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Die vorliegende Erfindung betrifft ein RFID-Element mit einer Antennenanordnung, die auf einem Träger angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein RFID-Sender/Empfänger-System sowie einen Sicherheitsschalter.
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RFID-Elemente (Radio Frequency Identification) werden in Sender/Empfänger-Systemen zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und/oder Lokalisieren von Objekten mit Radiowellen verwendet. Ein RFID-System umfasst typischerweise zunächst einen Transponder (auch als "Tag" oder "Funketikett" bezeichnet), der eine Antenne umfasst und sich am oder im Objekt befindet. Er umfasst in der Regel einen kennzeichnenden Code, der über die Antenne von einem Lesegerät des RFID-Systems (auch als "Transceiver" bezeichnet) abgefragt werden kann. Der Transceiver umfasst dazu ebenfalls eine Antenne und einen Transceiverschaltkreis (z.B. der EM4095-Chip der Firma EM Microelectronics) zum Auslesen dieser Kennung von dem Transponder. Zum Auslesen der Kennung von dem Transponder erzeugt das Lesegerät typischerweise magnetische Wechselfelder, um Signale an den Transponder zu übertragen. Der Transponder ist dazu ausgebildet, nach Erhalt eines entsprechenden Signals vom Lesegerät ein Daten, insbesondere die Kennung, umfassendes Signal als Antwort an das Lesegerät zurückzusenden, welches dieses an ein System (z.B. ein Computersystem) zur weiteren Verwertung weiterleitet bzw. mittels eines Mikrocontrollers selber auswerten kann. Der Begriff des Zurücksendens wird hier auch verwendet, wenn der Transponder ausgestaltet ist, das Magnetfeld des Lesegerätes zu beeinflussen, ohne selbst ein Magnetfeld zu erzeugen. Diese Beeinflussung wird dann vom Lesegerät detektiert.
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Bei RFID-Systemen geringer Reichweite (typischerweise von 20 mm Reichweite), erzeugt das Lesegerät magnetische Wechselfelder, die nicht nur zum Übertragen der Daten vorgesehen sind, sondern oftmals auch dazu dienen, den Transponder mit Energie zu versorgen.
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Um die geringe Reichweite der zum Datenaustausch zwischen Transponder und Lesegerät bzw. zur Energieversorgung des Transponders jeweils verwendeten magnetischen Wechselfelder zu vergrößern, gibt es mehrere Ansätze. Ein erster, kostenintensiver Ansatz ist die Verwendung von sogenannten aktiven Transpondern mit eigener Stromversorgung. Aktive Transponder haben jedoch einen erhöhten Platzbedarf durch die Notwendigkeit einer Batterie und der dazugehörigen Schaltung.
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Ein anderer Ansatz, um die Reichweite zu vergrößern, besteht darin, die Größe des magnetischen Wechselfelds des Lesegeräts zu vergrößern. Dies kann einerseits durch eine Vergrößerung des elektrischen Stroms bei gleichzeitiger Verkleinerung des Widerstands geschehen. Jedoch führt eine Vergrößerung des Stromflusses bei gleichzeitiger Reduzierung des Widerstands zu einer vergrößerten Leistungsaufnahme des Lesegeräts und zu einer Temperaturerhöhung des Lesegeräts. Da die Leistung und die Temperatur erhöht werden, müssen die Gehäuse und Verpackungen des Lesegeräts auch vergrößert werden, was ebenfalls zu einer Vergrößerung und einer Verteuerung des Lesegeräts führt.
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Eine weitere Möglichkeit, um das Magnetfeld zu vergrößern, besteht darin, die Anzahl der Spulenwindungen einer als Antenne verwendeten Induktionsspule zu vergrößern bzw. die Permeabilität des verwendeten Materials zu verändern. Dies führt jedoch dazu, dass das Material des Antennenträgers geändert werden muss.
