau derselbe Gedanke wurde bereits in der US 6,703,845 offenbart. Diese Druckschrift offenbart als Alternative zu Transistoren Induktoren, um eine hohe Impedanz bei der Frequenz des oszillierenden Signals zwischen dem Heizelement und der Energiequelle der Heizschaltung zu erzielen. Wie bei der vorher besprochenen Druckschrift hält ein Spannungsfolger die Zwischenknoten im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie das Heizelement, um die Energieversorgung der Heizschaltung wirksam bei der Frequenz des oszillierenden Signals von dem Heizelement zu isolieren.
Ein Nachteil des in der US 6,703,845 offenbarten Systems besteht darin, dass die Induktoren, die als Wechselstrom-Entkopplungselemente verwendet werden, den gesamten Heizstrom (bis 10 A Gleichstrom und höher) aufnehmen müssen und eine hohe Wechselstromimpedanz gleichzeitig für die kapazitive Messschaltung und die Sitzheizung darstellen. Eine hohe Induktivität und ein hoher Betriebsgleichstrom bedeuten, dass die Induktoren auf große Kerne aufgewickelt werden müssen, die teuer sind. Je nach der von der US 6,703,845 ausgewählten Anwendung müssen entweder zwei oder vier dieser Induktoren verwendet werden.
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung sieht eine Sitzheizung und einen kapazitiven Belegungssensor in Kombination vor, bei denen die Möglichkeit einer kostengünstigeren Herstellung und verbesserten Erfassungsleistung gegeben ist. Die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination gemäß der Erfindung sind in Anspruch 1 definiert.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Eine Sitzheizung und ein kapazitiver Belegungssensor in Kombination, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfassen ein Heizungsnetz einschließlich eines Heizelements, das zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten angeschlossen ist, um Wärme abzuführen, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom zwischen dem ersten und zweiten Knoten fließt; und ein kapazitives Erfassungsnetz, das an das Heizelement angeschlossen ist, um daran ein oszillierendes Signal (Strom oder Spannung) anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einem in das Heizelement fließenden Strom oder einer an dem Heizelement resultierenden Spannung als Reaktion auf das Anlegen des oszillierenden Signals herzuleiten. Erfindungsgemäß umfasst das Heizungsnetz eine Gleichtaktdrossel, die den ersten und den zweiten Knoten mit einem dritten bzw. einem vierten Knoten verbindet.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung einen Oszillator und einen Strommesser, wobei der Oszillator derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er eine oszillierende Spannung als das oszillierende Signal über den Strommesser an den ersten und/oder den zweiten Knoten anlegt. Der Strommesser ist derart konfiguriert, dass er ein Signal bereitstellt, das zumindest eine Wechselstromkomponente eines in den ersten und/oder den zweiten Knoten gespeisten Stroms angibt. Der Strommesser kann beispielsweise einen Transimpedanzverstärker umfassen, der einen mit dem Oszillator wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung sowie einen mit dem ersten und/oder zweiten Knoten wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist. Der Transimpedanzverstärker ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass er durch Speisen eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung (innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs) an dem zweiten Eingangsknoten aufrechterhält und das Signal ausgibt, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den ersten und/oder zweiten Knoten gespeisten Stroms angibt.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung umfasst das kapazitive Erfassungsnetz einen Oszillator, der mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist, um die oszillierende Spannung in den mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten zu speisen; sowie einen Transimpedanzverstärker, der einen mit dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung sowie einen mit mindestens einem von dem ersten und zweiten Knoten wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist, wobei der Transimpedanzverstärker derart konfiguriert ist, dass er durch Speisen eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung (innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs) an dem zweiten Eingangsknoten aufrechterhält, wobei der Transimpedanzverstärker einen Ausgang zur Bereitstellung eines Signals aufweist, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den zweiten Eingang gespeisten Stroms angibt.
Der hierin verwendete Begriff „Impedanz” bezeichnet den Betrag (Absolutwert) der komplexen Impedanz, der als das Verhältnis zwischen der (komplexen) Spannung und dem (komplexen) Strom definiert ist.
Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass der Heizstrom ein Gleichstrom (DC; direct current) ist und dass der in den zweiten Eingangsknoten des Transimpedanzverstärkers gespeiste Strom ein Wechselstrom (AC; alternating current) bei der spezifischen Frequenz der oszillierenden Spannung ist. Dies ist insofern eine Vereinfachung, als Einschwingzustände (z. B. Ein- oder Ausschalten des Heizstroms), Rauschen und Fremdströme nicht berücksichtigt werden. Da man jedoch eine frequenzselektive Messung des in den zweiten Eingang gespeisten Stroms durchführen kann, können Fourier-Komponenten, die von der Betriebsfrequenz des Oszillators entfernt sind, bei der weiteren Besprechung vernachlässigt werden. Es ist anzumerken, dass der Heizstrom kein Gleichstrom im strengsten Sinne sein muss: er kann veränderlich sein, darf jedoch in einem langen Zeitrahmen nicht den für die kapazitive Messung verwendeten Strom stören. Der Einfachheit halber wird der Begriff „Gleichstrom” benutzt, um langsam veränderliche oder konstante Signale zu bezeichnen. Das Netz der Kapazitätsmessung arbeitet vorzugsweise bei einer Frequenz, die im Bereich von ungefähr 100 kHz bis ungefähr 1 GHz und bevorzugter im Bereich von ungefähr 500 KHz bis ungefähr 30 MHz ausgewählt ist.
Die vorliegende Erfindung nutzt eine Gleichtaktdrossel mit einem Kopplungsfaktor nahe eins, um die Wechselstromentkopplung des Heizelements von dessen Energieversorgung zu erzielen, die mit dem dritten und vierten Knoten wirkverbindbar ist. Die Verwendung einer Gleichtaktdrossel statt getrennter Induktoren verringert die Anzahl an Bauteilen und die Kosten.
Der kapazitive Belegungssensor arbeitet im so genannten „Lademodus”. Die Wechselstromkomponente des in das Heizelement gespeisten Stroms hängt von der Impedanz (und somit der Kapazität) des Heizelements gegen Masse ab.
Das Heizungsnetz umfasst vorzugsweise eine weitere Gleichtaktdrossel, die den dritten und den vierten Knoten mit einem fünften bzw. einem sechsten Knoten verbindet, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind.
Alternativ dazu umfasst das Heizungsnetz einen ersten Schalter, der zwischen dem dritten und fünften Knoten angeschlossen ist, und einen zweiten Schalter, der zwischen dem vierten und sechsten Knoten angeschlossen ist, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und zweite Knoten miteinander wechselstromgekoppelt und/oder der dritte und vierte Knoten miteinander wechselstromgekoppelt und/oder der fünfte und sechste Knoten miteinander wechselstromgekoppelt. Eine solche Wechselstromkopplung wird vorzugsweise mit einem Kopplungskondensator erzielt. Etwaige solche Kopplungskondensatoren werden derart ausgewählt, dass sie eine Impedanz aufweisen, die wesentlich kleiner als die Impedanz der zu messenden Kapazität ist. Die Kopplungskondensatoren bedeuten daher Kurzschlüsse für die Wechselstromkomponente des Stroms, isolieren aber dessen Gleichstromkomponente. Ein Kopplungskondensator zwischen dem ersten und zweiten Knoten oder zwischen dem dritten und vierten Knoten des Heizungsnetzes gewährleistet, dass der kapazitive Belegungssensor sogar dann betriebsbereit bleibt, wenn das Heizelement zerbrechen sollte. Entweder der fünfte oder der sechste Knoten des Heizungsnetzes steht normalerweise in Wirkverbindung mit Masse (beispielsweise über einen Schalter oder direkt), während der andere in Wirkverbindung mit dem hohen Potential der Gleichstrom-Energiequelle steht (beispielsweise über einen Schalter oder direkt), die das Heizelement ansteuert. Bei praktischen Anwendungen befindet sich der Schalter des Heizungsnetzes wegen der geringeren Kosten eines Low-Side-Schalters auf der Niederspannungsseite der Gleichstrom-Energiequelle. Ein Kopplungskondensator zwischen dem fünften und sechsten Knoten des Heizungsnetzes verhindert demzufolge, dass ein vom Oszillator kommender Wechselstrom in die Gleichstrom-Energiequelle und somit in das Energienetz des Fahrzeugs gespeist wird.
