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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lesegerät mit induktiver Kopplung, das dazu vorgesehen ist, kontaktlose integrierte Schaltkreise des Typs P1CC (Proximity Inductive Coupling Circuit) zu lesen. Nach dem Stand der Technik ist ein derartiges Lesegerät mit verschiedenen Bezeichnungen zu finden, insbesondere „PCD” (Proximity Coupling Device) gemäß dem Standard ISO/IEC 14443, „VCD” (Vicinity Coupling Device) gemäß dem Standard ISO/IEC 15693, „induktiver Koppler” in den technischen Dokumentationen etc.
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Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Lesegerät, das, zusätzlich zu einem Datenaustausch mit einem kontaktlosen Schaltkreis, in der Lage ist, mit einem anderen Lesegerät Daten auszutauschen.
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Die Verfahren der Datenübertragung zwischen Lesegeräten mit induktiver Kopplung rufen aktuell großes Interesse hervor, da sie verschiedene Anwendungsmöglichkeiten bieten und mit den klassischen drahtlosen Datenübertragungen wie Bluetooth® konkurrieren bzw. diese ergänzen können. Unter der industriellen Bezeichnung „NFC” (Near Field Communication) ist ihnen unter www.nfc-forum.org/home ein Forum gewidmet.
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Insbesondere die Lesegeräte mit induktiver Kopplung in den Mobiltelefonen oder den PDAs (persönliche digitale Assistenten) benötigen die NFC-Verfahren, um eine Datenübertragung zwischen zwei Mobiltelefonen, zwischen einem Mobiltelefon und einem PDA oder umgekehrt oder zwischen einem Telefon bzw. einem PDA und einem Lesegerät, das mit einem PC via USB-Schnittstelle verbunden ist, zu ermöglichen.
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Allerdings ist in diesen Anwendungen die Verwendung von Lesegeräten mit einem geringen Stromverbrauch von wesentlicher Bedeutung, da ein eingebettetes Lesegerät die durch die Batterie des Mobiltelefons bzw. des PDAs bereitgestellte Energie verwendet, und diese sollte bestmöglich erhalten werden.
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Das europäische Patent
EP 1 327 222 im Namen der Anmelderin beschreibt ein Verfahren der Datenübertragung zwischen zwei Lesegeräten, von denen sich eins im Passivmodus befindet und sich durch einen geringen Stromverbrauch auszeichnet. Dieses Verfahren mit der Bezeichnung eNFC („enhanced NFC”) ermöglicht den Datentransfer zwischen einem Lesegerät im Passivmodus und einem Lesegerät im Aktivmodus oder umgekehrt. Das Lesegerät im Aktivmodus sendet bei einer Betriebsfrequenz F0, z. B. 13,56 MHz, ein oszillierendes Magnetfeld aus, während das Lesegerät im Passivmodus prinzipiell kein Magnetfeld aussendet (mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Situation, in der Impulse eines Trägersignals ausgesendet werden).
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Eine klassische Architektur des Lesegeräts RDPA1 mit zwei Funktionsmodi, aktiv und passiv, wird in der 1A dargestellt. Das Lesegerät RDPA1 umfasst die folgenden Elemente:
- – eine Steuerschaltung CCT,
- – eine Antennenschaltung ACT, umfassend zwei Eingangsanschlüsse A, B, Kondensatoren C1a, C1b, C2a, C2b und eine Antennenspule L1 mit zwei Anschlüssen C, D,
- – zwei Tiefpassfilter FLTa, FLTb des Typs EMC (EMC = Elektromagnetische Verträglichkeit), die in der Antennenschaltung ACT integriert sind, eine mit den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung verbundene Senderschaltung EMCT,
- – eine Demodulationsschaltung DEMCT und einer Extraktionstaktschaltung CKCT, die über einen Bandpassfilter DFLT mit der Antennenschaltung verbunden sind, und
- – eine mit den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung ACT verbundene Schaltung zur Simulation der Lastmodulation umfassend einen Schalter SW1m in Serie mit einem Lastwiderstand Rlm,
- – einen Oszillator CGEN, der die Schaltung EMCT mit einem Trägersignal CF0 bzw. dem „Träger” CF0 mit einer Frequenz F0 (Betriebsfrequenz des Lesegeräts, im Allgemeinen 13,56 MHz) speist, und
- – eine Hauptstromversorgungsquelle MPS, die eine Spannung Vcc bereitstellt, wodurch die Stromversorgung der verschiedenen Elemente des Lesegeräts gewährleistet ist, z. B. eine Batterie oder ein Transformator, der am Stromnetz angeschlossen ist.
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Die Antennenschaltung ACT ist symmetrisch und weist folgende Struktur auf:
- – die Antennenspule L1 weist einen Mittelpunkt MP auf, der mit der Masse verbunden ist,
- – ein Kondensatoranschluss C1a ist am Anschluss C der Antennenspule L1 angeschlossen und der andere Anschluss des Kondensators ist mit dem Anschluss A der Antennenschaltung über den Filter FLTa verbunden;
- – ein Anschluss des Kondensators C1b ist mit dem Anschluss D der Antennenspule L1 verbunden und der andere Anschluss des Kondensators ist mit dem Anschluss B der Antennenschaltung über den Filter FLTb verbunden,
- – ein Anschluss des Kondensators C2a ist mit dem Anschluss C der Antennenspule L1 verbunden und der andere Anschluss des Kondensators ist mit der Masse des Lesegeräts verbunden,
- – ein Anschluss des Kondensators C2b ist mit dem Anschluss D der Antennenspule L1 verbunden und der andere Anschluss des Kondensators ist mit der Masse verbunden.
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Die Umschaltung vom Aktiv- zum Passivmodus oder umgekehrt wird durch die Schaltung CCT gesteuert, z. B. mittels eines Flag, das in einem Zustandsregister aufgeführt wird (nicht dargestellt). Die Eigenschaften dieser zwei Funktionsmodi, welche beide sowohl Phasen der Datenaussendung als auch Phasen des Datenempfangs umfassen, werden kurz dargelegt.
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Aktiver Funktionsmodus
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Die Schaltung CCT aktiviert den Oszillator CGEN und die Senderschaltung EMCT. Die Schaltung EMCT legt an die Antennenschaltung ACT ein Steuersignal SX an, das den Träger CF0 enthält, welcher durch den Oszillator CGEN bereitgestellt wird.
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Das Signal SX ist hier bedingt durch die symmetrische Struktur der Antennenschaltung in zwei Komponenten SXa, SXb in entgegengesetzter Phase unterteilt. Ein alternierendes Antennensignal (Wechselsignal) SA tritt an den Anschlüssen der Antennenspule L1 auf und diese sendet ein oszillierendes Magnetfeld FLD1 bei einer Frequenz F0 aus.
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Datensendung im Aktivmodus
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Die Datensendung im Aktivmodus ermöglicht dem Lesegerät RDPA1 die Übermittlung von Daten DTx an einen passiven kontaktlosen integrierten Schaltkreis oder an ein Lesegerät RDPA2 (siehe ), das sich im Passivmodus befindet. Zu diesem Zweck legt die Schaltung CCT die Daten DTx an die Schaltung EMCT an, und diese moduliert die Amplitude des Signals SX entsprechend dieser Daten. Die Amplitudenmodulation überträgt sich auf das Antennensignal SA und auf das ausgesendete Magnetfeld FLD1 und wird durch das Lesegerät RDPA2 erfasst.
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Datenempfang im Aktivmodus
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Der Datenempfang im Aktivmodus ermöglicht dem Lesegerät RDPA1 Daten DTr zu empfangen, die mittels Lastmodulation über einen kontaktlosen integrierten Schaltkreis oder über das Lesegerät RDPA2 im Passivmodus übermittelt wurden. Zu diesem Zweck moduliert das Lesegerät RDPA2 die Impedanz seiner Antennenschaltung, um eine Lastmodulation zu simulieren, welche über einen kontaktlosen integrierten Schaltkreis erfolgt. Die Lastmodulation wirkt sich auf die Antennenschaltung ACT des Lesegeräts RDPA1 aus und es tritt ein Lastmodulationssignal SM in der Antennenspule L1 in Form einer Modulation der Hüllkurve des Antennensignals SA auf. Das Signal SM wird mittels des Bandpassfilters DFLT aus dem Antennensignal SA extrahiert und durch die Schaltung DEMCT demoduliert, welche die empfangenen Daten DTr an die Schaltung CCT liefert.
