DE112011104407T5

DE112011104407T5 - Sitzheizung, verwendbar als Antennenelektrode

Info

Publication number: DE112011104407T5
Application number: DE112011104407T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-09-19
Also published as: US9764669B2; US20130270874A1; WO2012080066A1; LU91768B1

Abstract

Eine Sitzheizung, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfasst ein Heizelement (10) zur Abgabe von Wärme, wenn ein Heizstrom durch es fließt, und einen Temperatursensor (15) zur Bereitstellung eines die Sitztemperatur angebenden Temperatursignals. Die Sitzheizung umfasst eine Gleichtaktdrossel (16) mit mindestens drei Wicklungen. Das Heizelement ist in Reihe zwischen einer ersten (16.1) und einer zweiten (16.2) davon derart angeschlossen, dass es über die Gleichtaktdrossel mit einer Energiequelle (12) wirkverbindbar ist. Der Temperatursensor ist derart an eine dritte Wicklung (16.3) der mindestens drei Wicklungen angeschlossen, dass das Temperatursignal über die dritte Wicklung der Gleichtaktdrossel beispielsweise von einem Temperaturregler der Sitzheizung empfangen werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein kapazitives Insassenerkennungssystem, beispielsweise zur Erkennung der Ab- oder Anwesenheit eines auf einem Fahrzeugsitz sitzenden Insassen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Sitzheizung und eine kapazitive Belegungserfassungsvorrichtung in Kombination.
Hintergrund der Erfindung
Ein kapazitiver Sensor, der von Einigen als „E-Feld-Sensor” oder „Näherungssensor” bezeichnet wird, bedeutet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss dessen anspricht, was bei einem elektrischen Feld erfasst wird (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Gegenstand usw.). Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an welche bei eingeschaltetem Sensor ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und welche danach ein elektrisches Feld in einem der Antennenelektrode nahen räumlichen Bereich aufbaut. Der Sensor umfasst mindestens eine Erfassungselektrode, an welcher der Einfluss eines Gegenstands oder Lebewesens auf das elektrische Feld erfasst wird. Bei einigen kapazitiven Belegungssensoren (mit dem so genannten „Lademodus”; im Engl. „loading mode”) dienen die eine oder mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Erfassungselektroden. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom, der als Reaktion auf eine an sie angelegte oszillierende Spannung in die eine oder mehreren Antennenelektroden fließt. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz der einen oder mehreren Antennenelektroden. Bei einer alternativen Version kapazitiver Sensoren (kapazitive Sensoren mit „Kopplungsmodus”; im Engl. „coupling mode”) sind die sendende(n) Antennenelektrode(n) und die Erfassungselektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der bzw. die in der Erfassungselektrode induziert wird, wenn die sendende Antennenelektrode in Betrieb ist.
Die verschiedenen kapazitiven Erfassungsmechanismen werden in der technischen Abhandlung mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces” von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60, veröffentlicht wurde. Die Abhandlung beschreibt das Konzept der Erfassung eines elektrischen Feldes, wobei das Konzept verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen durchzuführen und um insbesondere die Position einer menschlichen Hand mit dem Zweck zu erfassen, einem Computer dreidimensionale Eingaben der Position bereitzustellen. Der Autor unterscheidet bei dem allgemeinen Konzept der kapazitiven Erfassung zwischen einzelnen Mechanismen, die er als „loading mode” (Lademodus), „shunt mode” (Nebenschlussmodus) und „transmit mode” (Sendemodus) bezeichnet, welche verschiedenen möglichen Wegen des elektrischen Stroms entsprechen. Im „Lademodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das zu erfassende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Nebenschlussmodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld zu einer Empfangselektrode aufbaut, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den Körper, der gerade erfasst wird, modifiziert werden kann. Im „Sendemodus” wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über kapazitive Kopplung ein Sender relativ zu einem Empfänger wird. Der „Nebenschlussmodus” wird alternativ auch als der oben genannte „Kopplungsmodus” bezeichnet.