Der zweite Eingang des Transimpedanzverstärkers ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Kopplungskondensators mit mindestens einem von dem ersten und zweiten Knoten wechselstromgekoppelt. Ein solcher Kopplungskondensator verhindert, dass ein Gleichstrom in den Transimpedanzverstärker fließt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das kapazitive Erfassungsnetz eine Kompensationsschaltung, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers kompensiert. Die Kompensationsschaltung umfasst vorzugsweise eine Rückkopplungsschleife, die derart konfiguriert ist, dass sie der oszillierenden Spannung eine Kompensationsspannung hinzufügt, um die Referenzspannung zu erzeugen. Eine solche Rückkopplungsschleife kann beispielsweise einen Fehlerverstärker und ein Summiernetzwerk umfassen, wobei das Summiernetzwerk zwischen dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten, dem Fehlerverstärker und dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist, wobei der Fehlerverstärker derart konfiguriert ist, dass er die Kompensationsspannung ausgibt, wenn ein Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers vorliegt, und wobei das Summiernetzwerk derart konfiguriert ist, dass es der oszillierenden Spannung die Kompensationsspannung hinzufügt, um die Referenzspannung zu erzeugen. Der Fehlerverstärker könnte beispielsweise einen Integrator umfassen. Das Summiernetzwerk kann beispielsweise eine spannungsgesteuerte Stromquelle umfassen. Es wird manchmal zwischen einer Stromquelle und einer Stromsenke unterschieden. Der erstere Begriff bezeichnet dann eine Vorrichtung mit einem aus ihr herausfließenden positiven Strom, wohingegen die „Stromsenke” eine Vorrichtung mit einem in sie hineinfließenden positiven Strom (oder desgleichen einen aus ihr herausfließenden negativen Strom) bezeichnet. Berücksichtigt man, dass der Strom allgemein als algebraische Größe betrachtet wird, die positiv und negativ sein kann, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff „Stromquelle” gleichzeitig derart verwendet, dass er sowohl eine „Stromquelle” als auch eine „Stromsenke” bezeichnet.
Der Transimpedanzverstärker umfasst vorzugsweise einen Basisschaltungsverstärker, wobei der Basisschaltungsverstärker eine Stromquelle und einen Transistor umfasst. Der Vorteil der Verwendung eines Basisschaltungsverstärkers besteht darin, dass die Eingangsimpedanz am zweiten Eingang signifikant reduziert werden kann, was zu einer genaueren Messung der Wechselstromkomponente führt, die für die Ansteuerung des Heizelements notwendig ist.
Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Fahrzeugsitz, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination versehen ist.
Vorzugsweise umfassen die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination eine angesteuerte Schirmelektrode. Der hierin verwendete Begriff „angesteuerte Schirmelektrode” bezeichnet eine Antennenelektrode, die im Wesentlichen auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement gehalten wird. Infolgedessen entfällt im Wesentlichen das oszillierende elektrische Feld zwischen der angesteuerten Schirmelektrode und dem Heizelement. Daraus folgt, dass eine angesteuerte Schirmelektrode im Wesentlichen verhindert, dass das Heizelement kapazitiv mit Objekten gekoppelt wird, die vom Heizelement aus gesehen hinter der angesteuerten Schirmelektrode liegen. Es können somit eine oder mehrere angesteuerte Schirmelektroden verwendet werden, um die Empfindlichkeit des Heizelements auf einen interessierenden Bereich zu konzentrieren, also beispielsweise den räumlichen Teil über einem Fahrzeugsitz, der von einem normal sitzenden Insassen eingenommen wird. Damit die angesteuerte Schirmelektrode auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement gehalten wird, ist sie vorzugsweise mit dem einen von dem dritten und vierten Knoten wirkverbunden, mit welchem der Oszillator wirkverbunden ist.
Die Kopplung der zwei Wicklungen jeder Gleichtaktdrossel ist von Bedeutung. Bei einem Gleichstrom-Heizstrom von 10 A und einem typischen Kopplungsfaktor einer Gleichtaktdrossel mit getrennt gewickelten Wicklungen (d. h. nicht doppeladrig gewickelt) kann der Kopplungsfaktor beispielsweise ungefähr 99% betragen. In diesem Fall entspricht der Gleichstrom, der ein Gleichstrom-Magnetfeld in der Gleichtaktdrossel erzeugt, 100 mA. Bei typischen Magnetkernmaterialien und einer Induktivität der Gleichtaktdrossel von 1 mH führt beispielsweise die Verschiebung des Betriebspunktes auf der Hysteresekurve der Gleichtaktdrossel bereits zu einer signifikanten Induktivitätsänderung, wenn die Sitzheizung eingeschaltet wird. Demnach ist die Induktivität zwischen den Zuständen „Heizung an” und „Heizung aus” unterschiedlich, was zu einem Fehler bei der kapazitiven Messung führen kann, wenn die Sitzheizung geschaltet wird.
Um dieses Problem so weit wie möglich zu reduzieren, ist die Kopplung der Gleichtaktdrossel vorzugsweise besser als 99%. Damit dieses Ziel erreicht wird, sind die Drähte, die die Wicklungen bilden, bei der Gleichtaktdrossel vorzugsweise doppeladrig gewickelt. Noch bevorzugter sind die Drähte, die die Wicklungen der Gleichtaktdrossel bilden, aufeinander verdreht (d. h. die verdrehten Drähte sind rings um den Kern gewickelt).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung mehrerer nicht einschränkender Ausgestaltungen anhand der begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
3: ein schematisches Schaltbild einer ersten Variante der Ausgestaltung von 2;
4: ein schematisches Schaltbild einer zweiten Variante der Ausgestaltung von 2;
5: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
6: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsitzes, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination im Wesentlichen wie in 1 versehen ist;
7: ein Diagramm, das als Funktion der Blindstromkomponente den Schwellwert für die Wirkstromkomponente darstellt, über welchem ein Sitz als belegt und unter welchem der Sitz als unbelegt erkannt wird;
8: ein schematisches Schaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Sitzheizung umfasst ein Heizelement 10, das von dem kapazitiven Belegungssensor als eine Antennenelektrode benutzt wird, die kapazitiv an Masse gekoppelt ist. Die Stärke der kapazitiven Kopplung zwischen dem Heizelement 10 und Masse hängt davon ab, ob sich ein Insasse in der Zone zwischen dem Heizelement 10 und der an Masse gelegten Gegenelektrode befindet. Bei einem im Lademodus befindlichen kapazitiven Belegungssensor für einen Fahrzeugsitz entspricht die an Masse gelegte Gegenelektrode normalerweise dem Fahrzeugchassis.
Zuerst Bezug nehmend auf die Sitzheizung, umfasst das Heizungsnetz eine Stromquelle 12, die das Heizelement 10 mit dem notwendigen Gleichstrom-Heizstrom zur Durchführung der Heizfunktion versorgt. Das Heizungsnetz umfasst einen Schalter 14, der den Gleichstrom-Heizstrom je nach der Ist- oder Solltemperatur der Sitzheizung ein- und ausschaltet. Der Schalter 14 kann beispielsweise durch einen vom Benutzer bedienbaren Hauptschalter (der die Sitzheizung als ganze ein- oder ausschaltet) und eine Steuerelektronik (die z. B. einen Thermostat umfasst) gesteuert werden, welche die Temperatur derart regeln, dass bequemes Sitzen gewährleistet wird.