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Passiver Funktionsmodus
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Die Schaltung CCT deaktiviert die Senderschaltung EMCT und den Oszillator CGEN. Das Lesegerät RDPA2 wird in den Aktivmodus gesetzt, so dass die Antennenspule L2 von diesem Lesegerät ein Magnetfeld FLD2 aussendet. Das Magnetfeld FLD2 lässt in der Antennenspule L1 des Lesegeräts RDPA1 ein Antennensignal SA auftreten. Dieses Antennensignal erhält der Einfachheit halber das gleiche Bezugszeichen, wie das Antennensignal im Aktivmodus, obwohl es hier durch die induktive Kopplung zwischen den Antennenspulen L1 und L2 erzeugt wird. Das Taktsignal CK des Lesegeräts wird durch die Schaltung CKCT (sogenannter „vollkommen passiver” Funktionsmodus) aus dem Antennensignal SA extrahiert oder durch einen selbständigen Oszillator (nicht dargestellt) bereitgestellt, welcher von einer lokalen Spannungsquelle gespeist wird (sogenannter „passiver” Funktionsmodus).
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Datenempfang im Passivmodus
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Der Datenempfang im Passivmodus ermöglicht dem Lesegerät RDPA1 Daten DTr zu empfangen, die das Lesegerät RDPA2 mittels Modulation der Amplitude des Magnetfelds FLD2 sendet. Diese Amplitudenmodulation bildet, wie beim Datenempfang im Aktivmodus, ein Signal SM der Modulation der Hüllkurve des Antennensignals SA. Das Signal SM wird aus dem Antennensignal SA durch die Schaltung DEMCT extrahiert, wobei diese Schaltung die Extraktion des Lastmodulationssignals SM, das im Aktivmodus empfangen wird, und des Signals der Amplitudenmodulation SM im Passivmodus ermöglicht, wobei die Extraktion in beiden Fällen eine Demodulation der Hüllkurve des Antennensignals umfasst.
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Datensendung im Passivmodus
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Die Sendung von Daten im Passivmodus ermöglicht dem Lesegerät RDPA1 die Übermittlung von Daten DTx an das Lesegerät RDPA2. Zu diesem Zweck legt die Schaltung CCT an den Schalter SWIm ein Steuersignal der Lastmodulation SIm an, welches die Daten DTx umfasst. Um eine Lastmodulation, die über eine kontaktlose integrierte Schaltung erfolgt, zu simulieren, wird das Signal Slm gemäß den geltenden Standards für kontaktlose integrierte Schaltungen moduliert, z. B. mittels eines Hilfsträgers, dessen Frequenz ein Untervielfaches der Betriebsfrequenz F0 ist (üblicherweise 847 KHz oder 424 KHz). Der Hilfsträger wird mittels des Taktsignals CK über die in der Schaltung CCT vorgesehenen Frequenzteilerschaltungen bereitgestellt.
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Ein derartiges Lesegerät mit induktiver Kopplung verfügt über den Vorteil, ohne Aussendung eines Magnetfelds und folglich mit einem geringen Energieverbrauch, mit anderen Lesegeräten im Passivmodus Daten austauschen zu können.
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Obwohl das Lesegerät RDPA1 unbedingt im Aktivmodus gesetzt werden muss, wenn es mit einer kontaktlosen integrierten Schaltung Daten austauscht (z. B. beim Lesen einer elektronischen Visitenkarte), wird es vorzugsweise in den Passivmodus gesetzt, wenn es Daten an das Lesegerät RDPA2 überträgt, sofern die elektrische Energie, über die letzteres verfügt, unbegrenzt ist (z. B. wenn das Lesegerät RDPA2 ein am Desktopcomputer verbundenes Lesegerät ist und durch diesen gespeist wird), wobei das Lesegerät RDPA2 sodann in den Aktivmodus gesetzt wird.
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Der Stromverbrauch eines derartigen Lesegeräts im Passivmodus, obgleich er gering ist, limitiert die Nutzungsdauer einer Mobiltelefon- oder PDA-Batterie.
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Um diesen Nachteil auszugleichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Lesegerät zur Verfügung, das im passiven Funktionsmodus in der Lage ist, mittels induktiver Kopplung einen Teil der durch das Lesegerät im Aktivmodus, mit dem es Daten austauscht, ausgesendeten Energie zu empfangen.
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Eine eigens für den Empfang der Energie gedachte Spule kann zu diesem Zweck vorgesehen werden. Dennoch ist der Einbau dieser speziellen Antennenspule in ein Lesegerät eine kostenintensive Lösung und deren Einbettung in ein Mobiltelefon oder ein PDA zieht verschiedene technische Probleme nach sich.
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Infolgedessen schlägt die vorliegende Erfindung vor, die elektrische Energie direkt in der Antennenschaltung des Lesegeräts zu extrahieren, ohne eine spezielle Antennenspule zu verwenden.
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Insbesondere sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um eine elektrische Versorgungsspannung einem Lesegerät mit kontaktloser integrierter Schaltung, das sich bei Vorhandensein eines externen alternativen Magnetfeldes im passiven Funktionsmodus befindet, bereitzustellen,, wobei das Lesegerät eine Antennenschaltung umfasst, umfassend mindestens einen Eingangsanschluss, mindestens einen Kondensator und eine Antennenspule mit zwei Endanschlüssen, wobei die Antennenschaltung im Wesentlichen auf eine Betriebsfrequenz abgestimmt ist und von ihrem Eingangsanschluss aus gesehen und bei der Betriebsfrequenz eine erste Impedanz aufweist; wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, der darin besteht, in der Antennenschaltung eine Wechselspannung abzugreifen, die mittels des externen Magnetfeldes in die Antennenschaltung induziert wird, und einen Schritt umfasst, der darin besteht, die induzierte Spannung gleichzurichten, um eine Hilfsversorgungsspannung bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte, die darin bestehen, am Eingangsanschluss der Antennenschaltung ein Steuersignal anzulegen, das als Defaultwert ein elektrisches Potential aufweist, so dass die Antennenschaltung einen Punkt mit einer höheren Impedanz aufweist, an dem die Impedanz höher als die erste Impedanz ist und die Wechselspannung an dem Punkt mit der höheren Impedanz abgegriffen wird, ohne den Eingangsanschluss zu passieren.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Wechselspannung von mindestens einem Anschluss der Antennenspule abgegriffen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Wechselspannung ohne Begrenzung der induzierten Wechselspannung gleichgerichtet.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Wechselspannung von einem der Endanschlüsse der Spule abgegriffen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Wechselspannung an einem Anschluss der Antennenspule, der sich nicht am Spulenende befindet, und einen Teilerpunkt der induzierten Wechselspannung darstellt, abgegriffen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Hilfsversorgungsspannung während einer Phase des Datenempfangs des Lesegeräts im passiven Funktionsmodus bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Hilfsversorgungsspannung auch während einer Phase der Datensendung des Lesegeräts im passiven Funktionsmodus bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren bei einem Lesegerät angewendet, das eine interne elektrische Versorgungsleitung umfasst, welche an eine Hauptversorgungsquelle angeschlossen ist und eine Hauptversorgungsspannung bereitstellt und ferner die Bereitstellung der Hilfsversorgungsspannung in die interne Versorgungsleitung und die Blockierung der Hauptversorgungsspannung umfasst, wenn die Hilfsversorgungsspannung in die interne Versorgungsleitung eingespeist wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrische Defaultpotential des Steuersignals das hochohmige Potential, oder das Potenzial 0, in Übereinstimmung mit dem Massepotential des Lesegeräts.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, der darin besteht, das Steuersignal, zusätzlich zum elektrischen Defaultpotential, in ein zweites elektrisches Potential umzuschalten, um eine Modifikation der Impedanz der Antennenschaltung zu bewirken, um in der Antennenspule eines anderen Lesegeräts eine Lastmodulation zu bewirken, und Daten im Passivmodus mittels der Antennenschaltung auszusenden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Steuersignal im Passivmodus eine der folgenden Zustandskombinationen auf: 1) als Defaultwert das Potential 0 und das hochohmige Potential, um eine Lastmodulation zu simulieren; 2) als Defaultwert das hochohmige Potential und das Potential 0, um eine Lastmodulation zu simulieren; 3) als Defaultwert das Potential 0 und eine Gleichspannung, um eine Lastmodulation zu simulieren; 4) als Defaultwert das hochohmige Potential und eine Gleichspannung, um eine Lastmodulation zu simulieren; 5) als Defaultwert das Potential 0 und ein oszillierendes elektrisches Signal, um eine Lastmodulation zu simulieren; 6) als Defaultwert das hochohmige Potential und ein oszillierendes elektrisches Signal, um eine Lastmodulation zu simulieren.