Es wurden viele verschiedene kapazitive Insassenerfassungssysteme vorgeschlagen, beispielsweise zur Steuerung der Entfaltung von einem oder mehreren Airbags wie z. B. einem Fahrerairbag, einem Beifahrerairbag und/oder einem Seitenairbag. Das US-Patent 6,161,070 an Jinno et al. bezieht sich auf ein Insassenerkennungssystem, das eine einzige Antennenelektrode umfasst, die in einem Kraftfahrzeug auf einer Oberfläche eines Fahrgastsitzes angebracht ist. Ein Oszillator legt ein oszillierendes Spannungssignal an die Antennenelektrode an, wodurch ein sehr kleines elektrisches Feld rings um die Antennenelektrode erzeugt wird. Jinno schlägt vor, dass die An- oder Abwesenheit eines Insassen auf dem Sitz auf der Grundlage der Amplitude und Phase des Stroms erfasst wird, der zu der Antennenelektrode fließt. Das US-Patent 6,392,542 an Stanley lehrt einen E-Feld-Sensor, der eine Elektrode umfasst, die in einem Sitz angebracht werden kann und mit einer Erfassungsschaltung wirkgekoppelt ist, welche ein oszillierendes oder gepulstes Signal mit „höchstens schwachem Ansprechen” auf die Nässe des Sitzes an die Elektrode anlegt. Stanley schlägt vor, die Phase und die Amplitude des zu der Elektrode fließenden Stroms zu messen, um einen belegten oder leeren Sitz zu erfassen und die Sitznässe zu kompensieren.
Der Gedanke der Benutzung des Heizelements einer Sitzheizung als Antennenelektrode eines kapazitiven Belegungserfassungssystems ist seit langer Zeit bekannt. Die WO 92/17344 A1 offenbart einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch den Durchfluss eines elektrischen Stroms erwärmt werden kann und in der Sitzoberfläche angeordnet ist, wobei der Leiter ferner eine Elektrode eines Zwei-Elektroden-Sitzbelegungssensors bildet.
Die WO 95/13204 offenbart ein ähnliches System, bei dem die Schwingungsfrequenz eines an das Heizelement angeschlossenen Oszillators gemessen wird, um den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes herzuleiten.
Die US 7,521,940 betrifft eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, die in der Lage sind, zu einem Zeitpunkt entweder im Heizmodus oder im Insassenerfassungsmodus zu arbeiten. Die Vorrichtung umfasst eine Sensor-/Heizunterlage zum Senden eines Erfassungssignals, eine an einen ersten Knoten der Sensor-/Heizunterlage gekoppelte erste Diode, eine an einen zweiten Knoten der Sensor-/Heizunterlage gekoppelte zweite Diode, einen an die erste Diode gekoppelten ersten Transistor und einen an die zweite Diode gekoppelten zweiten Transistor. Beim Erfassungsmodus sind der erste und zweite Transistor geöffnet und die Knoten zwischen dem ersten Transistor und der ersten Diode sowie zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Diode in Sperrrichtung vorgespannt, um die Sensor-/Heizunterlage von der Energieversorgung der Heizschaltung zu isolieren.
Die US 2009/0295199 offenbart eine Sitzheizung und einen kapazitiven Sensor in Kombination, wobei jede der zwei Anschlüsse des Heizelements über zwei in Reihe geschaltete Transistoren an die Energieversorgung angeschlossen ist. Die Vorrichtung kann nicht gleichzeitig im Erfassungsmodus und im Heizmodus arbeiten. Wenn sich die Vorrichtung im Erfassungsmodus befindet, werden die Knoten zwischen jedem Transistorpaar mittels jeweiliger Spannungsfolger aktiv auf dem gleichen Potential wie das Heizelement gehalten, um eine etwaige Impedanz der Transistoren bei offenem Schalter zu neutralisieren.
Genau derselbe Gedanke wurde bereits in der US 6,703,845 offenbart. Diese Druckschrift offenbart als Alternative zu Transistoren Induktoren, um eine hohe Impedanz bei der Frequenz des oszillierenden Signals zwischen dem Heizelement und der Energiequelle der Heizschaltung zu erzielen. Wie bei der vorher besprochenen Druckschrift hält ein Spannungsfolger die Zwischenknoten im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie das Heizelement, um die Energieversorgung der Heizschaltung wirksam bei der Frequenz des oszillierenden Signals von dem Heizelement zu isolieren.
Ein Nachteil des in der US 6,703,845 offenbarten Systems besteht darin, dass die Induktoren, die als Wechselstrom-Entkopplungselemente verwendet werden, den gesamten Heizstrom (bis 10 A Gleichstrom und höher) aufnehmen müssen und eine hohe Wechselstromimpedanz gleichzeitig für die kapazitive Messschaltung und die Sitzheizung darstellen. Eine hohe Induktivität und ein hoher Betriebsgleichstrom bedeuten, dass die Induktoren auf große Kerne aufgewickelt werden müssen, die teuer sind. Je nach der von der US 6,703,845 ausgewählten Anwendung müssen entweder zwei oder vier dieser Induktoren verwendet werden.