Das Heizelement 10 ist zwischen einem ersten 21 und einem zweiten 22 Knoten angeschlossen. Wenn die Energieversorgung eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22 anlegt, fließt der Heizstrom durch das Heizelement 10, welches dadurch veranlasst wird, Wärme abzuführen. Das Heizelement 10 ist mittels einer ersten Gleichtaktdrossel 16, die den ersten 21 und zweiten 22 Knoten mit einem dritten 23 bzw. vierten 24 Knoten verbindet, und einer zweiten Gleichtaktdrossel 18, die den dritten 23 und vierten 24 Knoten mit einem fünften 25 bzw. sechsten 26 Knoten verbindet, mit der Energiequelle 12 wirkverbunden. In 1 entspricht der fünfte Knoten 25 Masse, wohingegen der sechste Knoten 26 über den Schalter 14 mit der Hochspannungs-Anschlussklemme der Energiequelle 12 wirkverbunden ist.
Die Gleichtaktdrosseln 16, 18 zeigen eine niedrige Impedanz für Gleichstrom, aber eine wesentliche Impedanz für Wechselstrom bei der Betriebsfrequenz des kapazitiven Belegungssensors.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst eine Wechselspannungsquelle 28, die durch einen Kopplungskondensator 30 mit dem dritten Knoten 23 des Heizungsnetzes wechselstromgekoppelt ist, sowie einen Transimpedanzverstärker 32, dessen Referenzeingang 34 (der oben erwähnte erste Eingang) an den dritten Knoten angeschlossen ist und dessen Signaleingang 36 (der oben erwähnte zweite Eingang) durch den Kopplungskondensator 38 mit dem ersten Knoten wechselstromgekoppelt ist.
Wenn die Sitzheizung mit Gleichstrom-Heizstrom versorgt wird (d. h. wenn der Schalter 14 geschlossen ist), fließt Strom von der Energiequelle 12 durch den Schalter 14, den hierin als „sechster Knoten” bezeichneten Knoten 26, die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 18, den hierin als „vierter Knoten” bezeichneten Knoten 24, die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „zweiter Knoten” bezeichneten Knoten 22, das Heizelement 10, den hierin als „erster Knoten” bezeichneten Knoten 21, die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „dritter Knoten” bezeichneten Knoten 23, die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 18 und den hierin als „fünfter Knoten” bezeichneten Knoten 25, der auf Massepotential liegt. Die Heizungsschaltung ist über den Masseanschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und der Energiequelle 12 geschlossen.
Der Schalter 14 kann dazu verwendet werden, die Temperatur des Sitzes durch Ein- und Ausschalten der Sitzheizung zu regeln. Ein in den Sitz integrierter Temperatursensor (in den Zeichnungen nicht dargestellt) kann die Sitztemperatur ermitteln. Ein an den Schalter 14 und den Temperatursensor angeschlossener Heizungsregler (beispielsweise ein Mikrocontroller) liest die Isttemperatur des Sitzes vom Temperatursensor ab und schaltet den Schalter 14 je nach der Solltemperatur und der gemessenen Isttemperatur ein oder aus. Eine derartige Temperaturregelung kann desgleichen bei allen hierin beschriebenen Ausgestaltungen angewendet werden.
Die Wechselspannungsquelle 28 legt durch den Kopplungskondensator 30 eine Wechselspannung an den Knoten 23 an. Als Frequenz der Wechselspannung (oszillierenden Spannung) kann beispielsweise 1 MHz ausgewählt werden. Der Referenzeingang des Transimpedanzverstärkers 32 ist auch an den Knoten 23 angeschlossen. Durch die interne Rückkopplung erzeugt der Transimpedanzverstärker 32 im Wesentlichen die gleiche Wechselspannung an seinem Signaleingang 36 wie an seinem Referenzeingang. Daraus folgt, dass der Transimpedanzverstärker 32 im Wesentlichen die gleiche Wechselspannung an den ersten Knoten 21 anlegt (durch den Kopplungskondensator 38) wie die Wechselspannungsquelle 28 an den dritten Knoten 23. Die Kondensatoren 40 und 42 repräsentieren symbolisch die kapazitive Kopplung des Heizelements 10 an eine an Masse gelegte Elektrode (normalerweise der Fahrzeugrahmen). Die Kapazität (und somit die Impedanz) dieser Kondensatoren 40, 42 hängt davon ab, ob der Raum zwischen dem Heizelement 10 und der an Masse gelegten Elektrode von einem leitenden Körper (beispielsweise einem Insassen) belegt ist oder nicht. Da die Impedanz des Heizelements 10 im Vergleich zu der zu messenden Impedanz (welche die Impedanz der Kondensatoren 40 und 42 ist) sehr klein ist, tritt die Wechselspannung auch am zweiten Knoten 22 auf.
Der größte Teil des zwischen dem Heizelement 10 und Masse fließenden Wechselstroms fließt in den Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32 hinein (oder – je nachdem, ob man positiven oder negativen Strom betrachtet – aus diesem heraus). Lediglich ein geringer Teil des Wechselstroms fließt durch die Gleichtaktdrossel 16 ab, da die Impedanz der Gleichtaktdrossel 16, die hauptsächlich durch deren Induktivität definiert ist, zweckmäßigerweise derart ausgewählt wird, dass sie weitaus höher als die Eingangsimpedanz zwischen dem Signaleingang 36 und dem Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32 ist. Beispielsweise sollte für eine Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers von 10 Ω und eine Betriebsfrequenz von 1 MHz die Impedanz der Gleichtaktdrossel vorzugsweise mindestens 100 Ω bei dieser Frequenz oder 16 μH betragen. Als Gleichtaktdrosseln könnte man dann beispielsweise TN14/9/5-Ringkerne aus 4C65-Material mit einem Durchmesser von 14,6 mm und einer Höhe von 5,5 mm von der Firma Ferroxcube auswählen. Wenn einzelne Induktoren zu verwenden sind, müsste jede Gleichtaktdrossel durch zwei einzelne passend dimensionierte Induktoren ersetzt werden. In diesem Fall könnte man zur Erzielung einer Impedanz von 100 Ω bei 1 MHz Ringkerne des Typs TN20/10/7 mit einem Durchmesser von 20,7 mm und einer Höhe von 7,5 mm verwenden (bei demselben Hersteller erhältlich). Der Grund, warum die Gleichtaktdrossel kleiner als jede der einzelnen Drosseln ist, besteht darin, dass das Gleichstrom-Magnetfeld, das von dem durch die Spulen fließenden Gleichstrom induziert wird, in der Gleichtaktdrossel wegen des Kopplungsfaktors von ungefähr gleich 1 fast ganz entfällt, wohingegen es nicht in einer einzelnen Spule wegfällt. Die Größe des Kerns muss derart ausgewählt werden, dass die Kerne nicht wegen des Gleichstrom-Magnetfelds gesättigt werden, welches bei einzelnen Drosseln wesentlich größer als bei Gleichtaktdrosseln ist, wie oben dargelegt wurde.