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Lesegerät mit induktiver Kopplung, das einen aktiven Funktionsmodus und einen passiven Funktionsmodus aufweist, umfassend: eine Antennenschaltung, die im Wesentlichen auf eine Betriebsfrequenz abgestimmt ist, umfassend mindestens einen Eingangsanschluss, mindestens einen Kondensator und eine Antennenspule mit zwei Endanschlüssen, wobei der Kondensator und die Spule so ausgewählt sind, dass die Antennenschaltung im Wesentlichen auf eine Betriebsfrequenz abgestimmt ist und bei der Betriebsfrequenz und vom Eingangsanschluss aus gesehen eine erste Impedanz aufweist; eine Senderschaltung, um am Eingangsanschluss der Antennenschaltung bei aktivem Funktionsmodus des Lesegeräts und bei der Betriebsfrequenz ein oszillierendes Erregungssignal anzulegen, so dass die Antennenspule ein Magnetfeld aussendet, und das Erregungssignal moduliert, um Daten zu übermitteln; eine Hilfsversorgungsschaltung, die mit der Antennenschaltung verbunden und eingerichtet ist, um eine Hilfsversorgungsspannung dem Lesegerät aus einer durch ein externes Magnetfeld in die Antennenschaltung induzierte Wechselspannung bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Lesegerät eine Schaltung, um am Eingangsanschluss der Antennenschaltung bei passivem Funktionsmodus ein Steuersignal anzulegen, das als Defaultwert ein elektrisches Potential aufweist, so dass die Antennenschaltung einen Punkt mit einer höheren Impedanz aufweist, an dem die Impedanz höher als die erste Impedanz ist und die Hilfsversorgungsschaltung mit dem Punkt mit der höheren Impedanz verbunden ist, ohne den Eingangsanschluss der Antennenschaltung zu passieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Hilfsversorgungsschaltung mit mindestens einem Anschluss der Antennenspule verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Hilfsversorgungsschaltung eine Eingangsstufe ohne Diode zur Begrenzung der induzierten Wechselspannung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Hilfsversorgungsschaltung mit einem der Endanschlüsse der Spule verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsart ist die Hilfsversorgungsschaltung mit einem Anschluss der Spule verbunden, der sich nicht am Spulenende befindet und einen Teilerpunkt der induzierten Wechselspannung darstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Hilfsversorgungsschaltung mindestens eine Diode zur Gleichrichtung der Wechselspannung und einen Kondensator zur Tiefpassfilterung der gleichgerichteten Spannung.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Hilfsversorgungsschaltung die Hilfsversorgungsspannung während einer Phase des Datenempfangs im passiven Funktionsmodus bereit.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Hilfsversorgungsschaltung überdies die Hilfsversorgungsspannung während einer Phase der Datensendung im passiven Funktionsmodus bereit.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Lesegerät eine interne elektrische Versorgungsleitung, die einerseits mit einer Hauptversorgungsquelle und andererseits mit der Hilfsversorgungsschaltung verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die interne Versorgungsleitung mit der Hauptversorgungsquelle und der Hilfsversorgungsschaltung mittels einer Schaltung verbunden, die eine Spannung blockiert, welche von der Hauptversorgungsquelle ausgegeben wird, wenn die Hilfsversorgungsspannung vorhanden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das standardmäßige elektrische Potential des Steuersignals das hochohmige Potential oder das Potential 0 in Übereinstimmung mit dem Massepotential des Lesegeräts.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Lesegerät eine Schaltung, um das Steuersignal, zusätzlich zum standardmäßigen elektrischen Potential, auf ein zweites elektrisches Potential umzuschalten, um eine Modifikation der Impedanz der Antennenschaltung bei der Betriebsfrequenz zu bewirken und Daten im passiven Funktionsmodus zu übermitteln.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Steuersignal im Passivmodus eine der folgenden Zustandskombinationen: 1) als Defaultwert das Potential 0 und das hochohmige Potential, um eine Lastmodulation zu simulieren; 2) als Defaultwert das hochohmige Potential und das Potential 0, um eine Lastmodulation zu simulieren; 3) als Defaultwert das Potential 0 und eine Gleichspannung, um eine Lastmodulation zu simulieren; 4) als Defaultwert das hochohmige Potential und eine Gleichspannung, um eine Lastmodulation zu simulieren; 5) als Defaultwert das Potential 0 und ein oszillierendes elektrisches Signal, um eine Lastmodulation zu simulieren; 6) als Defaultwert das hochohmige Potential und ein oszillierendes elektrisches Signal, um eine Lastmodulation zu simulieren.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Senderschaltung das Steuersignal, das am Eingangsanschluss der Antennenschaltung im passiven Funktionsmodus angelegt wird, bereit.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Steuersignal über die Senderschaltung auf das zweite elektrische Potential umgeschaltet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine tragbare elektronische Vorrichtung, umfassend Mittel zur Verarbeitung von Daten und eine aufladbare Batterie, insbesondere ein Mobiltelefon oder ein PDA, umfassend ein Lesegerät gemäß dieser Erfindung.
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Gemäß einer Ausführungsform der tragbaren elektronischen Vorrichtung wird das Lesegerät im aktiven Funktionsmodus durch die Batterie der tragbaren Vorrichtung gespeist und im passiven Funktionsmodus durch die Hilfsversorgungsschaltung eigenversorgt.
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Diese Gegenstände, Eigenschaften und Vorteile sowie sonstige Themen der vorliegenden Erfindung werden ausführlicher in der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens gemäß dieser Erfindung sowie mittels eines Ausführungsbeispiels eines Lesegeräts mit induktiver Kopplung gemäß dieser Erfindung, ohne jegliche Einschränkung hierauf, dargelegt, einschließlich beigefügter Abbildungen, von denen:
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die 1A den Aufbau eines klassischen Lesegeräts mit induktiver Kopplung darstellt;
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die 1B das Lesegerät der darstellt, welches mit einem Mittel zum Empfangen der elektrischen Energie mittels induktiver Kopplung ausgestattet ist;
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die 2A, 2B, 2C ein Verfahren gemäß der Erfindung veranschaulichen, nach dem ein Lesegerät zum Empfangen der elektrischen Energie mittels induktiver Kopplung sowohl Daten empfangen als auch übermitteln kann, wobei das Verfahren hier auf eine symmetrische Antennenschaltung angewendet wurde;
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die 3A, 3B Ersatzschaltbilder der Antennenschaltung gemäß den in den 2A bis 2C veranschaulichten Konfigurationen sind;
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die 4 das gleiche Verfahren veranschaulicht, das auf eine unsymmetrische Antennenschaltung angewendet wurde;
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die 5A, 5B, 5C verschiedene Ausführungsformen einer Hilfsversorgungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten;
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die 6 einen allgemeinen Aufbau eines Lesegeräts mit induktiver Kopplung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
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die 7 den Aufbau eines Anschlusses einer Senderschaltung, die dem Lesegerät in zu entnehmen ist, darstellt;
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die 8A, 8B, 8C Signale darstellen, die im Lesegerät der 6 erscheinen, wenn dieses Daten im Passivmodus sendet; und
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die 9A, 9B, 9C Signale darstellen, die in einem Lesegerät im Aktivmodus, welches mit einem Lesegerät der 6 verbunden ist, mittels induktiver Kopplung auftreten.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird elektrische Energie direkt in der Antennenschaltung eines Lesegeräts mit induktiver Kopplung extrahiert, ohne das Lesegerät mit einer zusätzlichen Spule ausstatten zu müssen.
