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Die Erfindung betrifft ein Nahfeld-Koppelmodul zum Ein- und Auskoppeln eines magnetischen, Daten übertragenden Nahfelds sowie eine Verwendung des Nahfeld-Koppelmoduls in einem Feldbussystem.
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Aus der
EP 2 624 470 A1 ist ein passiver RFID Nahfeld-Transformer bekannt, welcher eine erste Antennenspule zum Aufnehmen eines Nahfeldes und eine zweite Antennenspule zum Abgeben des Nahfeldes aufweist, wobei die erste und zweite Antennenspule über eine passive, elektronische Anpassungsschaltung galvanisch miteinander verbunden sind. Der passive RFID Nahfeld-Transformer dient dazu, ein nahfeldbasiertes RFID Sende- und Empfangsgerät mit einem weiteren nahfeldbasierten RFID Sende- und Empfangsgerät zu koppeln.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Nahfeld-Koppelmodul zu schaffen, welches weniger Komponenten aufweist und somit kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, den Aufbau eines Nahfeld-Koppelmoduls zu vereinfachen, indem eine Kapazität und nur eine Antenne zu einem Schwingkreis verschaltet werden.
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Die als Resonanzkapazität fungierende Kapazität kann zum Beispiel als diskreter Kondensator oder als parasitäre Windungskapazität ausgeführt sein.
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Die Antennenspule und die Kapazität sind so dimensioniert, dass ein Schwingkreis mit definierter Resonanzfrequenz entsteht.
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Das oben benannte technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach wird ein Nahfeld-Koppelmodul zum Ein- und Auskoppeln eines magnetischen, Daten übertragenden Nahfeldes geschaffen. Das Nahfeld-Koppelmodul weist einen Schwingkreis mit einer Kapazität und einer einzigen Antennenspule auf, wobei der Schwingkreis einen ersten Kopplungsbereich und einen zweiten Kopplungsbereich enthält und dazu ausgebildet ist, ein magnetisches, Daten übertragendes Nahfeld über den ersten Kopplungsbereich zu empfangen und das empfangene magnetische, Daten übertragende Nahfeld über den zweiten Kopplungsbereich abzugeben.
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Bei dem Nahfeld-Koppelmodul handelt es sich vorzugsweise um ein passives NFC (Near Field Communication) Koppelmodul.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein beispielhaftes Nahfeld-Koppelmodul, welches auf einer Leiterplatte montiert ist,
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2 ein weiteres beispielhaftes Nahfeld-Koppelmodul, welches zwei separate Träger aufweist,
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3 die schematische Darstellung eines Feldbussystems, in welchem das in 2 gezeigte Nahfeld-Koppelmodul eingesetzt ist, und
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4 ein beispielhaftes Nahfeld-Koppelmodul mit einem Schwingkreis, der eine Antennenspule aufweist, deren Windungen parasitäre Kapazitäten bilden.
