DE4115867A1 - Geschlossene kopplung fuer ein- und zweispulensysteme - Google Patents

Description

Im Einsatz befindliche Chipkartensysteme arbeiten mit galvanischen Kontakten zwischen Schreib- Lesegerät und Karte. Diese Kontakte ermöglichen sowohl den Datenaustausch zwischen Leser und Karte als auch die Energiezufuhr zur Chipkarte.

Unter Verwendung von Patentschrift DE 34 47 560 C2 sind gleichfalls Chipkartensysteme im Einsatz, die kontaktlos mittels induktiver Energie- und Datenübertragung arbeiten. Hierzu werden im Schreib- Lesegerät zwei magnetische Wechselfelder durch Spulen erzeugt, welche die Karte senkrecht zu ihrer Oberfläche durchfluten. Die Bündelung und Positionierung des Feldflusses geschieht vorzugsweise durch Topfkerne. Der Feldfluß kann durch die Karte über magnetisch leitende und geometrisch spezifisch ausgeformte Materialien zur Flußbündelung und Flußpositionierung geformt werden. Die Karte enthält zwei Spulen und stellt derart eine Kopplung zum Schreib- Lesegerät her.

Da Karten auch mit einer Spule denkbar sind, deren Feldfluß in derselben geometrischen Fläche wie bei Zweispulenanordnungen liegt, besteht das Problem, Spulen- und Topfkernanordnungen so zu gestalten, daß Zwei- und Einspulensysteme mit denselben Ausformungen karten- und leserseitig arbeiten können.

Magnetische Koppelungen nach bekannten Transformatorprinzipien zeigen einen guten Kopplungsgrad, wenn möglichst viele Feldlinien im geschlossenen Eisen- oder Ferritkreis verlaufen. Insbesondere bei hohen Frequenzen, wie sie bei Chipkartenanwendungen zur Übertragung ausreichender Energie erforderlich sind, ist es wünschenswert, daß möglichst wenig Streufluß an die Umgebung abgegeben wird.

Die nachstehende Erfindung beschreibt eine Problemlösung, die unter Verwendung bestimmter Übertragergeometrien und Spulenanordnungen eine Kompatibilität zwischen ein- und zweispuligen Chipkarten im gleichen Leser zuläßt.

Es wird patentgemäß eine geometrische Ausformung eines Topfkernes so beschrieben, daß ein kontrollierter Feldlinienfluß entsteht, der es gestattet, Ein- und Zweispulenanordnungen in optimaler Weise zu durchfluten. Die patentgemäßen Ausformungen sind in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der Topfkernanordnung Transformer 1 und Transformer 2 mit einer Card (Chipcard) zwischen den Transformern. Der Magnetfeldfluß in den Transformern wird durch Pfeile symbolisiert. Der Richtungssinn des Spulendrahtverlaufes in der Card ist bei Einsatz von zwei Spulen in einer Card durch Punkte für Pointdirection (Hinrichtung) und durch Striche für I (Rückrichtung) symbolisiert. Die Spulen in der Card sind aus Gründen der per Normung vorgegebenen Kartendicke spiralig in einer oder übereinander in mehreren Ebenen längsachsensymmetrisch so angeordnet, daß die Karte in den vier Lagen der längsten Symmetrieachse nutzbar ist. Bei Drahtführung in mehreren Ebenen muß eine Gleichsinnigkeit der Drehrichtung fortlaufend über die Ebenen zwecks Verstärkung der Durchflutung gegeben sein. Die Spulenanordnung für zwei Spulen ist in Fig. 2 in der Draufsicht (Top View) gezeigt. Wird eine einzelne Spule gemäß Fig. 3 verwendet, entfallen die mit A gekennzeichneten Spulendrahtverläufe, da die Rückführung der Spulendrähte gemäß Fig. 3 in der mit B gekennzeichneten Weise verlaufen.

Fig. 2 zeigt den patentgemäßen Flußverlauf bei zwei geschlossenen und nebeneinander angeordneten Spulen pro Karte. Der magnetische Fluß der Transformer (durch + b.z.w. - symbolisiert) ist derart dargestellt, daß in beiden Spulen ein gleichsilbiger Fluß herrscht. Da beide Übertrager zwei geschlossene Magnetkreise aufweisen, welche im Gebiet engsten geometrischen Abstandes eine Aussparung aufweisen, besteht eine geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden Übertragern aufgrund des erhöhten magnetischen Widerstandes im Gebiet der Aussparung.