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Die 1B zeigt die Umsetzung von diesem Aspekt der Erfindung in das Lesegerät RDPA1, das weiter oben in Zusammenhang mit der 1A beschrieben wird. Der allgemeine Aufbau des Lesegeräts RDPA1 ist unverändert und die gleichen Elemente sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Antennenschaltung ACT umfasst zwischen ihren Eingangsanschlüssen A und B die Spule L1, deren Mittelpunkt MP mit der Masse GND verbunden ist, die Kondensatoren C1a, C1b, C2a, C2b und die Filter FLTa, FLTb. Der Filter FLTa umfasst beispielsweise eine Spule 10a, die zwischen dem Anschluss A und dem Kondensator C1a angeschlossen ist, und einen Kondensator 11, der zwischen dem Kondensator C1a und der Masse angeschlossen ist. Der Filter FLTb ist identisch mit dem Filter FLTa und umfasst eine Spule 10b, die zwischen dem Anschluss B und dem Kondensator C1b angeschlossen ist, und einen Kondensator 11b, der zwischen dem Kondensator C1b und der Masse angeschlossen ist.
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Die Antennenschaltung ACT ist im herkömmlichen Sinne ein Resonanzkreis, der in etwa auf die Betriebsfrequenz F0 abgestimmt ist, wobei „etwa” eine Genauigkeit von einigen Hundert KHz bedeutet, z. B. mit einem Versatz der Größenordnung von 0 bis Fsc, relativ nah an der Frequenz F0, wobei Fsc die Frequenz eines Hilfsträgers ist, der für die Lastmodulation verwendet wird, z. B. 847 KHz. Die Bereitstellung eines derartigen Versatzes liegt im Bereich des Wissens eines Fachmanns und dient lediglich der Optimierung des Empfangs des Hilfsträgers im Aktivmodus.
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Gemäß der Erfindung sind folgende Elemente im Lesegerät RDPA1 umfasst:
- – zwei Schalter SW1a, SW1b zwischen den Ausgängen der Senderschaltung EMCT und den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung,
- – eine Gleichrichterbrücke Pd mit Dioden, umfassend einen Glättungskondensator Cs am Ausgang und
- – zwei Schalter SW2a, SW2b, welche die Eingänge der Gleichrichterbrücke mit den Anschlüssen A und B der Antennenschaltung verbinden.
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Wenn das Lesegerät RDPA1 im aktiven Funktionsmodus ist, schließt folglich die Steuerschaltung CCT die Schalter SW1a, SW1b und öffnet die Schalter SW2a, SW2b. Die Schaltung EMCT ist mit den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung ACT verbunden und legt an diese das Steuersignal SX an, welches den Träger CF0 umfasst und in zwei Komponenten SXa, SXb unterteilt ist.
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Im passiven Funktionsmodus deaktiviert die Schaltung CCT die Schaltung EMCT und den Oszillator CGEN, öffnet die Schalter SW1a, SW1b und schließt die Schalter SW2b, SW2b. Auf diese Weise wird der Gleichrichter Pd an den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung angeschlossen. Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes FLD2, das durch ein anderes Lesegerät RDPA2 ausgesendet wird, empfängt der Gleichrichter Pd eine Wechselspannung Vab, welche einerseits von der Spannung Vcd des Antennensignals SA abhängt, das wiederum in die Spule L1 induziert wird, d. h. die Spannung, die zwischen dem Anschluss C der Spule L1 und dem Mittelpunkt MP auftritt (diese Spannung tritt auch zwischen dem Anschluss D der Spule und dem Mittelpunkt MP auf), und andererseits von der Impedanz der Antennenschaltung, von den Anschlüssen A, B aus gesehen, abhängt. Der Gleichrichter Pd stellt dann eine Hilfsversorgungsspannung Vccr durch Gleichrichtung der Spannung Vab bereit.
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Das Taktsignal CK des Lesegeräts wird aus dem Antennensignal SA über die Schaltung CKCT extrahiert oder wird durch einen selbständigen Oszillator (nicht dargestellt) bereitgestellt, der gegebenenfalls durch die Spannung Vccr gespeist wird.
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Obwohl im Prinzip das Ziel der Erfindung erfüllt wird, beinhaltet diese Art des Empfangs der elektrischen Energie mittels induktiver Kopplung einen Nachteil. In der Tat ist die Antennenschaltung ACT im Allgemeinen dazu vorgesehen, einen hohen Qualitätsstandard zu bieten und eine geringe Impedanz bei der Betriebsfrequenz F0 zu gewährleisten, in der Regel lediglich einige zehn Ohm, so dass das Magnetfeld FLD1 im Aktivmodus sendet, d. h. eine maximale Amplitude in Reaktion auf das Steuersignal SX, das durch die Schaltung EMCT geliefert wird. Dieser geringe Wert der Impedanz der Antennenschaltung läuft einem guten Empfang der elektrischen Energie, die zum Teil in der Antennenschaltung verbraucht wird, zuwider, so dass der Strom, der durch die Hilfsversorgungsschaltung bereitgestellt werden kann, zu gering ist.
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Unter diesen Umständen kann die Hilfsspannung Vccr nicht dazu genutzt werden, um das Lesegerät RDPA1 direkt zu speisen. Sie ermöglicht lediglich, dass die Hauptversorgungsquelle MPS, sofern diese eine Batterie ist, teilweise wiederaufgeladen wird oder dass die Notstrombatterie langsam aufgeladen wird.
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Der Fachmann wird erkennen, dass dieser Nachteil nicht aufgehoben werden kann, indem der Antennenschaltung eine hohe Impedanz bei Betriebsfrequenz F0 verliehen wird, da die Hauptfunktion des Lesegeräts darin besteht, passive kontaktlose integrierte Schaltungen zu lesen, und die Optimierung seines Betriebs im Aktivmodus ist vorzuziehen.
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Daher strebt die vorliegende Erfindung überdies ein Verfahren an, das die Extraktion der elektrischen Energie aus der Antennenschaltung mit einer guten Gewinn ermöglicht, ohne dass die Impedanz der Antennenschaltung bei der Betriebsfrequenz modifiziert werden muss.
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Zu diesem Zweck beruht die vorliegende Erfindung zunächst auf der Lehre des (o. g.) europäischen Patents
EP 1 327 222 , gemäß dem ein Lesegerät im Passivmodus Daten an ein anderes Lesegerät übermitteln kann, indem es ein Steuersignal mit zwei Zuständen an die Eingangsanschlüsse A, B seiner Antennenschaltung anlegen kann. Ein solches Signal mit zwei Zuständen ermöglicht die Simulation einer Lastmodulation, welche durch eine kontaktlose integrierte Schaltung erfolgt. Gemäß dem Patent
EP 1 327 222 können die Zustände (Werte), die an den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung angelegt werden, z. B. wie folgt lauten:
- – 0 (Masse des Lesegeräts),
- – HZ (hochohmig),
- – „1” entspricht einer Gleichspannung Vcc, oder
- – einem Impuls des Trägers CF0.
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Die Erfindung beruht dann auf der Feststellung, dass einige dieser Zustände, insbesondere die elektrischen Potentiale 0 und HZ, eine Erhöhung der Impedanz der Antennenschaltung an bestimmten Punkten der Antennenschaltung, insbesondere an den Anschlüssen C, D der Antennenspule, bewirken.
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Da eine höhere Impedanz folglich Sicherheit für einen besseren Empfang der elektrischen Energie mittels induktiver Kopplung bietet, sieht die vorliegende Erfindung vor:
- 1) einen dieser Zustände oder der elektrischen Potentiale an den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung anzulegen, und
- 2) die Hilfsversorgungsspannung Vccr aus einer Wechselspannung zu generieren, welche in einem Punkt mit höherer Impedanz der Antennenschaltung abgegriffen wird, vorzugsweise aus der Spannung Vcd, die von den Anschlüssen C und/oder D der Antennenspule L1 abgegriffen wird, anstatt die Spannung Vccr aus der Spannung Vab, die an den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung vorhanden ist, zu generieren.
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Das Verfahren gemäß dieser Erfindung umfasst somit folgende Handlungen:
- – wenn das Lesegerät RD1 im Passivmodus und in der Phase der Datenerwartung bzw. des Datenempfangs ist, wird an den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung der Defaultwert angelegt, welcher als das für einen guten Energieempfang günstigste elektrische Potential definiert wird, z. B. das Potential 0 oder HZ,
- – wenn das Lesegerät in der Phase der Datenaussendung im Passivmodus ist, umschalten von dem Defaultwert auf einen anderen Wert, um eine Lastmodulation zu simulieren.