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1 zeigt ein beispielhaftes Nahfeld-Koppelmodul 10 zum Ein- und Auskoppeln eines magnetischen, Daten übertragenden Nahfelds, welches beispielsweise die Form einer Checkkarte hat. Das Nahfeld-Koppelmodul 10 weist einen Schwingkreis auf, der eine Kapazität und eine einzige Antennenspule 30 aufweist. Die Kapazität kann beispielsweise durch elektrisch leitfähige Pads 40 und 45 gebildet werden, welche an einem Träger 20 angeordnet sind. Diese können beispielsweise wie skizziert nebeneinander angeordnet sein. Eine höhere Kapazität kann beispielsweise auch dadurch erreicht werden, dass die Pads 40 und 45 übereinander auf unterschiedlichen Lagen des Trägers 20 angeordnet sind. Der Träger 20 kann ein starrer oder flexibler Träger in Form einer Leiterplatte sein, auf der auch die Antennenspule 30 angeordnet ist. Die Antennenspule 30 kann mehrere Windungen aufweisen, welche spiralförmig verlaufen. Die Windungen können, wie gezeigt, rechteckförmige Bahnen beschreiben. Die beiden Enden der Antennespule sind mit jeweils einem der elektrisch leitfähigen Pads 40 und 45 verbunden. Die Antennenspule 30 und die die Kapazität bildenden elektrisch leitfähigen Pads 40 und 45 sind derart geformt und dimensioniert, dass sie einen Schwingkreis mit definierter Resonanzfrequenz bilden. Der Schwingkreis weist einen ersten Kopplungsbereich 50 und einen zweiten Kopplungsbereich 55 auf und ist dazu ausgebildet, ein magnetisches, Daten übertragendes Nahfeld über den ersten Kopplungsbereich 50 von einem NFC- und/oder RFID-Chip (nicht dargestellt) zu empfangen und das empfangene magnetische, Daten übertragende Nahfeld über den zweiten Kopplungsbereich 55 zu einem anderen NFC- und/oder RFID-Chip abzugeben. Solche NFC- und/oder RFID-Chips sind in 3 dargestellt. Gemäß der Funktionalität des NFC- bzw. RFID Systems kann die gespeicherte Energie des Nahfeldes auch dazu genutzt werden, passive RFID/NFC Komponenten kontaktlos mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Die Kapazität des Nahfeld-Koppelmoduls 10 kann auch parasitäre, durch die Windungen der Antennenspule hervorgerufene Kapazitäten gebildet werden. Eine solche Ausführungsform ist beispielhaft in 4 gezeigt, welches ein Nahfeld-Koppelmodul 150 zeigt. Das Nahfeld-Koppelmodul 150 weist als Schwingkreis lediglich eine einzige Antennenspule 160 auf, deren Windungen derart geformt sind, dass Sie parasitäre Kapazitäten bilden. Die Windungen sind derart auszubilden, dass ein Schwingkreis mit definierter Resonanzfrequenz gebildet wird. Der Schwingkreis weist wiederum einen ersten Kopplungsbereich 170 und einen zweiten Kopplungsbereich 175 auf, um ein magnetisches Nahfeld ein- oder auszukoppeln. In diesem Fall kann die definierte Resonanzfrequenz beispielsweise die Eigenresonanzfrequenz der Spule sein und auf die Arbeitsfrequenz des Nahfeldsystems abgestimmt sein.
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2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausbildungsform eines Nahfeld-Koppelmoduls 60 mit einer einzigen Antennenspule 80 und einem Kondensator 85, der an die Anschlüsse der Antennenspule 80 als diskretes Bauteil angeschlossen ist. Antennenspule 80 und Kondensator 85 bilden wiederum einen Schwingkreis mit definierter Resonanzfrequenz. Die Antennenspule 80 weist einen ersten Kopplungsbereich 90 und einen zweiten Kopplungsbereich 95 auf, wobei der erste Kopplungsbereich 90 an einer Leiterplatte 70 angeordnet ist, während der zweite Kopplungsbereich 95 an einer separaten Leiterplatte 75 angeordnet ist. Die getrennten Leiterplatten 70 und 75 können flexibel oder starr miteinander verbunden sein. Im gezeigten Beispiel besteht zwischen den beiden Leiterplatten 70 und 75 eine flexible Verbindung über die Windungen der Antennenspule 80.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die in den 1, 2 und 4 gezeigten Nahfeld-Koppelmodule birektional betrieben werden können, das heißt, dass die jeweils zweiten Koppelbereiche zum Einkoppeln eines magnetischen, Daten übertragenden Nahfeldes fungieren können, während die jeweiligen ersten Kopplungsbereiche zum Auskoppeln des magnetischen, Daten übertragenden Nahfeldes fungieren können.
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Die Güte des Schwingkreises der jeweiligen Nahfeld-Koppelmodule 10, 60 bzw. 150 liegen vorzugsweise zwischen 20 und 100. Typischerweise ist die Güte kleiner als 100. Allerdings kann auch die Güte der jeweiligen Schwingkreise größer als 100 sein.