Daraus folgt, dass der vom Transimpedanzverstärker 32 zugeführte Wechselstrom im Wesentlichen dem Wechselstrom gleicht, der zwischen dem Heizelement 10 und Masse fließt (durch die Kondensatoren 40 und 42). Das heißt, dass der Transimpedanzverstärker 32 den zwischen dem Heizelement 10 und Masse fließenden Wechselstrom in eine Wechselspannung umwandelt, welche der Transimpedanzverstärker 32 an seinem Ausgangsknoten 44 ausgibt. Die Wechselspannung am Ausgang kann derart weiterverarbeitet werden, dass ihre Amplitude und Phase in Bezug auf die von der Wechselspannungsquelle 28 zugeführte Wechselspannung abgerufen werden, um die zu messende Kapazität bzw. Impedanz herzuleiten.
Der Kondensator 46 hat eine Impedanz, die wesentlich kleiner als die Impedanz der zu messenden Gesamtkapazität ist. In Abwesenheit des Kondensators 46 würde sich aus einer Unterbrechung (Bruch) des Heizelements 10 eine wesentlich kleinere Antennenelektrode ergeben: dies wiederum würde die messbare Kapazität reduzieren. Wenn das in 1 dargestellte Heizelement 10 beispielsweise in der Mitte durchbricht, würde nur die Kapazität 40 durch die Messschaltung gemessen. Der Kopplungskondensator 46 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22, d. h. den Anschlussklemmen des Heizelements 10. Wenn im Heizelement 10 ein (einziger) Bruch eintritt, dann bleibt das kapazitive Erfassungsnetz im Wesentlichen unbeeinträchtigt und misst dennoch die Gesamtkapazität zwischen dem Heizelement 10 und Masse wegen des durch den Kondensator 46 bereitgestellten Wechselstromnebenschlusses. Der Kopplungskondensator 48 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem dritten Knoten 23 und dem vierten Knoten 24; er kann alternativ oder zusätzlich zu dem Kopplungskondensator 46 verwendet werden. Der Kopplungskondensator 50 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und dem sechsten Knoten 26. Der Kondensator 50 verhindert, dass ein etwaiger Wechselstrom, der von der Wechselstrom-Signalquelle 28 kommt, in die Gleichstrom-Energiequelle 12 und dadurch möglicherweise in das Energienetz des Fahrzeugs zurückgespeist wird.
Ferner kann eine Unterbrechung des Heizelements 10 erfasst werden, indem der Gleichstrom-Heizstrom bei eingeschalteter Sitzheizung gemessen wird. Alternativ dazu kann ein Testgleichstrom, der wesentlich kleiner als der Heizstrom ist, eingebracht werden, um eine Unterbrechung zu erfassen, wenn beispielsweise nicht geheizt werden soll. Dem Fahrzeugbenutzer kann eine Warnung mitgeteilt werden, wenn der Heizstrom nicht fließt oder wenn der fließende Strom unter einem bestimmten Schwellwert liegt.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Erfindung, die sich etwas von der in 1 dargestellten Ausgestaltung unterscheidet. Die Elemente, welche beiden Ausgestaltungen gemeinsam sind und welche die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 2 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 und müssen nicht erneut erklärt werden. Insbesondere die Bauteile des Heizungsnetzes arbeiten bei beiden Ausgestaltungen auf die gleiche Weise.
Im Unterschied zu der Ausgestaltung von 1 enthält die Anschlussleitung zwischen dem Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32 und dem ersten Knoten 21 keinen Kopplungskondensator, der verhindert, dass ein Gleichstrom zwischen dem Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32 und dem Heizelement 10 fließt.
Die Wechselspannungsquelle 28 legt durch den Kopplungskondensator 30 eine Wechselspannung an den Knoten 23 an. Die Frequenz der Wechselspannung (oszillierenden Spannung) kann beispielsweise 1 MHz betragen. Eine Summiervorrichtung 52 empfängt diese Wechselspannung an ihrem an den dritten Knoten 23 angeschlossenen Eingang und überträgt diese Wechselspannung zu dem Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32. Der andere Eingang der Summiervorrichtung 52 ist an den Ausgang 56 eines Fehlerverstärkers 54 angeschlossen. Da Letzterer ein Gleichstromsignal erzeugt, tritt an dem Eingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32 die gleiche Wechselspannung (eventuell mit einem Gleichspannungsversatz, der unten in Betracht gezogen wird) wie an dem Knoten 23 auf. Der Transimpedanzverstärker 32 versucht, mittels seiner internen Rückkopplung seinen Signaleingang 36 auf dem gleichen Potential wie dem des Referenzeingangs 34 zu halten. Daraus folgt, dass die an den Referenzeingang 34 angelegte Wechselspannung durch den Transimpedanzverstärker 32 auch an das Heizelement 10 angelegt wird. Die Wechselspannung tritt bedingt durch den Kopplungskondensator 46 und die niedrige Impedanz des Heizelements 10 bei der Frequenz der Wechselspannung auch am zweiten Knoten 22 auf.
Bei eingeschalteter Sitzheizung, d. h. wenn der Heizstrom (Gleichstrom) fließt, ereignet sich wegen des von null verschiedenen Widerstands der Gleichtaktdrossel 16 ein Spannungsabfall zwischen dem ersten und dritten Knoten 21, 23. Dieser Gleichspannungsabfall würde den Transimpedanzverstärker 32 normalerweise „durcheinanderbringen”, da er versuchen würde, die Potentialdifferenz zwischen seinen Eingängen 34, 36 zu minimieren und dadurch seinen Ausgang 44 zu einer der Versorgungsspannungsschienen (nicht dargestellt) zu treiben.
Damit dies nicht geschieht, umfasst das kapazitive Erfassungsnetz eine Kompensationsschaltung, die einen Gleichspannungsabfall zwischen dem Referenzeingang 34 und dem Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32 kompensiert. Die Kompensationsschaltung ist als eine Rückkopplungsschleife konfiguriert, die den Fehlerverstärker 54 und die Summiervorrichtung 52 umfasst. Der Transimpedanzverstärker 32 umfasst einen Gleichstromausgang 58, an welchem er ein Signal ausgibt, das den in ihn fließenden Gleichstrom angibt. Der Fehlerverstärker 54 vergleicht mittels Subtraktion dieses Signal mit einem Referenzsignal, beispielsweise einer Gleichspannung von 0 V. Das Ergebnis des Subtraktionsvorgangs wird durch die Summiervorrichtung 52 der Gleichspannung hinzugefügt, die am dritten Knoten 23 vorhanden ist. Die Summe aus der durch den Fehlerverstärker 54 erzeugten Fehlerspannung (welche eine Gleichspannung ist) und der Spannung des dritten Knotens 23 (welche die von der Wechselspannungsquelle 28 angelegte Wechselstromkomponente und bei eingeschalteter Heizung eine Gleichstromkomponente enthält) dient als Eingangssignal für den Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32. Die Kompensationsschaltung setzt somit die Ausgangs-Gleichspannung des Transimpedanzverstärkers 32 gleich der Referenzspannung des Fehlerverstärkers 54 und hält folglich den Transimpedanzverstärker 32 innerhalb seines Betriebsbereichs, und zwar unabhängig von dem durch die Gleichtaktdrossel 16 hindurch auftretenden Gleichspannungsabfall.
3 zeigt eine bevorzugte Variante der Sitzheizung und des kapazitiven Belegungssensors in Kombination von 2. 3 veranschaulicht insbesondere eine mögliche Methode zur Implementierung des Transimpedanzverstärkers 32 und der in der Beschreibung von 2 vorgestellten Kompensationsschaltung. In 3 werden daher gegebenenfalls die gleichen Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Elemente, die bereits anhand von 2 besprochen wurden, werden der Kürze halber nicht wieder behandelt.
Der Transimpedanzverstärker 32 umfasst einen Operationsverstärker 60 und einen Rückkopplungskondensator 62, der zwischen dem Ausgang 44 und dem Signaleingang 36 (hier: dem invertierenden Eingang) des Operationsverstärkers 60 gekoppelt ist.