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Der Wert, der die Simulation einer Lastmodulation erlaubt, ist vorzugsweise das elektrische Potential HZ, wenn das elektrische Potential 0 der Defaultwert ist oder das elektrische Potential 0, wenn das elektrische Potential HZ der Defaultwert ist.
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Der Wert „1” oder das elektrische Potential Vcc kann überdies dazu verwendet werden, um eine Lastmodulation zu simulieren, und zwar in Verbindung mit dem Defaultwert 0 oder HZ, unter Vorsehung kurzfristiger Impulse der Spannung Vcc. Folglich, wenn die Simulation der Lastmodulation durch einen Hilfsträger von 847 KHz getaktet wird, entspricht die Dauer der Impulse der Simulation der Lastmodulation R·1/847·103 ms, wobei R das Tastverhältnis der Impulse ist, d. h. 0,59 ms, wenn die Impulse ein Tastverhältnis von 0,5 aufweisen und 0,3 ms, wenn diese Impulse ein Tastverhältnis von 0,25 aufweisen.
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Darüber hinaus schließt die Erfindung die Verwendung des Werts mit der Bezeichnung „Impulspakete des Trägers” nicht aus, um eine Lastmodulation zu simulieren, und zwar in Verbindung mit dem Potential 0 oder HZ als Defaultwert, vorausgesetzt, dass das Lesegerät mit einem hochwertigen Glättungskondensator ausgestattet ist, der in der Lage ist, eine Änderung des Energieempfangs während der Perioden, in denen die Impulspakete des Trägers ausgegeben werden, auszugleichen (dieser Punkt wird nachstehend erörtert).
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Kurz gefasst, sind die in Betracht zu ziehenden Kombinationen der Werte folgende (wobei der erste Zustand in jeder Kombination der Defaultwert ist):
- – Kombination 1: {0, HZ},
- – Kombination 2: {HZ, 0},
- – Kombination 3: {0, 1},
- – Kombination 4: {Hz, 1},
- – Kombination 5: {0, „Impulspakete des Trägers CF0”},
- – Kombination 6: {HZ, „Impulspakete des Trägers CF0”}.
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Die 2A, 2B, 2C veranschaulichen jeweils die Umsetzung der Kombinationen 1, 3 und 5. Diese Figuren stellen die bereits beschriebene Antennenschaltung ACT und eine Hilfsversorgungsschaltung APS gemäß der Erfindung dar. Hier wird vorausgesetzt, dass die Antennenschaltung ACT und die Hilfsversorgungsschaltung APS Elemente eines Lesegeräts RD1 sind und durch die Spannung Vcc gespeist werden, deren sonstigen Elemente nicht dargestellt werden und nachstehend in Zusammenhang mit der 6 beschrieben werden.
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Die Hilfsversorgungsschaltung APS umfasst einen ersten Eingang, der an einem der Anschlüsse C, D der Antennenspule L1, hier der Anschluss C, angeschlossen ist und einen zweiten Eingang, der mit der Masse GND verbunden ist. Die Anschlüsse A, B der Antennenschaltung erhalten ein Steuersignal SX1 gemäß der Erfindung, welches hier zwei Komponenten SX1a, SX1b umfasst. Das Umschalten der Komponenten SX1a, SX1b von einem Wert zum anderen, ist anhand der zwei Schalter CSWa, CSWb, von denen jeder über einen Ausgang und zwei Eingänge verfügt, schematisch dargestellt: Der erste und zweite Eingang der einzelnen Schalter CSWa, CSWb erhalten einen der zwei Werte bzw. elektrischen Potentiale des Steuersignals SX1, während der Ausgang des Schalters SCWa am Anschluss A der Antennenschaltung und der Ausgang des Schalters CSWb am Anschluss B der Antennenschaltung ACT angeschlossen ist.
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Bei Vorhandensein eines externen Magnetfeldes FLD2, das durch die Antennenspule L2 eines Lesegeräts RD2 ausgesendet wird, tritt ein alternierendes Antennensignal SA1 der Spannung Vcd in der Spule L1 mittels induktiver Kopplung zwischen dem Anschluss C der Antennenspule L1 und dem Mittelpunkt MP oder der Masse GND (sowie zwischen dem Anschluss D und dem Mittelpunkt) auf. Somit erhält der Eingang der Schaltung APS die Spannung Vcd und stellt die Hilfsversorgungsspannung Vccr mittels Gleichrichtung der Spannung Vcd bereit.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel in 2A erhält der erste Eingang eines jeden Schalters CSWa, CSWb das Potential 0 (wobei die Eingänge mit der Masse verbunden sind) und der zweite Eingang eines jeden Schalters CSWa, CSWb erhält das Potential HZ (Eingänge in offener Schaltung), so dass das Steuersignal SX1 vom elektrischen Defaultpotential 0 zum elektrischen Potential HZ umschaltet, wenn ein Impuls der Simulation der Lastmodulation an das Lesegerät RD2 ausgesendet werden muss.
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Wenn das Signal SX1 bei 0 (SX1a = SX1b = 0) ist, sind die Anschlüsse A und B mit der Masse verbunden. Das Ersatzschaltbild ACTEQ1 der Antennenschaltung in dieser Konfiguration ist der 3A zu entnehmen. Dieses Ersatzschaltbild ist das Schaltbild der Halbschaltungen der unsymmetrischen Antenne, die lediglich die Hälfte der Antennenspule L1 („L1/2” bezeichnet, d. h. der Teil der Spule erstreckt sich zwischen dem Punkt C und dem Mittelpunkt MP), die Kondensatoren C1a und C2a und den Filter FLTa umfasst, der wiederum die Spule 10a und den Kondensator 11a umfasst.
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Wenn das Signal SX1 den Wert HZ (SX1a = SX1b = HZ) aufweist, sind die Anschlüsse A und B ein offener Schaltkreis. Das Ersatzschaltbild ACTEQ2 der Antennenschaltung ist der 3B zu entnehmen. Wie im vorhergehenden Fall entspricht dieses Ersatzschaltbild dem Schaltbild der Halbschaltung der äquivalenten unsymmetrischen Antenne.
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Wie dem Fachmann ersichtlich sein wird, weist die Antennenschaltung in der einen oder der anderen Konfiguration (ACTEQ1 oder ACTEQ2) bei der Betriebsfrequenz F0 eine höhere Impedanz auf als die Impedanz der gleichen Antennenschaltung von den Anschlüssen A oder B aus gesehen. In der Tat ist die Antennenschaltung von den Anschlüssen A oder B aus gesehen eine LC Serien/Parallelschaltung, wohingegen die Antennenschaltung von den Anschlüssen C oder D aus gesehen in den Konfigurationen ACTEQ1 und ACTEQ2 eine LC Parallelschaltung ist. Insbesondere:
- 1) ist in der Konfiguration ACTEQ1 die Spule L1 parallel geschaltet mit dem Kondensator C2a und mit einer Impedanz EZ1. Diese Impedanz EZ1 wird durch den Kondensator C1a in Serie mit einer Impedanz EZ2 gebildet. Die Impedanz EZ2 wird durch den Kondensator 11a des Filters FLTa und der parallel geschalteten Spule 10a des Filters FLTa gebildet (da das Ende der Spule 10a mit dem Anschluss A der Antennenschaltung verbunden ist, der wiederum mit der Masse verbunden ist);
- 2) ist in der Konfiguration ACTEQ2 die Spule L1 parallel geschaltet mit dem Kondensator C2a sowie mit einer Impedanz EZ1'. Diese Impedanz EZ1' wird durch den Kondensator C1 in Serie mit dem Kondensator 11 des Filters FLTa gebildet (das Ende der Spule 10a ist mit dem Anschluss A, der offen ist, verbunden, die Spule 10a bleibt unberücksichtigt).
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Bei diesen beiden Konfigurationen gilt, dass die mit der höheren Impedanz von den Werten abhängt, die den Komponenten L1, C1a, C1b, C2a, C2b, 10a, 11a, 10b, 11b gegeben werden. Diese Werte können in während der Entwicklung der Antennenschaltung mittels Softwaretools zur Kalkulation und Simulation ausgewählt werden, um bereits im Voraus die Konfiguration mit der höchsten Impedanz bestimmen zu können. Dennoch scheint es, dass bei einer Reihe von möglichen Werten der Komponenten L1, C1a, C1b, C2a, C2b, FLTa, FLTb die Konfiguration ACTEQ1 im Allgemeinen eine höhere Impedanz als die Konfiguration ACTEQ2 aufweist, so dass, gegen allen Erwartungen, der Wert 0 der bevorzugte Defaultwert des Steuersignals SX1 im Passivmodus ist.