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In 3 ist eine Anordnung für eine beispielhafte Anwendung dargestellt. In stark vereinfachter Weise ist ein Feldbussystem 100 dargestellt, welches eine Tragschiene 110 aufweist, an der beispielsweise zwei Kommunikationsmodule 120 und 130 eng nebeneinander angeordnet sind. Derartige Feldbussysteme sind hinlänglich bekannt. Die Kommunikationsmodule 120 und 130, können herkömmliche Busteilnehmer sein, die jeweils ein NFC- und/oder RFID-Chip 125 beziehungsweise 135 zur Nahfeldkommunikation aufweisen.
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Angenommen sei, dass eine Bedienperson gezielt Parameterdaten über eine NFC- und/oder RFID-fähige Kommunikationseinrichtung 140 auslesen möchte. Aufgrund der der engen Anordnung der Busteilnehmer 120 und 130 kann jedoch das NFC-fähige-Kommunikationsgerät 140 nicht in ausreichende Nähe zum NFC-Chip 125 des Busteilnehmers 120 gebracht werden. Um dennoch Daten aus dem Busteilnehmer 120 auslesen zu können, kann das in 2 gezeigte Nahfeld-Koppelmodul 60 zwischen den Modulen 120 und 130 eingeführt werden. Au diese Weise kann eine Art Antennenverlängerung zum NFC-fähigen Kommunikationsgerät 140 hergestellt werden. Wie in 3 dargestellt, wird der auf der Leiterplatte 70 angeordnete erste Koppelbereich 90 zwischen die Busteilnehmer 120 und 130 geführt, so dass der erste Koppelbereich 90 in unmittelbarer Nähe zum NFC-fähigen Chip 125 des Busteilnehmers positioniert werden kann. Der zweite, auf der Leiterplatte 75 angeordnete Koppelbereich 95 befindet sich außerhalb der Busteilnehmer 120 und 130, so dass das NFC-fähige Kommunikationsgerät 140 in dessen unmittelbarer Nähe positioniert werden kann.
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Die Bedienperson kann nunmehr über das NFC-fähige Kommunikationsgerät 140 einen Aufforderungsbefehl über ein magnetisches Nahfeld in den zweiten Kopplungsbereich 95 des Nahfeld-Koppelmoduls 60 einkoppeln, das dann über den ersten Kopplungsbereich 90 des Nahfeld-Koppelmoduls 60 zum NFC-fähigen Chip 125 des Busteilnehmers 120 abgegeben wird. Der NFC-fähige Chip 125 liest unter Ansprechen auf den empfangenen Anforderungsprofil die im Busteilnehmer 120 gespeicherten, gewünschten Daten aus und moduliert sie einem magnetischen Nahfeld auf, welches anschließend in den ersten Kopplungsbereich 90 des Nahfeld-Koppelmoduls 60 eingekoppelt und über den zweiten Kopplungsbereichs 95 zum NFC-fähigen Kommuniktationsgerät 140 ausgekoppelt wird. Auf diese Weise ist eine bidirektionale Nahfeld-Kommunikation zwischen dem Busteilnehmer 120 und dem NFC-fähigen Kommunikationsgerät 140 möglich, auch wenn das NFC-fähige Kommunikationsgerät 140 nicht in unmittelbarer Nähe des NFC-fähigen Chips 125 des Busteilnehmers 120 gebracht werden kann.
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Da das Nahfeld-Koppelmodul 60, 10 bzw. 150 passiv ausgebildet ist, werden weder Hilfsenergie noch Anschlusskontakte benötigt. Die wesentlichen Aspekte der Erfindung werden nachfolgend noch einmal zusammengefasst.