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Aus diesem Grund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein RFID-Element bereitzustellen, mit dem der Erfassungsbereich bzw. die Reichweite eines Lesegeräts und/oder eines Transponders vergrößert werden kann, ohne die Leistungsaufnahme bzw. Baugröße deutlich zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird durch ein RFID-Element gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst die Antennenanordnung des RFID-Elements mindestens zwei Antennen, die parallel zueinander angeordnet und elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind.
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Auf diese Weise wird das magnetische Feld in der Mitte zwischen den zwei Antennen konzentriert und dadurch in zumindest einer vorgegebenen Richtung nach außen hin vergrößert. Die vorgegebene Richtung verläuft zumindest annähernd parallel zwischen den beiden Antennen. Hierdurch kann der Erfassungsbereich bzw. die Reichweite z.B. um bis zu 25 % vergrößert werden, so dass die Reichweite eines Lesegeräts bzw. eines Transponders in einem RFID-Sender/Empfänger-System vergrößert wird. Um eine solche Reichweite mittels nur einer Antenne zu erreichen, müsste die angelegte Spannung um bis zu 60 % höher liegen und ein Stromfluss, der durch die Antennen fließt, um ungefähr das 2,5-fache größer sein. Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden die Betriebskosten eines RFID-Elements signifikant gesenkt. Ferner wird durch den reduzierten Stromfluss auch eine kompaktere Baugröße ermöglicht, da Temperatureffekte nur eine untergeordnete Rolle spielen. Durch die Verwendung von zwei Antennen kann also auch die Leistungsaufnahme reduziert werden.
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Vorzugsweise umfassen die Antennen Induktionsspulen, die eine kostengünstige Möglichkeit für Antennen darstellen. Diese können ferner in einem Bestückungsautomat einfach auf einer Platine eines Lesegeräts und/oder eines Transponders bestückt werden, sodass das Herstellungsverfahren einfach durchgeführt und auch die Herstellungskosten weiter reduziert werden können.
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Vorzugsweise sind die Antennen an einem Rand des Trägers angeordnet. So ist der Erfassungsbereich am äußeren Rand des Trägers angeordnet und kann sich soweit wie möglich vom Träger weg erstrecken. Die zumindest eine vorgegebene Richtung erstreckt sich dann senkrecht vom Rand des Trägers weg. Vorteilhafterweise ist insofern der entsprechende Rand des Trägers nahe am äußeren Rand des RFID-Elements.
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Bei Verwendung von Induktionsspulen als Antennen sind diese dabei derart angeordnet, dass sich die Flächennormalen der Spulenwindungen senkrecht von dem betreffenden Rand weg erstrecken. Die Flächennormalen definieren dann die Richtung, in der das Magnetfeld vergrößert ist und sind insofern parallel zu der vorgegebenen Richtung.
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Vorzugsweise weisen die Antennen eine längliche, im Querschnitt zumindest annähernd rechteckige Form auf und sind mit ihren Längsseiten auf dem Träger befestigt, d.h. dass der rechteckige Querschnitt sich von dem Träger weg erstreckt.
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Auf diese Weise kann der benötigte Konstruktionsraum bei gleichzeitiger Vergrößerung des Erfassungsbereichs und der Reichweite minimiert werden.
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Vorzugsweise weisen die zwei Antennen senkrecht zu ihren Längsseiten jeweils eine zumindest annähernd flächige Seite auf, die sich parallel zueinander gegenüberstehen. Die Antennen werden also entlang ihren schmalen Längsseiten auf dem Träger angeordnet. So kann die Anordnung der Antennen noch kompakter gestaltet werden, um den benötigten Bauraum so gering wie möglich zu halten.
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Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den zwei Antennen im Bereich von 1 bis 3 mm, bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zumindest 2 mm. Durch die Auswahl eines solchen Abstands der Antennen kann eine möglichst große Vergrößerung der Reichweite erreicht werden. Bei einem Abstand von 2 mm beträgt die Vergrößerung der Reichweite z.B. ungefähr 25 %.