Fig. 3 zeigt eine gleiche Topfkernanordnung wie in Fig. 1, 2, 4 mit dem Unterschied, daß kartenseitig nur eine Spule vorhanden ist, deren Windungsdrähte die Fläche umfassen, welche in den Fig. 1, 2, 4 von zwei Spulen eingenommen wird, ergänzt um die Fläche (symbolisiert durch C), welche zwischen den zwei Spulen frei bleibt. Eine Beeinflussung der beiden gleichsinnigen magnetischen Flüsse ist bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 mit einer Spule unterdrückt, da sich Hin- und Rückfluß aufgrund der Aussparungen (Cutout) in der Fläche C nicht Vektoren überlagern. Durch die richtige geometrische Auslegung der Topfkernaussparungen der beiden Übertrager und der richtigen geometrischen Dimensionierung der Kartenspule, kann der magnetische Fluß seine größte Wirkung bezüglich Energie- und Datenübertragung im Zentrum der Topfkerne entfalten.

Fig. 4 zeigt im Gegensatz zu Fig. 2 einen patentgemäßen Flußverlauf bei zwei geschlossenen Spulen pro Karte. Die Richtung des magnetischen Flusses (durch Pfeile symbolisiert) ist derart dargestellt, daß in beiden Spulen ein gegensinniger Fluß herrscht, womit sich der Vorteil ergibt, daß die Beeinflussung benachbarter Flüsse durch Gegensinnigkeit aufgehoben wird. Diese Gegensinnigkeit ist in ihrer Stärke durch unterschiedlich große Phasenverschiebung der Spannungen erzielbar, wie sie zur Versorgung der Spulen in Schreib- Lesegeräten in elektronischen Schaltungen erzeugt werden und in der Patentschrift 34 47 560 C2 beschrieben werden. Eine Gegensinnigkeit kann aber auch durch gegensinnige Spulenwicklung der Topfkernspulen (Transmission Coils) erfolgen. Neben dem Vorteil der Feldauslöschung im Bereich der Aussparungen, was eine verbesserte Energiebilanz zur Folge hat, ergeben sich auch Verbesserungen bei der Gleichspannungserzeugung auf der Chipkarte. Da der Phasenunterschied der eingekoppelten Spannung reduziert ist, vergrößert sich die Güte der Gleichspannung in einer Diodengleichrichtung. Die Reduktion der Kapazität des Gleichrichtkondensators ist wiederum vorteilhaft, wenn der Kondensator monolithisch auf einen Chip hergestellt wird, da sich die Chipfläche damit verkleinert.

Claims (2)

1. Topfkernanordnungen in Schreib- Lesestationen für kontaktlose Energie- und Datenübertragung per elektromagnetischer Schwingung zu Chipkarten mit einer oder zwei Spulen versehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übertragungsstrecken Transformer (1) und Transformer (2) benachbart vorhanden sind und aus Topfkernen so aufgebaut sind, daß ihr Magnetfluß im Zentrum des Topfkernes die Flächen durchflutet, welche durch die auf der Chipkarte vorhandene Spulenausführung umschlossen wird, wobei der Topfkernaußenrand jedes Topfkernes mindestens an einer Seite mit Aussparungen so versehen ist, daß die Aussparungen bei benachbarter Anordnung der Topfkernspulen so aneinandergrenzen, daß die Aussparungen sich vergrößern, womit dem magnetischen Fluß im Gebiet der Aussparung ein größerer Widerstand als ohne Aussparung entgegensteht und daß ferner die vergrößerte Aussparung zentriert über der Verbindungsachse der beiden Spulen einer Karte oder über der Längsachse einer einzigen Spule auf der Karte liegt.

2. Topfkerneinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wechselfelder in den beiden Transformern (1) und (2) zueinander gegensinnig verlaufen, indem die Spulendrehrichtung der Topfkernwindungen gegensinnig gewickelt sind oder indem die Einspeisung der Wechselspannung aus der Generatorschaltung Phasendifferenzen erzeugt, so daß im Gebiet der benachbarten Aussparungen eine gegensinnige Feldüberlagerung auftritt und diese sich bei Zweispulenanordnung auf der Chipkarte ebenfalls aufheben, so daß die magnetische Entkopplung der beiden Kartenspulen verbessert wird und gleichzeitig die Gewinnung einer Gleichspannung per Gleichrichterschaltung auf der Karte durch Phasenunterschied zwischen den eingekoppelten Spulenspannungen verbessert ist, da der Abstand der zu glättenden Spannungsmaxima durch Phasenunterschied zwischen den eingespeisten Spulenspannungen reduziert wird, womit die Größe des Gleichrichterkondensators minimiert wird.