Der Fehlerverstärker ist als ein Integrator implementiert, der einen weiteren Operationsverstärker 64, einen Widerstand 66 und einen Kondensator 68 umfasst. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 64 ist über den Widerstand 66 an den Ausgang 44 des Operationsverstärkers 60 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 64 ist an Masse angeschlossen, die hier als Referenzspannung für das Kompensationssignal dient. Die Spannung am Ausgang 44 gibt den Strom (der eine Wechselstromkomponente sowie eine Gleichstromkomponente enthält) an, der in den Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32 fließt. Der Integrator ist derart konfiguriert, dass er eine niedrige Wechselstromverstärkung bei der Betriebsfrequenz der kapazitiven Messung aufweist. Demgemäß spricht der Integrator nur auf die Gleichstromkomponente des Ausgangssignals des Transimpedanzverstärkers 32 an. Die an den Ausgang des Integrators angelegte Kompensationsspannung entspricht demnach einem Zeitintegral der Gleichstromkomponente des Ausgangssignals des Transimpedanzverstärkers 32.
Die in 2 dargestellte Summiervorrichtung ist als ein Summiernetzwerk implementiert, das eine spannungsgesteuerte Stromquelle umfasst. Die spannungsgesteuerte Stromquelle umfasst einen Widerstand 70, einen Transistor 72 und eine Vorspannungsquelle 74. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 64 bewirkt, dass ein Strom durch den Widerstand 70, den Transistor 72, den Widerstand 76, den dritten Knoten 23 und von da über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 18 zur Masse fließt. Der Strom durch jeden von dem Widerstand 70, Transistor 72 und Widerstand 76 ist im Wesentlichen der gleiche, da der Basisstrom aus dem Transistor 72 und ein etwaiger Strom in den Referenzeingang 34 des Verstärkers 60 bei dieser Schaltung vernachlässigt werden kann. Die Spannung am Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32 ist somit gleich der Summe aus der Spannung am Knoten 23 und der Spannung durch den Widerstand 76 hindurch. Die Spannung durch den Widerstand 76 hindurch kann als Produkt aus dem Wirkwiderstand des Widerstands 76 und dem durch den Widerstand 76 fließenden Strom (der, wie oben dargelegt, im Wesentlichen gleich dem Strom durch den Widerstand 70 ist) berechnet werden. Der Strom durch den Widerstand 70 wird als Verhältnis zwischen der Spannungsdifferenz (zwischen der Ausgangsspannung des Verstärkers 64 und der im Wesentlichen konstanten Emitterspannung des Transistors 72) und dem Wirkwiderstand des Widerstands 70 bestimmt. Die Spannung am Emitter des Transistors 72 ist wiederum gleich der Summe aus der konstanten Spannung der Vorspannungsquelle 74 und dem im Wesentlichen konstanten Emitter-Basis-Spannungsabfall des Transistors 72. Man kann demzufolge folgendermaßen schreiben: U₃₄ = U₂₃ + R₇₆/R₇₀·(U₆₄ – U₇₄ – U_EB), wobei U₃₄ die Spannung am Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32, U₆₄ die Ausgangsspannung des Verstärkers 64, U₂₃ das Potential des dritten Knotens 23, R₇₆ den Wirkwiderstand des Widerstands 76, R₇₀ den Wirkwiderstand des Widerstands 70, U₇₄ die von der Vorspannungsquelle an die Basis des Transistors 72 angelegte Spannung und U_EB den Emitter-Basis-Spannungsabfall des Transistors 72 bezeichnen.
Da sich die Spannung U₆₄ – U₇₄ – U_EB nur langsam im Vergleich zu der Schwingungsfrequenz der durch die Wechselspannungsquelle angelegten Wechselspannung ändert, ist die Wechselstromkomponente der Spannung U₃₄ gleich der Wechselstromkomponente von U₂₃ (mit anderen Worten: es gibt nur einen Gleichspannungsversatz zwischen U₂₃ und U₃₄). Es ist anzumerken, dass das Verhältnis R₇₆/R₇₀ nicht kritisch ist, da eine etwaige restliche Potentialdifferenz zwischen dem dritten Knoten 23 und dem ersten Knoten 21 schnell über die Rückkopplungsschleife mit dem Fehlerintegrator wegfällt.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Variante der Sitzheizung und des kapazitiven Belegungssensors in Kombination von 2. 4 veranschaulicht insbesondere eine weitere mögliche Methode zur Implemetierung des Transimpedanzverstärkers 32 und der in der Beschreibung von 2 vorgestellten Kompensationsschaltung. In 4 werden gegebenenfalls die gleichen Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Elemente, die bereits anhand von 2 besprochen wurden, werden der Kürze halber nicht wieder behandelt.
Der Transimpedanzverstärker 32 umfasst einen Operationsverstärker 78 und einen Rückkopplungszweig mit einem Rückkopplungskondensator 80, der elektrisch mit einem Rückkopplungswiderstand 82 parallel geschaltet ist. Der Transimpedanzverstärker 32 umfasst ferner einen Basisschaltungsverstärker, der einen Transistor 84 und eine Stromquelle 86 umfasst. Der Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32 ist durch den Basiseingang des Transistors 84 ausgebildet. Der Emittereingang des Transistors 84 repräsentiert den Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32. Der Kollektor des Transistors 84 ist über einen Kopplungskondensator 88 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 78 wechselstromgekoppelt. Der Vorteil der Verwendung eines Basisschaltungsverstärkers vor dem Operationsverstärker 78 besteht darin, dass die Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers 32 in 4 wegen der niedrigen Eingangsimpedanz der Basisschaltung niedriger ist als die Impedanz des Transimpedanzverstärkers 32 von 3.
Der Fehlerverstärker der Ausgestaltung von 4 ist als ein Integrator implementiert, der einen Operationsverstärker 90, einen Widerstand 92, einen Kondensator 94 und eine Vorspannungsquelle 96 umfasst. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 90 ist über den Widerstand 92 an den Kollektor des Transistors 84 angeschlossen. Die Gleichstromkomponente der Spannung am Kollektor des Transistors 84 gibt den Gleichstrom an, der in den Signaleingang 36 des Transimpedanzverstärkers 32 hineinfließt (oder aus diesem herausfließt). Die Wechselstromkomponente der Spannung am Kollektor des Transistors 84 ist durch den Kopplungskondensator 88 zu der virtuellen Massespannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 78 kurzgeschlossen.
Der Fehlerverstärker stellt an seinem Ausgang 98 das Zeitintegral der Spannungsdifferenz zwischen dem Kollektor des Transistors 84 und der Referenzspannung bereit, die durch die Spannungsquelle 96 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 90 angelegt wird.
Ein Summiernetzwerk wird durch den Widerstand 76, der zwischen dem dritten Knoten 23 und dem Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32 angeschlossen ist, und eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die einen Widerstand 100, einen Transistor 102 und eine Vorspannungsquelle 104 umfasst, gebildet. Die spannungsgesteuerte Stromquelle wandelt die Ausgangsspannung (Gleichstrom) des Fehlerverstärkers 90 in einen Strom durch den Widerstand 100, den Transistor 102 und den Widerstand 76 um. Dies führt zu einem Spannungsabfall durch den Widerstand 76 hindurch. Die Spannung am Referenzeingang 34 des Transimpedanzverstärkers 32 wiederum kann als Summe aus der Spannung am dritten Knoten 23 und dem Spannungsabfall durch den Widerstand 76 hindurch ausgedrückt werden. Man kann jetzt die Eigenschaft nutzen, dass der Strom durch den Widerstand 76 im Wesentlichen gleich dem Strom durch den Widerstand 100 ist (da man die Ströme in die Basen der Transistoren 102 und 84 vernachlässigen kann). Die Spannung U_E am Emitter des Transistors 102 ist gleich der Summe aus der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 90 (U₉₈) und dem Emitter-Basis-Spannungsabfall U_EB des Transistors 102. Der Spannungsabfall U₁₀₀ durch den Widerstand 100 hindurch kann demnach als U₁₀₀ = U₁₀₄ – U₉₈ – U_EB ausgedrückt werden, wobei U₁₀₄ die durch die Vorspannungsquelle 104 angelegte Vorspannung ist. Daraus ergibt sich, dass die Spannung U₃₄ am Referenzeingang des Transimpedanzverstärkers 32 folgendermaßen ausgedrückt werden kann: U₃₄ = U₂₃ + R₇₆/R₁₀₀·(U₁₀₄ – U₉₈ – U_EB).