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Vorzugsweise ist das RFID-Element dazu ausgebildet, im Frequenzbereich von 100 kHz bis 150 kHz, insbesondere von 120 kHz bis 135 kHz und besonders bevorzugt zumindest bei annähernd 125 kHz betrieben zu werden.
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Der Betrieb eines RFID-Elements in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 150 kHz bewirkt, dass das RFID-System in der Regel mittels magnetischer Wechselfelder geringer Reichweite gekoppelt ist. Solche RFID-Elemente sind in der Regel kostengünstig, da keine aktiven Transponder verwendet werden müssen, die eine eigene Energieversorgung und eine größere Bauform mit elektronischer Schaltung benötigen. So können sie z.B. vorteilhaft an oder in Kleidungsstücken, auf Produktverpackungen, an oder in Chipkarten, an oder in Schlüsseln oder ähnlichem vorgesehen sein.
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Vorzugsweise liegt eine Wechselspannung des RFID-Elements im Betrieb im Bereich von 80 bis 120 V, bevorzugt bei zumindest annähernd 100 V. Vorzugsweise liegt die Größe eines Stromflusses, der in jeder der Antennen eines RFID-Elements im Betrieb fließt, im Bereich von 10 bis 20 mA und bevorzugt zumindest annähernd bei 14 mA.
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Durch die Auswahl einer Wechselspannung im Bereich von 80 bis 120 V und eines Stromflusses im Bereich von 10 bis 20 mA kann die Leistung eines RFID-Elements gering gehalten und gleichzeitig die Reichweite des magnetischen Wechselfelds vergrößert werden, so dass das RFID-Element kostengünstig betrieben werden kann. Ferner kann durch einen solch niedrigen Stromfluss die Bauform des RFID-Elements verkleinert werden.
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Wenn das erfindungsgemäße RFID-Element als Transceiver ausgestaltet ist, bildet es ein Lesegerät mit verbesserter Kopplung an einen Transponder. Das bedeutet, dass die in einem Transponder ("Tag") enthaltene Kennung über eine größere Reichweite des Lesegeräts ausgelesen bzw. empfangen werden kann, so dass die Identifizierung dieser Kennung verbessert wird.
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Der Transceiver kann dazu ausgebildet sein, in zwei Betriebsarten betrieben zu werden – einer ersten schreibgeschützten Betriebsart und einer zweiten Lese- und Schreibbetriebsart.
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Dadurch kann das Lesegerät nicht nur Daten an einem Transponder auslesen, sondern auch dazu verwendet werden, um z.B. eine Kennung in einem Transponder zu verändern. Dies ist besonders von Vorteil, wenn Kennungen zu geschützten Bereichen, für Preise usw., die im Transponder gespeichert sind, geändert werden sollen bzw. müssen.
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Vorzugsweise umfasst ein als Transceiver eingesetztes RFID-Element einen CMOS Transceiverschaltkreis, wobei die Antennenanordnung dazu ausgebildet ist, mittels des CMOS Transceiverschaltkreises betrieben zu werden.
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Ein solcher Transceiverschaltkreis kann ausgestaltet sein, die Antenne mit einer Trägerfrequenz anzutreiben und eine Radiowellen-Empfangsgleichrichtung von einem vom Transponder empfangenen Signal und zusätzlich eine Kommunikation mit einem Mikroprozessor mittels einer Schnittstelle zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße RFID-Element kann jedoch auch vorteilhaft einen Transponder bilden oder umfassen.
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Wenn die besondere Antennenanordnung in einem Transponder verwendet wird, kann die Reichweite des Transponders verbessert werden, bei gleichzeitiger Reduzierung der Leistungsaufnahme des Transponders. Hierdurch können die Betriebsdauer eines solchen Transponders verlängert und die Betriebskosten reduziert werden.