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Diese Beobachtungen gelten ebenfalls für das Ausführungsbeispiel in der 2B, in dem der Defaultwert des Signals SX1 das Potential 0 ist und der Wert, der eine Simulation einer Lastmodulation ermöglicht, die Spannung Vcc ist. Somit wird die elektrische Energie optimal empfangen, wenn das Lesegerät Daten empfängt oder erwartet, Daten zu empfangen. Wenn die Gleichspannung Vcc an die Antennenschaltung angelegt wird, überlagert diese Spannung die induzierte Wechselspannung Vcd, verhindert jedoch nicht den Empfang der elektrischen Energie.
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Im Ausführungsbeispiel der 2C empfangen die Schalter CSWa und CSWb auf ihrem ersten Eingang das Potential 0 (Defaultpotential) und auf ihrem zweiten Eingang den Träger CF0, wobei dieser an den Schalter CSWa ohne Phasenverschiebung und an den Schalter CSWb mit einer Phasenverschiebung von 180° (F0 – π) angelegt wird, so dass sich die Signale SX1a, SX1b nicht gegenseitig löschen. Die Simulation der Lastmodulation erfolgt in der Regel mittels des Hilfsträgers Fsc, dessen Frequenz ein Untervielfaches des Trägers F0 ist, wobei jedes Impulspaket des Trägers CF0, das einen Impuls der Lastmodulation bildet, von längerer Dauer als die Periode des Trägers ist (1/F0) und demnach mehrere Oszillationen des Trägers CF0 umfasst. Beispielsweise weist ein Träger mit der Frequenz F0 = 13,56 MHz eine Periode von 0,0737 ms auf, so dass ein Impulspaket des Trägers F0 eine Dauer von 0,59 ms oder 0,3 ms in Übereinstimmung mit der obigen Berechnung in Bezug auf die Dauer der Impulse der Lastmodulation aufweist.
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Das Verfahren der Erfindung ist gleichermaßen auf eine unsymmetrische Antennenschaltung ohne Mittelpunkt, so wie die Antennenschaltung ACT in der 4, anwendbar. Die Antennenschaltung ACT ist äquivalent mit einer Halbschaltung der symmetrischen Antenne ACT und umfasst lediglich den Eingangsanschluss A, den Filter FLTa, die Kondensatoren C1a, C2a und die Halbspule der Antenne L1/2, deren Anschluss D mit der Masse GND verbunden ist. Der Kondensator C1a verfügt über einen Anschluss, der mit dem Anschluss C der Antennenspule L1/2 verbunden ist und einen Anschluss, der mit dem Anschluss A der Antennenschaltung über den Filter FLTa verbunden ist. Der Kondensator C2a verfügt über einen Anschluss, der mit dem Anschluss C der Antennenspule verbunden ist und einen Anschluss, der mit der Masse GND verbunden ist. Das Signal SX1, hier unsymmetrisch, wird am Anschluss A angelegt, und zwar über den Schalter CSWa, der an seinen Eingängen eine der Wertekombinationen {0, HZ} {HZ, 0}, {0, 1}, {HZ, 1), {0, „Impulspakete des Trägers CF0”} oder {HZ, „Impulspakete des Träges CF0”} empfängt. Die Antennenschaltung ACT ist äquivalent zu der symmetrischen Antennenschaltung ACT, und ihr Ersatzschaltbild, wenn das Steuersignal dem Wert 0 oder HZ entspricht, ist auch in den 3A, 3B veranschaulicht. Die Wechselspannung Vcd tritt hier zwischen den Anschlüssen C und D der Antennenspule L1/2 auf.
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Die 5A, 5B und 5C umfassen die Ausführungsbeispiele APS1, APS2 und APS3 der Hilfsversorgungsschaltung APS.
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Die in der 5A veranschaulichte Schaltung APS1 umfasst eine Diode D1 mit einem PN Übergang, deren Anode (Eingangsanschluss für den Strom, der die Diode passiert) mit dem Anschluss C der Antennenspule verbunden ist und die Spannung Vcd empfängt. Die Kathode der Diode D1 stellt die Hilfsspannung Vccr (gleichgerichtete Spannung) bereit und ist mittels eines Glättungskondensators Cs und einer Z-Diode Z1, die in Sperrrichtung und parallel mit dem Kondensator Cs geschaltet ist, mit der Masse verbunden. Die Diode Z1 gewährleistet die Stabilisierung der Spannung Vccr in der Nähe ihrer Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung, z. B. 5 V.
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In einer Ausführungsform, die in den Figuren nicht veranschaulicht wird, ist die Schaltung APS mit der Antennenspule L1 mittels eines Trennschalters, z. B. eines Relais des Typs NF (normalerweise geschlossen), das bei Aktivmodus des Lesegeräts geöffnet ist, verbunden, um die Schaltung APS von der Antennenspule L1 zu trennen.
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In der Schaltung APS2, die der 5B zu entnehmen ist, ist die Kathode der Diode D1, anstatt die Spannung Vccr bereitzustellen, am Eingang INR einer Spannungsreglerstufe, welche die Diode Z1, einen Widerstand Rb und einen bipolaren Transistor umfasst, angeschlossen. Der Eingang INR ist mit der Anode des Widerstands RB und mit dem Kollektor des Transistors Tb verbunden. Die Kathode des Widerstands Rb ist mit der Basis des Transistors Tb sowie mit der Masse mittels der in Sperrrichtung angebrachten Diode Z1 verbunden. Der Kollektor (Emitter) des Transistors Tb bildet den Ausgang OUTR der Reglerstufe und liefert die Spannung Vccr.
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In den Anwendungen, in denen die Spannung Vcd große Amplitudenschwankungen in Abhängigkeit von der Kommunikationsdistanz aufweist, ist es von Vorteil, eine Schaltung APS mit einer Eingangsstufe zu verwenden, die nicht die Spannung Vcd begrenzt. Es kann z. B. ein Regler ohne Begrenzungsdiode verwendet werden, im Handel unter der Kennziffer 7805 erhältlich, der, ungeachtet des Scheitelwertes der Spannung Vcd, die Spannung Vccr liefert.
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Die Schaltung APS3, veranschaulicht in 5C, ist identisch mit der Schaltung APS1 der 5A bis auf, dass die Anode der Diode D1 an einen Zwischenanschluss E der Antennenspule L1 angeschlossen ist und einen Teilerpunkt der Spannung Vcd bildet, der zwischen dem Anschluss C und dem Mittelpunkt MP der Spule L1 angeordnet ist. Zu diesem Zweck umfasst die Antennenspule L1 beispielsweise drei Spulen L11, L12 und L13 in Serie, wobei der Knoten E der Verbindungspunkt der Spulen L11 und L12 ist und der Mittelpunkt MP der Spule der Verbindungspunkt der Spulen L12 und L13 ist. Die Spulen L11 und L12 können je nach gewünschter Teilungsrate der Spannung Vcd verschiedene Impedanzen aufweisen. Die Summe der Impedanzen der Spulen L11 bis L13 entspricht der gewünschten Impedanz für die Antennenspule L1. In der Annahme, dass die Impedanz der Spule L11 derjenigen der Spule L12 sowie der Hälfte der Impedanz der Spule L13 entspricht, stellt der Knoten E eine Spannung Vcd bereit, die gleich Vcd/2 ist.