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung sieht die Verwendung des Heizelements einer Sitzheizung als Antennenelektrode eines kapazitiven Sensors vor, wobei zugleich die negative Auswirkung der Anwesenheit eines in der Nähe des Heizelements angeordneten Temperatursensors auf die kapazitive Messung verringert wird. Eine erfindungsgemäße Sitzheizung ist in Anspruch 1 definiert.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß umfasst eine Sitzheizung, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, ein Heizelement zur Abgabe von Wärme, wenn ein Heizstrom durch es fließt, sowie einen Temperatursensor zur Bereitstellung eines die Sitztemperatur angebenden Temperatursignals. Die Sitzheizung umfasst eine Gleichtaktdrossel mit mindestens drei Wicklungen. Das Heizelement ist derart in Reihe zwischen einer ersten und einer zweiten Wicklung der mindestens drei Wicklungen angeschlossen, dass es über die Gleichtaktdrossel mit einer Energiequelle wirkverbindbar ist. Der Temperatursensor ist derart an eine dritte Wicklung der mindestens drei Wicklungen angeschlossen, dass das Temperatursignal über die (dritte Wicklung der) Gleichtaktdrossel empfangen werden kann, beispielsweise von einem Temperaturregler der Sitzheizung.
Die vorliegende Erfindung nutzt eine Gleichtaktdrossel mit einem Kopplungsfaktor nahe Eins, um die Wechselstromentkopplung des Heizelements von dessen Energieversorgung zu erzielen. Die Verwendung einer Gleichtaktdrossel statt getrennter Induktoren verringert die Anzahl an Bauteilen und die Kosten. Die Gleichtaktdrossel erzeugt eine hohe Impedanz gegen Gleichtaktströme von dem Heizelement in die erste und zweite Wicklung und von dem Temperatursensor in die dritte Wicklung. Demgemäß verhindert die Gleichtaktdrossel im Wesentlichen, dass ein im Heizelement oder Temperatursensor induzierter oder in das Heizelement oder den Temperatursensor gespeister Wechselstrom über die Energieversorgung und/oder den Temperaturregler zu Masse fließt.
Der Temperatursensor kann beispielswesie ein Widerstands-Temperatursensor mit negativem Temperaturkoeffizienten, ein Widerstandssensor mit positivem Temperaturkoeffizienten, ein Halbleiter-Temperatursensor oder ein Temperatursensor mit einer analogen und/oder digitalen Verarbeitungsschaltungsanordnung sein. Der Temperatursensor kann ferner ein Teil einer integrierten Schaltung sein, die auch eine Verarbeitungsschaltung enthält, welche die gemessene Temperatur als digitales Signal ausgibt.
Der hierin verwendete Begriff „Impedanz” bezeichnet den Betrag (den Absolutwert) der komplexen Impedanz, die als das Verhältnis zwischen der (komplexen) Spannung und dem (komplexen) Strom definiert ist.
Im Folgenden wird vorausgesetzt, dass der Heizstrom ein Gleichstrom (DC; direct current) ist und dass die kapazitive Messung Wechselstrom (AC; alternative current) bei einer bestimmten Frequenz nutzt. Dies ist insofern eine Vereinfachung, als Einschwingzustände (z. B. Ein- oder Ausschalten des Heizstroms), Rauschen und Fremdströme nicht berücksichtigt werden. Es ist ferner anzumerken, dass der Heizstrom kein Gleichstrom im strengsten Sinne sein muss: er kann veränderlich sein, darf jedoch in einem langen Zeitrahmen nicht den für die kapazitive Messung verwendeten Strom stören. Der Einfachheit halber wird der Begriff „Gleichstrom” benutzt, um langsam veränderliche oder konstante Signale zu bezeichnen. Das Netz der Kapazitätsmessung arbeitet vorzugsweise bei einer Frequenz, die im Bereich von ungefähr 50 kHz bis ungefähr 10 GHz und bevorzugter im Bereich von ungefähr 50 kHz bis ungefähr 30 MHz ausgewählt ist.