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Sowohl bei einem als Transponder, als auch bei einem als Transceiver eingesetzten erfindungsgemäßen RFID-Element kann eine Schaltung zur Versorgung und/oder Ansteuerung des Elementes ebenfalls auf dem Träger angeordnet sein, der dazu z.B. durch eine Platine gebildet wird.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein RFID-Sender/Empfänger-System mit zumindest einem erfindungsgemäßen RFID-Element und einem weiteren, gegebenenfalls ebenfalls erfindungsgemäßen, RFID-Element, das dazu ausgebildet ist, mit dem ersten RFID-Element zu kommunizieren.
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Die Vorteile dieses RFID-Systems entsprechen denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen RFID-Element erläutert wurden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Sicherheitsschalter, welcher mit einem RFID-Sender/Empfänger-System gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Die Vorteile eines solchen Sicherheitsschalters ergeben sich aus denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen RFID-Element, das in einem solchen Sicherheitssystem verwendet wird, erläutert wurden.
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Vorzugsweise werden Sicherheitsschalter, z.B. zum Überwachen einer Schließposition zweier relativ zueinander beweglichen Teile verwendet. Solche zwei relativ zueinander beweglichen Teile werden z.B. in Sicherheitstüren, bei Linearverfahrachsen, Drehgestellen oder ähnlichem eingesetzt, um z.B. den Zugang zu einer gefährlichen Maschine oder auch eine gefährliche Bewegung abzusichern.
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Sicherheitsschalter kommen in Anwendungen zum Einsatz, bei denen hoher Manipulationsschutz gefordert ist. Dafür wird der in dem Transponder gespeicherte Code eines Betätigers in dem Sicherheitsschalter mit dem erwarteten Code verglichen. Die Sicherheitsschalter können besonders klein ausgebildet sein und übermitteln das Ergebnis aus dem genannten Vergleich z.B. über einen binären Ausgang oder kommunizieren z.B. mit einer zentralen Auswerteeinheit in einem Schaltschrank.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine Darstellung des Antennenteils eines RFID-Elements gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Ausgestaltung der Antennenanordnung eines erfindungsgemäßen RFID-Elementes,
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3 ein Schaltbild eines RFID-Elements gemäß vorliegender Erfindung,
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4 ein erfindungsgemäßes RFID-Sender/Empfänger-System,
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5 eine schematisch dargestellte Verwendung eines erfindungsgemäßen Sicherheitsschalters, und
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6 eine Schemadarstellung einer Ausgestaltung einer bei einer Anordnung der 2 verwendeten Antenne.
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1 zeigt eine schematische Darstellung desjenigen Teils 10' eines RFID-Elements gemäß dem Stand der Technik, der die Antenne umfasst. In dieser Anordnung wird eine als Induktionsspule ausgebildete Funkantenne 12' mit ihrer flächigen, d.h. breiten, Seite B' auf einem Träger 14' befestigt. In 1 ist die Antenne nur schematisch als Quaderform dargestellt.
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Die Anordnung des Standes der Technik ist dabei so, dass bei einem Stromfluss in der Antenne 12' ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Magnetfeldlinien M' zumindest annähernd oval um die Antenne 12' sind. Die elektrische Schaltung zur Einspeisung des Stroms ist nicht gezeigt. Die Magnetfelder erzeugen hier einen Erfassungsbereich mit einer Reichweite r' von ungefähr 20 mm an einer Außenseite des RFID-Elements. Diese Reichweite r' bewirkt einen Erfassungsbereich, der in 1 schematisch durch einen Kasten K' angedeutet ist.
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Bei einer solchen Anordnung der Antenne 12' befinden sich ungefähr 20 bis 25 % des Magnetfeldes am Rand des Trägers 14'. Das Magnetfeld ist relativ breit verteilt, so dass ein relativ breiter Erfassungsbereich mit geringer Reichweite r' entsteht.