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Die 6 ist eine Gesamtansicht des Lesegeräts RD1 gemäß der Erfindung und veranschaulicht überdies das Lesegerät RD2 mit dem das Lesegerät RD1 Daten austauschen kann. Das Lesegerät RD1 umfasst:
- – eine Steuerschaltung CCT1, z. B. einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller, umfassend Peripherieschaltungen und insbesondere einen Programmspeicher und einen Datenspeicher (beide nicht veranschaulicht),
- – die bereits beschriebene Antennenschaltung ACT,
- – eine konventionelle Demodulationsschaltung DEMCT und eine konventionelle Extraktions-Taktschaltung CKCT, die mit der Antennenschaltung über einen Bandpassfilter DFLT verbunden ist, wobei die zur Bezeichnung der Elemente bereits verwendeten Bezugszechen beibehalten werden,
- – eine Senderschaltung EMCT1 gemäß der Erfindung, welche die Ports P1 und P2 umfasst, die jeweils an die Anschlüsse A und B der Antennenschaltung ACT angeschlossen sind,
- – einen Oszillator CGEN, der die Schaltung EMCT1 mit dem Träger CF0 der Frequenz F0 speist,
- – eine Hauptversorgungsquelle MPS, z. B. eine Batterie, die eine externe Versorgungsspannung Vcce liefert, und
- – die bereits beschriebene Hilfsversorgungsscaalung APS, die mit dem Anschluss C der Antennenspule L1 verbunden ist und die Hilfsversorgungsspannung Vccr bereitstellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die externe Versorgungsspannung Vcce und die Hilfsversorgungsspannung Vccr durch eine gemeinsame Versorgungsleitung IPSL geleitet, welche die Spannung Vcc sämtlichen Elementen des Lesegeräts RD1 bereitstellt. Insbesondere wird die Spannung Vcce an die Leitung IPSL über eine in Durchlassrichtung angeordnete Diode PSD1 angelegt, und die Spannung Vccr wird an die Leitung IPSL über eine in Durchlassrichtung angeordnete Diode PSD2 angelegt. Wenn im Passivmodus das durch das Lesegerät RD2 erzeugte Magnetfeld FLD1 die Spannung Vccr auftreten lässt und diese größer als die Spannung Vcce wird, blockiert die Diode PSD1 und das Lesegerät wird durch die Spannung Vccr (Vcc = Vccr) gespeist. Im Aktivmodus wird das Lesegerät von der Spannung Vcce (Vcc = Vcce) gespeist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung liefert die Senderschaltung EMCT1 das Steuersignal SX1 im Aktivmodus wie im Passivmodus über die Ports P1 und P2. Diese sind direkt mit den Anschlüssen A, B der Antennenschaltung verbunden, ohne dass ein Schalter, wie er in den bis veranschaulicht ist, erforderlich ist.
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Folglich, wenn sich das Lesegerät RD1 im Aktivmodus befindet, ist das Signal SX1 (das hier zwei symmetrische Komponenten, SX1a, SX1b, umfasst) ein Erregungssignal, welches den Träger CF0 umfasst und amplitudenmoduliert ist, wenn Daten DTx ausgesendet werden müssen.
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Wenn sich das Lesegerät RD1 im Passivmodus befindet, weist das Signal SX1 einen Defaultwert und einen Wert, der die Simulation einer Lastmodulation ermöglicht, auf. Wie oben dargelegt, ist der Defaultwert vorzugsweise das Potential 0 oder das Potential HZ, und der Wert zur Simulation der Lastmodulation ist aus den Werten 0, 1 (Vcc), HZ und „Impulspakete des Trägers” zu wählen.
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Die 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Ports P1, P2 der Senderschaltung EMCT1. Der veranschaulichte Port P1, P2 empfängt den Träger CF0 mit oder ohne Phasenverschiebung (je nach Port) und wird durch eine Kombination von Steuersignalen SETHZ („Set High-Z”), CEN („Carrier Enable”) und SET1 („Set to 1”) gesteuert. Der veranschaulichte Port P1, P2 umfasst ein Gatter AG des Typs ET mit zwei Eingängen, ein Gatter OG des Typs OU mit zwei Eingängen und einen invertierenden Puffer mit drei Zuständen TIB („Tri-state Inverting Buffer”). Das Gatter AG empfängt den Träger CF0 und das Signal CEN. Das Gatter OG empfängt das Ausgangssignal des Gatters AG und das Signal SET1. Das Ausgangssignal des Gatters OG wird am Puffer TIB angelegt, welcher auf einem Eingang das Steuersignal SETHZ empfängt, wobei der Ausgang des Puffers TIB das Steuersignal SX1 (oder eine der Komponenten SX1a, SX1b) bereitstellt.
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Die nachstehende Tabelle 1 veranschaulicht die Kombinationen der Steuersignale, welche die Schaltung CCT1 an die Schaltung EMCT1 anlegen kann, wenn sich das Lesegerät RD1 im Aktivmodus befindet, damit die Schaltung EMCT1 den Träger (SX1 = F0) oder den Wert 0 (Masse) bereitstellen kann, wobei dieser Wert einer Modulation von 100% der Amplitude des Signals der Antenne SA1 entspricht (Aussendung von Daten im Aktivmodus).
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Hier ist anzumerken, dass eine Amplitudenmodulation von weniger als 100%, z. B. eine Amplitudenmodulation von 10%, so wie sie in dem
Standard ISO 14443/B vorgesehen ist, durch Anwendung der Lehre des Patents
EP 1163718 gleichermaßen erreicht werden kann. In diesem Fall sind mehrere Ports des in der
7 veranschaulichten Typs, z. B. sechs Ports, vorgesehen. Es sind drei parallele Ports mit dem Anschluss A der Antennenschaltung und drei weitere parallele Ports sind mit dem Anschluss B der Antennenschaltung verbunden. Die Ports werden mittels der verschiedenen Steuersignalkombinationen individuell gesteuert. Um die Amplitude des Antennensignals SA1 mit einer Modulationsamplitude von weniger als 100% zu modulieren, werden bestimmte Ports auf den Wert HZ gesetzt, während andere den Träger CF0 bereitstellen.
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Die nachstehende Tabelle 2 veranschaulicht die Steuersignalkombinationen, welche die Schaltung CCT1 an die Schaltung EMCT1 anlegen kann, wenn sich das Lesegerät RD1 im Passivmodus befindet, um einen der Werte 0, 1 (Vcc) HZ oder „Impulspakete des Trägers C0” anzulegen.
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Nur wenn der Wert bzw. Zustand „Impulspakete des Trägers” verwendet wird, um eine Lastmodulation zu simulieren, wird der Oszillator CGEN grundsätzlich spannungsfrei gesetzt, um den Stromverbrauch des Lesegeräts einzuschränken. Tabelle 1 Steuersignale der Schaltung EMCT1 (Aktivmodus)
| Nr. | F0 | CEN | SET1 | SETHZ | SX1 |
| 1 | F0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | F0 | 0 | 0 | 1 | HZ |
| 3 | F0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 4 | F0 | 0 | 1 | 1 | HZ (redundant mit 2) |
| 5 | F0 | 1 | 0 | 0 | F0 |
| 6 | F0 | 1 | 0 | 1 | HZ (redundant mit 2 und 4) |
| 7 | F0 | 1 | 1 | 0 | (nicht verwendet) |
| 8 | F0 | 1 | 1 | 1 | (nicht verwendet) |
| Tabelle 2
Steuersignale der Schaltung EMCT1 (Passivmodus) |
| Nr. | F0 | CEN | SET1 | SETHZ | SX1 |
| 1 | - | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | - | 0 | 0 | 1 | HZ |
| 3 | - | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 4 | - | 0 | 1 | 1 | HZ (redundant mit 2) |
| 5 | - | 1 | 0 | 0 | (nicht verwendet) |
| 6 | - | 1 | 0 | 1 | (nicht verwendet) |
| 7 | - | 1 | 1 | 0 | (nicht verwendet) |
| 8 | - | 1 | 1 | 1 | (nicht verwendet) |
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Eingang des Gatters OG, welches das Signal SET1 (7) empfängt, mit der Leitung IPSL über einen Polarisationswiderstand mit einem hohen Wert Rpu („pull-up”) verbunden. Folglich, wenn das Lesegerät RD1 durch Öffnen eines Schalters PSSW, der zwischen der Quelle MPS und der internen Speiseleitung IPSL angeordnet ist (6), spannungsfrei gesetzt wird, kann sich das Lesegerät automatisch bei Vorhandensein des Magnetfeldes FLD2, ausgesendet durch das andere Lesegerät RD2, aktivieren. In diesem Fall tritt die Spannung Vcc = Vccr auf der Leitung IPSL auf und der Ausgang des Gatters OG wird auf 1 gesetzt. Infolgedessen wechselt das Signal SX1 am Ausgang des Puffers auf den Defaultwert auf 0, so dass sich die Antennenschaltung ACT in der für das Empfangen der elektrischen Energie mittels induktiver Kopplung günstigsten Konfiguration befindet, bis die Steuerschaltung CCT1 nach Ausführung der Initialisierungsphasen die Kontrolle über die Ports P1, P2 übernimmt. Es ist anzumerken, dass eine ähnliche Maßnahme vorgesehen werden kann, um das Signal SETHZ auf 1 zu setzen, wenn der Defaultwert, der am günstigsten für das Empfangen der Energie der Wert (Zustand) HZ ist.