Im Folgenden wird der Knoten des Heizelements, mit welchem es an die erste Wicklung angeschlossen ist, als „erster Knoten” (des Heizelements) bezeichnet. Der Knoten des Heizelements, mit welchem es an die zweite Wicklung angeschlossen ist, wird als „zweiter Knoten” (des Heizelements) bezeichnet. Diejenigen Knoten, mit welchen die erste und die zweite Wicklung den ersten und den zweiten Knoten verbinden, werden als „dritter Knoten” bzw. „vierter Knoten” bezeichnet. Das Heizelement ist vorzugsweise ein ohmsches Heizelement, d. h. ein Heizleiter (oder Heizwiderstand) wie beispielsweise ein Heizdraht, ein Heizkabel, eine Heizfaser, ein Heizfaserbündel oder eine auf ein elektrisch isolierendes (vorzugsweise flexibles) Substrat aufgedruckte Widerstandsbahn.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Temperatursensor einen ersten und einen zweiten Anschluss, wobei der Temperatursensor mit dem ersten Anschluss an die dritte Wicklung und mit seinem zweiten Anschluss an das Heizelement angeschlossen ist. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Temperatursensor eine erste und einen zweiten Anschluss, wobei die mindestens drei Wicklungen eine vierte Wicklung umfassen, wobei der Temperatursensor mit dem ersten Anschluss an die dritte Wicklung und mit seinem zweiten Anschluss an die vierte Wicklung angeschlossen ist.
Die Sitzheizung umfasst vorzugsweise einen Temperaturregler, der über die dritte Wicklung mit dem Temperatursensor wirkverbunden ist, um das Temperatursignal zu empfangen, und über die erste und/oder zweite Wicklung mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um den Heizstrom in Abhängigkeit von dem empfangenen Temperatursignal zu regeln.
Die Sitzheizung kann ein Tragelement wie beispielsweise eine elektrisch isolierende Folie oder Textilie umfassen, wobei das Heizelement und der Temperatursensor nahe beieinander darauf angeordnet sind.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Baugruppe (eine Kombination) aus einem kapazitiven Sitzbelegungssensor und einer Sitzheizung. Der kapazitive Sitzbelegungssensor umfasst vorzugsweise ein kapazitives Erfassungsnetz, das mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um daran eine oszillierende Spannung anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einem Strom, der als Reaktion auf die Anlegung der oszillierenden Spannung ins Heizelement fließt, herzuleiten. Der kapazitive Belegungssensor arbeitet im so genannten „Lademodus”. Die Wechselstromkomponente des ins Heizelement gespeisten. Stroms hängt von der Impedanz (und somit der Kapazität) des Heizelements gegen Masse ab.
Gemäß einer ersten Variante der Baugruppe umfasst das kapazitive Erfassungsnetz ein Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals im Heizelement oder zur Speisung eines oszillierenden Signals ins Heizelement sowie einen hochohmigen Verstärker mit einem mit dem Heizelement wirkverbundenen Eingangsknoten zur Untersuchung des oszillierenden Signals und einem Ausgangsknoten zur Bereitstellung eines Ausgangssignals, das das oszillierende Signal angibt. Vorzugsweise leitet das kapazitive Erfassungsnetz nicht nur die kapazitive Last des Heizelements her, sondern auch den Widerstandsteil der komplexen Impedanz zwischen dem Heizelement und Masse. Im Allgemeinen gestattet das Ausgangssignal des hochohmigen Verstärkers die Messung der am Heizelement vorliegenden Spannung, im Wesentlichen ohne dass die Messung durch sein Vorhandensein gestört wird. Die Ausgangsspannung des hochohmigen Verstärkers ermöglicht die Herleitung der komplexen Impedanz und folglich der Kapazität zwischen dem Heizelement und Masse. Da die Kapazität zwischen dem Heizelement und Masse davon abhängt, ob ein leitender Körper (z. B. ein Insasse) in der Nähe des Heizelements vorhanden ist oder nicht, kann der Belegungszustand des das Heizelement enthaltenden Sitzes aus der Ausgangsspannung des hochohmigen Verstärkers hergeleitet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „hochohmiger Verstärker” einen Verstärker, dessen komplexe Impedanz einen nacheilenden Teil, der wesentlich größer (z. B. mindestens fünfmal größer) als der nacheilende Teil der zu messenden komplexen Impedanz ist, und einen Widerstandsteil, der wesentlich größer (z. B. mindestens fünfmal größer) als der Widerstandsteil der zu messenden komplexen Impedanz ist, aufweist.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst vorzugsweise ein Referenzbauteil mit einer bekannten komplexen Impedanz (beispielsweise einen Referenzkondensator, einen Referenzinduktor und/oder einen Referenzwiderstand) und einen Schalter zum Wirkverbinden des Referenzbauteils zwischen dem Heizelement und Masse. Das Referenzbauteil kann demnach in Parallelschaltung zu der zu messenden komplexen Impedanz angeschlossen werden, indem der Schalter geschlossen wird, der in Reihe mit dem Referenzbauteil angeschlossen ist. Durch eine Untersuchung des an das Heizelement angelegten oszillierenden Signals bei geöffnetem und geschlossenem Schalter lassen sich Messfehler, die durch Produktionstoleranzen bedingt sind, und Driften, die durch Alterung und/oder Temperaturschwankungen der Schaltungsbauteile bedingt sind, reduzieren. Das Referenzbauteil wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass seine komplexe Impedanz durch Temperaturänderungen und Alterung im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt.