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Im Gegensatz hierzu zeigt die 2 den Antennenteil 10 eines erfindungsgemäßen RFID-Elements mit einer Antennenanordnung 16, die zwei auf einem Träger 14 angeordnete Antennen L1, L2 umfasst, deren Form mit Bezug zu 6 näher erläutert werden wird. Die Antennen L1, L2 sind derart parallel zueinander angeordnet und in Reihe miteinander verschaltet, dass die Reichweite r des Magnetfelds zumindest in der Richtung A (Pfeil A) vergrößert ist, die zwischen den beiden Antennen L1, L2 und parallel dazu verläuft. Die Windungen der die Antennen bildenden Induktionsspulen sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Die Anordnung der in 2 nicht gezeigten Spulenwindungen ergibt sich aus der Erläuterung mit Bezug zu 6.
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6 zeigt schematisch eine mögliche Ausgestaltung der Antenne L1, L2. Die Antenne L1, L2 umfasst eine Induktionsspule mit einer rechteckigen Grundform, die breite Seiten B und schmale Seiten k aufweist und hier nur zur Verdeutlichung schematisch als Quader angedeutet ist. Der Quader soll nur die Grundform der Spule andeuten ohne notwendigerweise ein gegenständlich in dieser Form tatsächlich vorhandenes Element darzustellen. Die Spule umfasst Windungen W, die hier nur in einem Bereich angedeutet sind, sich aber über die ganze quaderförmige Grundform erstrecken. Die Flächennormale der Windungen ist zu der Richtung A in 2 parallel. Die Windungen sind in an sich bekannter Weise auf einen Spulenkörper gewickelt. Das Koordinatensystem erleichtert die Zuordnung der Raumrichtungen im Hinblick auf die Verwendung einer solchen Antenne als eine der Antennen L1 oder L2 in der Anordnung der 2.
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Die Antennen L1, L2 der Antennenanordnung 16 haben eine längliche, im Querschnitt zumindest annähernd rechteckige Form und sind jeweils mit einer ihrer schmalen Längsseite k auf dem Träger 14 befestigt, d.h. die Antennen L1, L2 stehen senkrecht im Vergleich zu der Anordnung der Antenne 12' der 1. Ferner sind die Antennen L1, L2 am (in 2 rechten) Rand des Trägers 14 angeordnet.
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Der Abstand zwischen zwei benachbarten Antennen L1, L2 beträgt etwa 2 mm. Bei diesem Abstand kann die Antennenanordnung 16 bei einer Frequenz von 125kHz, einer Spannung von 100 V und einem Stromfluss von 14 mA betrieben werden.
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Die Antennenanordnung ist im Falle der Verwendung für einen Transceiver mit einem in 2 nicht gezeigten Transceiverschaltkreis und gegebenenfalls mit einem ebenfalls nicht gezeigten Mikrocontroller verbunden. Im Falle der Verwendung für einen Transponder ist die Antennenanordnung mit einem entsprechendem Transponderschaltkreis verbunden.
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Die 3 zeigt eine Schaltung zum Anschluss der Antennenanordnung 16 der 2, mittels der sie an einen Transceiverschaltkreis 18 (4) angeschlossen werden kann. Der Eingang Vant1 der ersten Antenne L1 wird mittels des Widerstands R1 an den RFID-Transceiverschaltkreis 18 und der Ausgang Vant2 der zweiten Antenne L2 wird mittels eines Kondensators C1 an den RFID-Transceiverschaltkreis 18 angeschlossen.
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Die Spannung, die zwischen einem Eingang Vant1 der ersten Antenne L1 und einem Ausgang Vant2 der zweiten Antenne L2 anliegt, beträgt z.B. 100 V. Durch Einstellung des Widerstands R1 kann der Stromfluss I in den Antennenspulen L1 und L2 auf z.B. 14 mA reduziert werden.
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Durch den ovalen Kreis O wird in 3 der Erfassungsbereich und die Reichweite r der Antennenanordnung 16 angedeutet.
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Bei einem erfindungsgemäßen Transponder 24 ist die Verschaltung der beiden Antennen L1, L2 und ihre Anordnung auf dem Träger 14 analog.