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Um das Beschriebene zu verdeutlichen, veranschaulichen die 8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C Signale, die im Lesegerät RD1 und im Lesegerät RD2 auftreten, wenn das Lesegerät im Passivmodus Daten an das Lesegerät RD2, das sich im Aktivmodus befindet, sendet. Diese Figuren sind in drei Bereiche (EX1, EX2, EX3) eingeteilt, von denen jeder ein Beispiel der Datenübertragung im Passivmodus gemäß einer der oben beschriebenen sechs Zustandskombinationen veranschaulicht.
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Die 8A zeigt das Steuersignal SX1, das an die Antennenschaltung des Lesegeräts RD1 angelegt wird. Die 8B zeigt das Antennensignal SA1 des Lesegeräts RD1. Die 8C zeigt das Magnetfeld FLD1, das durch das Lesegerät RD1 ausgesendet wird. Die 9A zeigt das Magnetfeld FLD2, das durch das Lesegerät RD2 ausgesendet wird. Die 9B zeigt ein Steuersignal SX2, welches das Lesegerät RD2 an seine Antennenschaltung anlegt (obwohl in 6 nicht im Einzelnen aufgeführt, wird der Aufbau des Lesegeräts RD2 hier als identisch mit demjenigen des Lesegeräts RD1 betrachtet). Die 9C zeigt das Lastmodulationssignal SM2, welches das Lesegerät RD2 aus seiner Antennenschaltung extrahiert.
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Im Beispiel „EX1” ist der Defaultwert des Signals SX1 gleich 0 und der Wert (Zustand) des Signals SX1 für die Simulation der Lastmodulation ist HZ. Im Beispiel „EX2” ist der Defaultwert des Signals SX1 gleich 0 und der Wert (Zustand) des Signals SX1 für die Simulation der Lastmodulation ist 1 (Vcc). Im Beispiel „EX3” ist der Defaultwert des Signals SX1 gleich 0 und der Wert (Zustand) des Signals SX1 für die Simulation der Lastmodulation ist „Impulspakete des Träges CF0”.
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Gemäß diesen Figuren oszilliert das Erregungssignal SX2, das an der Antennenschaltung des Lesegeräts RD2 angelegt wird, bei der Betriebsfrequenz F0, weist jedoch eine konstante Amplitude auf (9B), da das Lesegerät RD2 keine Daten sendet. Allerdings weist das Signal SX1, welches das Lesegerät RD1 an seine Antennenschaltung anlegt ( ), Wertänderungen (Zustandsänderungen) auf (Simulation einer Lastmodulation), die eine Modulation der Hüllkurve des Magnetfelds FLD2, ausgesendet durch das Lesegerät RD2 (9A), bewirken. Diese Modulation der Hüllkurve wird durch das Lesegerät RD2 erfasst, da sie das Modulationssignal SM2 bildet (9C), welches das Lesegerät RD2 aus seiner Antennenschaltung extrahiert, um die Daten zu abzuleiten, die ihm das Lesegerät RD1 gesendet hat. Außerdem überträgt das Antennensignal SA1 des Lesegeräts RD1 (8B) mittels induktiver Kopplung das Magnetfeld FLD2, wodurch das Lesegerät RD1 in der Lage ist, die Hilfsversorgungsspannung Vccr zu empfangen. Das Antennensignal SA1 wird, wie das Magnetfeld FLD2, durch die Wertänderungen des Signals SX1 moduliert. Jedoch ist die Amplitude des Signals SA1 (das die Spannung Vcd bildet, mittels derer die Spannung Vccr erzeugt wird) nur geringfügig durch die Wertänderungen des Signals SX1 beeinflusst, so dass die Bereitstellung der Spannung Vccr während der Perioden der Simulation der Lastmodulation nicht unterbrochen wird. Das Beispiel 3 (Teil EX3 der Figuren), in dem das Lesegerät Impulspakete des Trägers CF0 sendet, stellt den einzigen Fall dar, bei dem das durch das Lesegerät RD1 ausgesendete Magnetfeld FLD1 nicht null ist (8C, EX3). Die Impulspakete der Träger wurden so dargestellt, als ob sie zum Antennensignal SA1 hinzuaddiert werden; diese Impulspakete können jedoch auch das Antennensignal SA1 reduzieren bzw. auf Null setzen, wenn die Magnetfelder FLD1 und FLD2 in Gegenphase sind. In diesem Fall, und wie weiter oben dargelegt, muss der Glättungskondensator Cs der Hilfsversorgungsschaltung (5A, 5B, 5C) über eine ausreichende Kapazität verfügen, um die Bereitstellung der Spannung Vccr während der Aussendung von Impulspaketen des Trägers zu gewährleisten.
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Der Fachmann wird klar erkennen, dass ein Lesegerät mit induktiver Kopplung gemäß der vorliegenden Erfindung für mehrere Ausführungsvarianten geeignet ist. Obgleich die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Schaltung APS unsymmetrischer Art sind und elektrische Energie aus einem der zwei Punkte C, D und der Masse entnehmen, kann die Schaltung APS ebenso symmetrischen Aufbaus mit massebezogenem Mittelpunkt sein und mit den zwei Anschlüssen C, D der Antennenspule L1 verbunden sein.
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Der Fachmann wird ebenfalls bemerken, dass sich das Vorhandensein von Tiefpass-Schaltungen (FLTa, FLTb) in der Antennenschaltung auf die Wahl des Energieentnahmepunkts in der Antennenschaltung auswirken kann. Daher weisen die Bezugszeichen G und H in der 6 auf zwei andere Punkte oder Knoten der Antennenschaltung. Der Punkt G befindet sich zwischen dem Filter FLTa und dem Kondensator C1a und würde einem Eingangsanschluss der Antennenschaltung entsprechen, wenn diese ohne Filter FLTa auskommen muss. Der Punkt H befindet sich zwischen dem Filter FLTb und dem Kondensator C1b und würde dem anderen Eingangsanschluss der Antennenschaltung entsprechen, wenn diese ohne den Filter FLTb auskommen muss. Ergänzende Studien, die der Fachmann vertiefen könnte, zeigen, dass jeder der Punkte G und H ebenso als Energieentnahmepunkt verwendet werden könnte, insbesondere, wenn die Eingänge A, B der Antennenschaltung hochohmig gehalten werden (Defaultwert), da das Vorhandensein von Tiefpassfiltern die Impedanz der Antennenschaltung, von diesen Punkten G, H aus gesehen, erhöht.
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Allgemein gesprochen ist der Punkt mit der höheren Impedanz gemäß dieser Erfindung nicht unbedingt der Punkt, an dem die Antennenschaltung die höchste Impedanz aufweist. Der Punkt mit der höheren Impedanz ist ein Punkt verschieden von den Eingangsanschlüsse A, B der Antennenschaltung, welcher eine höhere Impedanz als die Eingangsanschlüsse A, B aufweist, wenn an ihnen der Defaultwert (0 oder HZ) angelegt wird. Numerisches Beispiel: Wenn die Impedanz einer Antennenschaltung, von den Eingangsanschlüssen A, B aus gesehen, in der Größenordnung 10 Ohm liegt, entspricht die Impedanz der gleichen Antennenschaltung, von den Anschlüssen C, D der Spule aus gesehen, der Größenordnung 1 KOhm und die Impedanz der gleichen Antennenschaltung, von den vorgenannten Zwischenpunkten G, H aus gesehen, entspricht der Größenordnung 100 Ohm. Folglich, obwohl die Anschlüsse C, D (oder der Anschluss E als Spannungsteilerpunkt) die besten Punkte zum Abgreifen der elektrischen Energie darstellen, kann diese ebenso an den Punkten G, H abgegriffen werden, welche eine höhere Impedanz als 10 Ohm, wie sie auf den Anschlüssen A, B vorhanden ist, aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1327222 [0006, 0076, 0076]
- EP 1163718 [0108]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard ISO/IEC 14443 [0001]
- Standard ISO/IEC 15693 [0001]
- www.nfc-forum.org/home [0003]
- Standard ISO 14443/B [0108]