Die Vorspannungsquelle 96 stellt den Gleichstrom-Vorspannungspegel der Kollektorspannung des Transistors 84 ein, wobei der Vorspannungspegel im Wesentlichen gleich der Spannung ist, welche die Vorspannungsquelle 96 bedingt durch die hohe Eingangsimpedanz des Fehlerverstärkers an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 90 anlegt.
Da sich die Spannung U₁₀₄ – U₉₈ – U_EB nur langsam im Vergleich zu der Schwingungsfrequenz der durch die Wechselspannungsquelle 28 angelegten Wechselspannung ändert, ist die Wechselstromkomponente der Spannung U₃₄ gleich der Wechselstromkomponente von U₂₃ (mit anderen Worten: es gibt nur einen Gleichspannungsversatz zwischen U₂₃ und U₃₄). Das Verhältnis R₇₆/R₇₀ ist nicht kritisch, da die Rückkopplungsschleife mit dem Fehlerintegrator und dem Summiernetzwerk die Spannungsdifferenz zwischen dem Referenzeingang und dem Signaleingang des Transimpedanzverstärkers im Wesentlichen gleich dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 84 hält, wenn sich der Gleichspannungspegel des ersten Knotens 21 ändert.
5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination. Die Ausgestaltung von 5 unterscheidet sich dahingehend von der Ausgestaltung von 1, dass die Gleichtaktdrossel 18 durch die Schalter 14' und 14'' ersetzt wurde. Das kapazitive Erfassungsnetz von 5 ist mit dem von 1 identisch. Die Elemente, welche beiden Ausgestaltungen gemeinsam sind und welche die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 5 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 und müssen nicht wieder ausführlich erklärt werden.
Im Gegensatz zu den vorangehenden Ausgestaltungen können die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination von 5 nicht gleichzeitig im Heizmodus und Belegungserfassungsmodus arbeiten.
Wenn die Sitzheizung heizen soll, werden beide Schalter 14' und 14'' derart eingeschaltet, dass der Gleichstrom-Heizstrom vom sechsten Knoten 26 durch den Schalter 14' zu dem vierten Knoten 24 und der ersten Wicklung der Gleichtaktdrossel 16 durch das Heizelement 10, die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 16, den dritten Knoten 23, den Schalter 14'' und über den Masseanschluss zurück zur Gleichstrom-Energieversorgung 12 fließen gelassen wird. Im Heizmodus ist die kapazitive Messung nicht möglich, da der dritte Knoten 23 über den Schalter 14'' gegen Masse kurzgeschlossen ist. Demzufolge ist die Wechselspannungsquelle 28 vorzugsweise ausgeschaltet, wenn sich das System im Heizmodus befindet.
Wenn das System als Belegungssensor zu verwenden ist, sind beide Schalter 14' und 14'' ausgeschaltet und die Wechselspannungsquelle eingeschaltet. Die kapazitive Messung wird in der gleichen Weise durchgeführt wie es anhand von 1 beschrieben wurde.
6 zeigt schematisch einen Fahrzeugsitz 106, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination versehen ist, welche – mit Ausnahme der angesteuerten Schirmelektrode (oder Schutzelektrode) 108, die an den dritten Knoten 23 angeschlossen ist – im Wesentlichen der in 1 dargestellten Kombination entsprechen.
Das Heizelement 10 ist in dem Sitz 106 und insbesondere unter der Sitzoberfläche angeordnet. Außer der zu messenden Kapazität bzw. Impedanz (wieder durch die Kondensatoren 40 und 42 dargestellt) gibt es eine zusätzliche Kapazität zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 110. Die zusätzliche Kapazität ist in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität und kann beträchtliche Messfehler mit einbringen, da sie kaum bekannt ist und sich während der Lebensdauer der Anwendung ändern kann. Zur Unterdrückung des Einflusses der zusätzlichen Kapazität ist zwischen der Sitzheizung 10 und dem Sitzrahmen 110 eine Schutzelektrode 108 angeordnet. Die Schutzelektrode 108 kann beispielsweise eine leitende Folie oder ein leitendes Textilgewebe sein, die bzw. das zumindest den Bereich überdeckt, über den sich das Heizelement 10 erstreckt. Die Schutzelektrode 108 ist zur besseren Abschirmung vorzugsweise größer als der Bereich, über den sich das Heizelement 10 erstreckt. Wie oben angeführt wurde, ist die Schutzelektrode 108 elektrisch an den dritten Knoten 23 angeschlossen. Da die Wechselspannung am Heizelement 10 bei der Durchführung der kapazitiven Messung im Wesentlichen gleich der Wechselspannung am Knoten 23 ist, gibt es lediglich eine sehr geringe Wechselspannungsdifferenz zwischen dem Heizelement 10 und der Schutzelektrode 108. Infolgedessen fließt im Wesentlichen kein Wechselstrom zwischen dem Heizelement 10 und der Schutzelektrode 108. Da die Schutzelektrode 108 zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 110 angeordnet ist, fließt im Wesentlichen kein Wechselstrom zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 110.
Es ist anzumerken, dass die Kopplungskondensatoren 46, 48, 50 in 2–6 den gleichen Zweck erfüllen wie in 1.
Bei einer beliebigen der obigen Ausgestaltungen gibt die vom Transimpedanzverstärker 32 ausgegebene Wechselspannung die Wechselstromkomponente des Stroms an, der in den Signaleingang des Transimpedanzverstärkers 32 fließt. Daraus folgt, dass die zu messende komplexe Impedanz als das Verhältnis zwischen der durch die Wechselspannungsquelle 28 angelegten (komplexen) Wechselspannung und der durch den Transimpedanzverstärker 32 am Ausgangsknoten 44 ausgegebenen (komplexen) Wechselspannung ermittelt werden kann. Da die Amplitude und die Phase oder alternativ dazu die In-Phase-Komponente („Blindkomponente”) und die 90°-Phasenverschiebungskomponente („Wirkkomponente”) der durch die Wechselspannungsquelle 28 angelegten Wechselspannung bekannt sind, kann die Impedanz und somit die zu messende Kapazität abgerufen werden. Der Belegungszustand kann bei einer praktischen Anwendung also auf der Grundlage der Amplitude und Phase oder alternativ dazu aus der Wirk- und Blindkomponente der vom Transimpedanzverstärker ausgegebenen Wechselspannung ermittelt werden.
Eine besonders vorteilhafte Methode zur Bestimmung des Belegungszustands wird in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/095939 offenbart. Das in dieser Anmeldung offenbarte Verfahren kann zur Ermittlung der Wirk- und Blindkomponente der vom Transimpedanzverstärker 32 ausgegebenen Wechselspannung verwendet werden. Die vom Transimpedanzverstärker 32 ausgegebene Wechselspannung kann insbesondere in einen getakteten Gleichrichter gespeist werden, der mittels der durch die Wechselspannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung als Referenz synchronisiert ist. Die tiefpassgefilterten Signale, die der getaktete Gleichrichter ausgibt, geben dann die Wirkkomponente und die Blindkomponente der vom Transimpedanzverstärker ausgegebenen Wechselspannung an. Sie können einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, der sie in digitaler Form zu einem Mikroprozessor weiterleitet.