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Es wird ein Nahfeld-Koppelmodul 10, 60 beziehungsweise 150 zum Ein- und Auskoppeln eines magnetischen, Daten übertragenden Nahfeldes geschaffen, wie es in den 1 bis 4 dargestellt ist. Die Nahfeld-Koppelmodule 10, 60 und 150 weisen jeweils einen Schwingkreis mit einer einzigen Antennenspule 30, 80 beziehungsweise 160 sowie eine Kapazität, 40, 45 beziehungsweise 85 auf. Die Schwingkreise der Nahfeld-Koppelmodule 10, 60 und 150 weisen jeweils einen ersten Kopplungsbereich 50, 90 beziehungsweise 170 sowie einen zweiten Kopplungsbereich 55, 95 beziehungsweise 175 auf und sind jeweils dazu ausgebildet, ein magnetisches Daten übertragendes Nahfeld über den jeweiligen ersten Kopplungsbereich zu empfangen und das empfangene magnetische, Datenübertragende Nahfeld über den jeweils zweiten Kopplungsbereich abzugeben.
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Das Nahfeld-Koppelmodul 10 kann einen starren oder flexiblen Träger 20 aufweisen, an dem der Schwingkreis 30, 40, 45 montiert ist. Der Träger 20 kann eine Leiterplatte sein.
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An dem Träger 20 können elektrisch leitfähige Pads 40, 45 angeordnet sein, welche die Kapazität bilden.
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Die Form und relative Anordnung der elektrisch leitfähigen Pads sowie die Form der Windungen der Antennenspule 30 definieren die Resonanzfrequenz des Schwingkreises des Nahfeld-Koppelmoduls 10.
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Alternativ kann der erste Koppelbereich 90 des Schwingkreises an einem ersten Träger 70 und der zweite Koppelbereich 95 des Schwingkreises an einem separaten Träger 75 angeordnet sein, wobei der erste Träger und der zweite Träger starr oder flexibel miteinander verbunden sind. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 2 gezeigt.
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Der erste Träger 70 und der zweite Träger 75 können jeweils als Leiterplatte ausgebildet sein.
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Elektrisch leitfähige Pads können an dem ersten Träger 70 und/ -oder an dem zweiten Träger 75 angeordnet sein und die Kapazität des Schwingkreises bilden. Die beiden elektrisch leitfähigen Pads sind vorzugsweise mit dem jeweiligen Ende der Antennenspule verbunden.
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Die Kapazität des Schwingkreises kann auch als diskreter Kondensator 85 ausgebildet sein, wie dies in 2 dargestellt ist.
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Die Antennenspulen können derart geformt sein, dass ihre Windungen eine parasitäre Kapazität bilden, wie dies in 4 dargestellt ist.
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Das Nahfeld-Koppelmodul 10, 60 beziehungsweise 150 kann ein NFC- oder RFID-Koppelmodul sein.
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Um eine bidirektionale Nahfeld-Kommunikation zu ermöglichen können die Schwingkreise, welche beispielsweise in den 1 bis 4 dargestellt ist, dazu ausgebildet sein, ein magnetisches Nahfeld über den jeweiligen zweiten Kopplungsbereich zu empfangen und über den jeweiligen ersten Kopplungsbereich abzugeben.
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Vorzugsweise wird die Güte des Schwingkreises des jeweiligen Nahfeld-Koppelmoduls 10, 60 bzw. 150, welches beispielsweise in den 1 bis 4 dargestellt ist, zwischen 20 und 100 liegen. Typischerweise ist die Güte kleiner als 100. Sie kann aber auch größer als 100 sein.
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Eine bevorzugte Anwendung sieht vor, dass zum Beispiel das Nahfeld-Koppelmodul 60, aber auch die Nahfeld-Koppelmodule 10 und 150 in einem Feldbussystem 100 verwendet werden können. Das Feldbussystem 100 weist mehrere, auf einer Tragschiene 110 montierbare Kommunikationsmodul 120 und 130 auf, wobei die Kommunikationsmodule 120 und 130 jeweils einen NFC- und/oder RFID-Chip 125 beziehungsweise 135 zur Nahfeldkommunikation aufweisen. Das Nahfeld-Koppelmodul 10, 60 bzw. 150 ist jeweils dazu ausgebildet, zwischen zwei benachbarten Kommunikationsmodulen 120 und 130 eingeführt zu werden, um eine Nahfeldkommunikation zwischen einem der benachbarte Kommunikationsmodule und einer externen NFC- und/oder RFID-fähigen Kommunikationseinrichtung 140 zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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