Das Heizungsnetz kann eine weitere Gleichtaktdrossel umfassen, die den dritten und den vierten Knoten mit einem fünften bzw. einem sechsten Knoten verbindet, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind. Das Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals im Heizelement oder zur Speisung eines oszillierenden Signals ins Heizelement kann dann eine Wechselspannungsquelle umfassen, die mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist. Die Gleichtaktdrossel, die den ersten und zweiten Knoten mit dem dritten bzw. vierten Knoten verbindet, bildet somit einen komplexen Spannungsteiler mit der zu messenden komplexen Impedanz. Der hochohmige Verstärker untersucht die geteilte Spannung. Die komplexe Impedanz kann daher aus dem Ausgangssignal des hochohmigen Verstärkers hergeleitet werden, da die durch die Wechselspannungsquelle angelegte Spannung und die Induktivität der Gleichtaktdrossel bekannt sind. Gegebenenfalls (wenn z. B. die durch die Wechselspannungsquelle angelegte Spannung nicht von vornherein bekannt ist) kann die Spannung an dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten, an den die Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, mit einem weiteren hochohmigen Verstärker untersucht werden. Falls die Induktivität unbekannt ist oder mit der Zeit und/oder Temperatur einer Drift ausgesetzt ist, kann man einen wie oben angegebenen Referenzkondensator benutzen, um die zu messende komplexe Impedanz ohne Kenntnis der Induktivität derjenigen Gleichtaktdrossel, die dem Heizelement am nächsten ist, zu berechnen.
Das Heizelement hat vorzugsweise derart eine Kapazität gegen Masse, dass die Gleichtaktdrossel (deren erste und zweite Wicklung) ein Parallelresonanznetz mit der Kapazität (und möglicherweise mit anderen Blindstromkomponenten) bildet. Das Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals im Heizelement oder zur Speisung eines oszillierenden Signals ins Heizelement kann dann Folgendes umfassen:

– eine Negativwiderstandsvorrichtung (beispielsweise der „aktive” bzw. Energie zuführende Teil einer Oszillatorschaltung), um das oszillierende Signal (bei der Resonanzfrequenz) in dem Resonanznetz aufrechtzuerhalten und um ohmsche Verluste und die aus dem Resonanznetz entzogene Energie zu kompensieren, und/oder
– eine Wechselstromquelle, die mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um einen Wechselstrom ins Resonanznetz zu speisen, und eine Frequenzsteuereinheit zur Steuerung der Frequenz des Wechselstroms.

Im ersten Fall bilden die Negativwiderstandsvorrichtung und das Resonanznetz zusammen einen Oszillator, dessen Resonanzfrequenz von der Induktivität der Gleichtaktdrossel und von der zu messenden Kapazität abhängt. Falls die Induktivität unbekannt ist oder mit der Zeit und/oder Temperatur einer Drift ausgesetzt ist, kann man einen wie oben angegebenen Referenzkondensator verwenden und die Resonanzfrequenz, die gemessen wird, wenn der Referenzkondensator parallel zu der zu messenden Kapazität geschaltet ist, mit der Resonanzfrequenz, die gemessen wird, wenn der Referenzkondensator ausgeschaltet ist, vergleichen. Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst vorzugsweise einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten des hochohmigen Verstärkers zu der Negativwiderstandsvorrichtung, um die Amplitude des oszillierenden Signals an eine Referenzamplitude anzupassen.