Der Mikroprozessor kann dann einen Belegungszustand ermitteln, indem er beispielsweise die Wirkkomponente mit einem Schwellwert vergleicht, wobei der Schwellwert von der Blindkomponente abhängt. 7 zeigt ein Diagramm, das den Schwellwert für die Wirkkomponente (90°-Phasenverschiebungskomponente) als eine Funktion darstellt, die mit der Blindkomponente (In-Phase-Komponente) ansteigt. Wenn sich ergibt, dass die Wirkkomponente (gibt die zu messende Kapazität an) unter der Schwellwertkurve für die ermittelte Blindkomponente (gibt einen ohmschen Strompfad vom Heizelement zur Masse an) liegt, gilt der Sitz als nicht von einer Person belegt; wenn sich ergibt, dass die Wirkkomponente über der Schwellwertkurve für die ermittelte Blindkomponente liegt, gilt der Sitz als von einer Person belegt. Der Mikroprozesor kann in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Ermittlung des Belegungszustands ein Ausgangssignal ausgeben, das einer Vorrichtung, die an die Sitzheizung und den kapazitiven Belegungssensor in Kombination angeschlossen ist und beispielsweise das Steuergerät eines Airbagsystems oder ein Sitzgurt-Warngerät ist, den Belegungszustand mitteilt. Da der Schwellwert für die Wirkkomponente bei steigender Blindkomponente zunimmt, kann er einen ohmschen Strompfad vom Heizelement zur Masse (der beispielsweise durch einen nassen Sitz bedingt ist) kompensieren.
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung.
Das Heizungsnetz umfasst wie bei den zuvor besprochenen Ausgestaltungen eine Energiequelle 12, die das Heizelement 10 mit dem notwendigen Gleichstrom-Heizstrom versorgt, um die Heizfunktion durchzuführen. Das Heizungsnetz umfasst einen Schalter 14, der den Gleichstrom-Heizstrom je nach der Ist- und Solltemperatur der Sitzheizung ein- und ausschaltet.
Das Heizelement 10 ist zwischen einem ersten 21 und einem zweiten 22 Knoten angeschlossen. Wenn die Energieversorgung eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22 anlegt, fließt der Heizstrom durch das Heizelement 10, das dadurch veranlasst wird, Wärme abzuführen. Das Heizelement 10 ist mittels einer ersten Gleichtaktdrossel 16, die den ersten 21 und zweiten 22 Knoten mit einem dritten 23 bzw. vierten 24 Knoten verbindet, mit der Energiequelle 12 wirkverbunden. In 8 entspricht der dritte Knoten 23 Masse, wohingegen der vierte Knoten 24 über den Schalter 14 mit der Hochspannungs-Anschlussklemme der Energiequelle 12 wirkverbunden ist.
Die Gleichtaktdrossel 16 zeigt eine niedrige Impedanz für Gleichstrom, aber eine wesentliche Impedanz für Wechselstrom bei der Betriebsfrequenz des kapazitiven Belegungssensors.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst eine Wechselspannungsquelle 28, die über einen Strommesser 32' an den ersten Knoten 21 angeschlossen ist.
Wenn die Sitzheizung mit Gleichstrom-Heizstrom versorgt wird (d. h. wenn der Schalter 14 geschlossen ist), fließt Strom von der Energiequelle 12 durch den Schalter 14, den vierten Knoten 24, die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „zweiter Knoten” bezeichneten zweiten Knoten 22, das Heizelement 10, den ersten Knoten 21 und die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 16 zu dem dritten Knoten 23, der auf Massepotential liegt. Die Heizungsschaltung ist über den Masseanschluss zwischen dem dritten Knoten 23 und der Energiequelle 12 geschlossen.
Der Kopplungskondensator 46 hat eine wesentlich geringere Impedanz als die Impedanz der zu messenden Gesamtkapazität. Er erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22, d. h. den Anschlussklemmen des Heizelements 10. Wenn im Heizelement 10 ein (einziger) Bruch eintritt, dann bleibt das kapazitive Erfassungsnetz im Wesentlichen unbeeinträchtigt und misst dennoch die Gesamtkapazität zwischen dem Heizelement 10 und Masse. Der Kopplungskondensator 50 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem dritten Knoten 23 und dem vierten Knoten 24; er verhindert, dass ein etwaiger Wechselstrom, der von der Wechselstrom-Signalquelle 28 kommt, in die Gleichstrom-Energiequelle 12 und dadurch möglicherweise in das Energienetz des Fahrzeugs zurückgespeist wird.
Die Wechselstrom-Signalquelle 28 erzeugt eine Wechselspannung bei einer auswählbaren Frequenz. Die Frequenz kann durch einen Mikrocontroller (nicht dargestellt) eingestellt werden. Die Amplitude und die Frequenz der von der Wechselstrom-Signalquelle ausgegebenen Wechselspannung sind bekannt. Der Strommesser 32' misst den Strom, der in das parallel geschaltete Netz der zu messenden Impedanz (oder: Admittanz) und der Gleichtaktdrossel 16 fließt.
Der Strommesser 32' umfasst einen IQ-Demodulator, der die Wechselstrom-Signalquelle 28 als lokalen Oszillatoreingang nutzt. Der IQ-Demodulator gibt die Wirk- und Blindkomponente des mit dem Strommesser 32' gemessenen Stroms aus. Die Wirkkomponente gibt die ohmsche Komponente (Konduktanz) der Admittanz der parallelen Kombination aus unbekannter Admittanz und der Gleichtaktdrossel an. Die Blindkomponente gibt die nacheilende Komponente (Suszeptanz) der Admittanz der parallelen Kombination aus unbekannter Admittanz und der Gleichtaktdrossel an.
Da die Gleichtaktdrossel 16 selbst eine Admittanz aufweist, die hauptsächlich induktiv ist, muss diese Komponente aus dem die Blindkomponente enthaltenden Ausgangssignal des IQ-Demodulators eliminiert werden. Die erste Option besteht darin, dass die Induktivität der Gleichtaktdrossel von vornherein bekannt ist. Der Mikrocontroller kann dann die bekannte induktive Admittanz aus der gemessenen Gesamtadmittanz entfernen und erhält die Kapazität (Suszeptanz) der unbekannten Admittanz. Die zweite Option besteht darin, zwei aufeinander folgende Messungen bei zwei verschiedenen bekannten Frequenzen f₁ und f₂ durchzuführen, wobei die Blindkomponenten I_i1 bzw. I_i2 der bei diesen beiden Frequenzen gemessenen komplexen Ströme aufgezeichnet werden. Die folgende Gleichung ergibt dann die unbekannte Kapazität C_x:
wobei U die Amplitude der durch die Wechselstromquelle 200 erzeugten Wechselspannung ist.
Der Strommesser 32' von 8 ist vorzugsweise als ein Transimpedanzverstärker (in 8 nicht dargestellt) implementiert, der einen mit dem Oszillator wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung sowie einen mit dem ersten Knoten 21 wechselstromgekoppelten zweiten Eingang aufweist. Der Transimpedanzverstärker ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass er durch Speisen eines Stroms in den zweiten Eingang (und folglich in den ersten Knoten) die der Referenzspannung gleiche Spannung (innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs) an dem zweiten Eingangsknoten aufrechterhält und das Signal ausgibt, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den ersten Knoten gespeisten Stroms angibt. Das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers wird dem IQ-Demodulator zugeführt, der mit einem getakteten Gleichrichter implementiert sein kann, der bei den anderen Ausgestaltungen besprochen wurde.