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Die 4 zeigt schematisch ein RFID-Sender/Empfänger-System 20, wobei hier die Antennenanordnung 16 des Lesegeräts 22 (Transceiver) gemäß den 2 und 3 ausgebildet ist, und der RFID-Transponder 24 einen kennzeichnenden Code enthält. Der Transponder 24 kann in oder an einem Objekt (nicht gezeigt) angeordnet sein. Im Betrieb des RFID-Systems 20 erzeugt das Lesegerät 22 magnetische Wechselfelder, um den Transponder 24 mit Energie zu versorgen und um Daten vom RFID-Transponder 24 abzufragen.
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Das Lesegerät 22 der 4 umfasst somit eine Antennenanordnung 16 als Funkeinheit sowie einen Transceiverschaltkreis 18, der an einen Mikrocontroller angeschlossen ist (nicht gezeigt). Das Lesegerät 22 ist dazu ausgebildet mit dem Transponder 24 zu kommunizieren, um Daten von diesem abzufragen bzw. zu ändern und diesen gegebenenfalls zur Datenabfrage mit Energie zu versorgen.
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Die Antennenanordnung 16 sowie der Transceiverschaltkreis 18 des Lesegeräts 22 können auf einer Platine angeordnet sein, die dann den Träger 14 bilden kann. Es besteht ferner die Möglichkeit, einen Mikrocontroller auf der gleichen Platine vorzusehen.
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Ohne dass dies hier noch einmal explizit dargestellt ist, kann auch der Transponder 24 entsprechend ausgestaltet sein. Er umfasst dann ebenfalls ein Antennenanordnung 16 aus zwei Antennen L1, L2, die ausgestaltet und auf einem Träger 14 angeordnet sind, wie es für den Transceiver (Lesegerät) 22 der 4 beschrieben ist. Ein Transponder 24 umfasst anstelle des Transceiverschaltkreises einen entsprechenden Transponderschaltkreis.
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Die 5 zeigt einen Sicherheitsschalter 26 mit einem RFID-Sender/Empfänger-System 20, der den Zugang zu einem Gebäude 28 regelt. Der Sicherheitsschalter 26 gemäß 5 ist an einer Schutztür 30 angebracht.
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Um die durch den Sicherheitsschalter 26 geschützte Schutztür 30 zu öffnen, muss ein Transponder 24 verwendet werden, der den Zugangscode enthält. Sobald ein Transponder 24 in der Reichweite r des Lesegeräts 22 mit dem korrekten Zugangscode erkannt wird, kann der Sicherheitsschalter 26 und somit die Schutztür 30 geöffnet werden.
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Eine andere Sicherheitsschalteranwendung sieht vor, dass durch eine entsprechende Abfrage eines Lesegerätes festgestellt wird, ob ein Schutztor geschlossen ist oder nicht. Dazu kann sich der Transponder zum Beispiel an dem Tor befinden und das Lesegerät am Torrahmen. Ist das Tor geöffnet, ist der Transponder außerhalb der Reichweite des Lesegerätes, dass dementsprechend ein offenes Schutztor registriert.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Antennenteil eines RFID-Elements
- 12'
- Antenne
- 14, 14'
- Träger
- 16
- Antennenanordnung
- 18
- Transceiverschaltkreis
- 20
- RFID-Sender/Empfänger-System
- 22
- Lesegerät (Transceiver)
- 24
- Transponder
- 26
- Sicherheitsschalter
- 28
- Gebäude
- 30
- Schutztür
- A
- vorgegebene Richtung
- B' B
- flächige Seite
- C1
- Kondensator
- I
- Stromfluss
- K', K
- Erfassungsbereich
- k
- Seite
- L1, L2
- Induktionsspule
- M', M
- Magnetfeldlinien
- R1
- Widerstand
- r', r
- Reichweite
- Vant1
- Spannungseingang
- Vant2
- Spannungsausgang
- W
- Spulenwindung