Für bestimmte Implementierungen eines getakteten Gleichrichters wird der interessierte Leser auf die Druckschrift WO 2008/095939 verwiesen, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Verweis mit Wirkung für diejenigen Jurisdiktionen einbezogen wird, die eine Einbeziehung durch Verweis zulassen.
In 1 bis 4 und 6 ist der Schalter 14 zwischen der positiven Anschlussklemme der Energiequelle 12 und dem Heizelement 10 angeschlossen. Das Heizungsnetz würde offensichtlich auch arbeiten, wenn der Schalter 14 zwischen der negativen Anschlussklemme der Energiequelle 12 und dem Heizelement 10 angeschlossen wäre. In diesem Fall müssen allerdings einige der vorstehend beschriebenen kapazitiven Erfassungsnetze an die Arbeit mit einer geschalteten negativen Energieversorgung angepasst werden. Das Gleiche gilt dann, wenn die Wechselspannungsquelle 28 und der Referenzeingang 34 des Operationsverstärkers 32 mit dem vierten Knoten 24 statt mit dem dritten Knoten 23 wirkverbunden sind. Die erforderlichen Modifikationen sind in Anbetracht der obigen Beschreibung für den Fachmann ohne Weiteres offensichtlich und müssen nicht ausführlich erklärt werden.
Obwohl spezifische Ausgestaltungen im Detail beschrieben wurden, versteht sich allgemein für den Fachmann, dass verschiedene Modifikationen von und Alternativen zu diesen Details in Anbetracht der Gesamtlehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die offenbarten besonderen Anordnungen lediglich als Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzbereich der Erfindung einschränken, der die volle Breite der beigefügten Ansprüche und beliebiger und aller Äquivalente davon enthalten soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6161070 [0004]
US 6392542 [0004]
WO 92/17344 A1 [0005]
WO 95/13204 [0006]
US 7521940 [0007]
US 2009/0295199 [0008]
US 6703845 [0009, 0010, 0010]
WO 2008/095939 [0075, 0088]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Electric Field Sensing for Graphical Interfaces” von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60 [0003]

Claims

Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfassend ein Heizungsnetz einschließlich eines Heizelements, das zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten angeschlossen ist, um Wärme abzuführen, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom zwischen dem ersten und zweiten Knoten fließt, ein kapazitives Erfassungsnetz, das an das Heizelement angeschlossen ist, um daran ein oszillierendes Signal anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einem in das Heizelement fließenden Strom oder einer an dem Heizelement resultierenden Spannung als Reaktion auf das Anlegen des oszillierenden Signals herzuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsnetz eine Gleichtaktdrossel umfasst, die den ersten und den zweiten Knoten mit einem dritten bzw. einem vierten Knoten verbindet.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Erfassungsnetz einen Oszillator und einen Strommesser umfasst, wobei der Oszillator derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er eine oszillierende Spannung als das oszillierende Signal über den Strommesser an den ersten und/oder den zweiten Knoten anlegt, und wobei der Strommesser derart konfiguriert ist, dass er ein Signal bereitstellt, das zumindest eine Wechselstromkomponente eines in den ersten und/oder den zweiten Knoten gespeisten Stroms angibt.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 2, wobei der Strommesser einen Transimpedanzverstärker umfasst, der einen mit dem Oszillator wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung sowie einen mit dem ersten und/oder zweiten Knoten wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist, wobei der Transimpedanzverstärker derart konfiguriert ist, dass er durch Speisen eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung an dem zweiten Eingangsknoten aufrechterhält, wobei der Transimpedanzverstärker einen Ausgang zur Bereitstellung des Signals aufweist, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den ersten und/oder zweiten Knoten gespeisten Stroms angibt.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfassend ein Heizungsnetz einschließlich eines Heizelements, das zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten angeschlossen ist, um Wärme abzuführen, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom zwischen dem ersten und zweiten Knoten fließt, ein kapazitives Erfassungsnetz, das an das Heizelement angeschlossen ist, um daran eine oszillierende Spannung anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einem in das Heizelement fließenden Strom als Reaktion auf das Anlegen der oszillierenden Spannung herzuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsnetz eine Gleichtaktdrossel umfasst, die den ersten und den zweiten Knoten mit einem dritten bzw. einem vierten Knoten verbindet, und dass das kapazitive Erfassungsnetz Folgendes umfasst: einen Oszillator, welcher mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist, um die oszillierende Spannung in den mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten zu speisen; sowie einen Transimpedanzverstärker, der einen mit dem mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung sowie einen mit mindestens einem von dem ersten und zweiten Knoten wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist, wobei der Transimpedanzverstärker derart konfiguriert ist, dass er durch Speisen eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung an dem zweiten Eingangsknoten aufrechterhält, wobei der Transimpedanzverstärker einen Ausgang zur Bereitstellung eines Signals aufweist, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den zweiten Eingang gespeisten Stroms angibt.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 4, wobei das Heizungsnetz eine weitere Gleichtaktdrossel umfasst, die den dritten und den vierten Knoten mit einem fünften bzw. einem sechsten Knoten verbindet, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Heizungsnetz einen fünften und einen sechsten Knoten sowie einen ersten und einen zweiten Schalter umfasst, wobei der erste Schalter zwischen dem dritten und fünften Knoten angeschlossen ist, der zweite Schalter zwischen dem vierten und sechsten Knoten angeschlossen ist und der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der erste und zweite Knoten miteinander wechselstromgekoppelt sind und/oder wobei der dritte und vierte Knoten miteinander wechselstromgekoppelt sind und/oder der fünfte und sechste Knoten miteinander wechselstromgekoppelt sind.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der zweite Eingang des Transimpedanzverstärkers mittels eines Kopplungskondensators mit dem mindestens einen von dem ersten und zweiten Knoten wechselstromgekoppelt ist.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das kapazitive Erfassungsnetz eine Kompensationsschaltung umfasst, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers kompensiert.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 9, wobei die Kompensationsschaltung eine Rückkopplungsschleife umfasst, die derart konfiguriert ist, dass sie der oszillierenden Spannung eine Kompensationsspannung hinzufügt, um die Referenzspannung zu erzeugen.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 10, wobei die Rückkopplungsschleife einen Fehlerverstärker und ein Summiernetzwerk umfasst, wobei das Summiernetzwerk zwischen dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten, dem Fehlerverstärker und dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist, wobei der Fehlerverstärker derart konfiguriert ist, dass er die Kompensationsspannung ausgibt, wenn ein Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers vorliegt, und wobei das Summiernetzwerk derart konfiguriert ist, dass es der oszillierenden Spannung die Kompensationsspannung hinzufügt, um die Referenzspannung zu erzeugen.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 11, wobei der Fehlerverstärker einen Integrator umfasst.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Summiernetzwerk eine spannungsgesteuerte Stromquelle umfasst.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 13, wobei der Transimpedanzverstärker einen Basisschaltungsverstärker umfasst, wobei der Basisschaltungsverstärker eine Stromquelle und einen Transistor umfasst.
Sitzheizung und kapazitiver Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das kapazitive Erfassungsnetz derart konfiguriert ist, dass es nicht nur die kapazitive Last herleitet, sondern auch einen Widerstandsteil einer komplexen Impedanz zwischen dem Heizelement und Masse.
Fahrzeugsitz, umfassend eine Sitzheizung und einen kapazitiven Belegungssensor in Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15.
Fahrzeugsitz nach Anspruch 16, wobei die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination eine angesteuerte Schirmelektrode umfassen.
Fahrzeugsitz nach Anspruch 17, wobei die angesteuerte Schirmelektrode mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wirkverbunden ist.