Im zweiten Fall wird die Schwingung des Resonanznetzes zu einer Schwingung bei der Frequenz gezwungen, die durch die Frequenzsteuereinheit bestimmt wurde. Die letztere Frequenz ist vorzugsweise gleich oder nahe bei der Resonanzfrequenz des Resonanznetzes (vorzugsweise innerhalb des Bereichs von einem Zehntel bis zum Zehnfachen der Resonanzfrequenz). Die zu messende komplexe Impedanz könnte aus der komplexen Impedanz des Resonanznetzes erhalten werden, die durch das Verhältnis zwischen der durch den hochohmigen Verstärker untersuchten komplexen Spannung und dem durch die Wechselstromquelle in das Resonanznetz gespeisten komplexen Strom gegeben ist. Die Frequenzsteuereinheit ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass sie die Frequenz des Wechselstroms innerhalb eines Frequenzfensters verändert. Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst bevorzugter einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten des hochohmigen Verstärkers zu der Frequenzsteuereinheit, um eine Phasendifferenz des Ausgangssignals und des Wechselstroms an einen Referenzphasendifferenzwert anzupassen. Der Referenzphasendifferenzwert ist vorzugsweise auf 0° eingestellt, damit der Rückkopplungszweig die Frequenzsteuereinheit tatsächlich an die Resonanzfrequenz des Resonanznetzes anpasst.
Gemäß einer zweiten Variante der Baugruppe aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor umfasst das kapazitive Erfassungsnetz einen Oszillator, der mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist, um die oszillierende Spannung in den mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten zu speisen, sowie einen Transimpedanzverstärker, der einen mit dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung und einen mit mindestens einem von dem ersten und zweiten Knoten wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist, wobei der Transimpedanzverstärker derart konfiguriert ist, dass er durch Speisung eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung (innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs) am zweiten Eingangsknoten aufrechterhält, wobei der Transimpedanzverstärker einen Ausgang zur Bereitstellung eines Signals aufweist, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den zweiten Eingang gespeisten Stroms angibt.
Der zweite Eingang des Transimpedanzverstärkers ist vorzugsweise mittels eines Kopplungskondensators mit mindestens einem von dem ersten und zweiten Knoten wechselstromgekoppelt. Ein solcher Kopplungskondensator verhindert, dass ein Gleichstrom in den Transimpedanzverstärker fließt.
Das kapazitive Erfassungsnetz kann vorteilhafterweise eine Kompensationsschaltung umfassen, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers kompensiert. Die Kompensationsschaltung umfasst vorzugsweise eine Rückkopplungsschleife, die derart konfiguriert ist, dass sie der oszillierenden Spannung eine Kompensationsspannung hinzufügt, um die Referenzspannung zu erzeugen. Eine solche Rückkopplungsschleife kann beispielsweise einen Fehlerverstärker und ein Summiernetzwerk umfassen, wobei das Summiernetzwerk zwischen dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten, dem Fehlerverstärker und dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist, wobei der Fehlerverstärker derart konfiguriert ist, dass er die Kompensationsspannung ausgibt, wenn ein Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten und zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers vorliegt, und wobei das Summiernetzwerk derart konfiguriert ist, dass es der oszillierenden Spannung die Kompensationsspannung hinzufügt, um die Referenzspannung zu erzeugen. Der Fehlerverstärker könnte beispielsweise einen Integrator umfassen. Das Summiernetzwerk kann beispielsweise eine spannungsgesteuerte Stromquelle umfassen. Es wird manchmal zwischen einer Stromquelle und einer Stromsenke unterschieden. Der erstere Begriff bezeichnet dann eine Vorrichtung mit einem aus ihr herausfließenden positiven Strom, wohingegen die „Stromsenke” eine Vorrichtung mit einem in sie hineinfließenden positiven Strom (oder desgleichen einen aus ihr herausfließenden negativen Strom) bezeichnet. Berücksichtigt man, dass der Strom allgemein als algebraische Größe betrachtet wird, die positiv und negativ sein kann, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff „Stromquelle” gleichzeitig derart verwendet, dass er sowohl eine „Stromquelle” als auch eine „Stromsenke” bezeichnet.
Sowohl mit der ersten als auch der zweiten Variante der Baugruppe aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor kann das Heizungsnetz eine weitere Gleichtaktdrossel mit mindestens drei Wicklungen umfassen. Mindestens zwei dieser Wicklungen verbinden den dritten und vierten Knoten mit einem fünften bzw. sechsten Knoten, wobei der fünfte und sechste Knoten an eine Energiequelle für das Heizungsnetz anschließbar sind; mindestens eine der mindestens drei Wicklungen ist an die dritte Wicklung der ersten Gleichtaktdrossel angeschlossen. Die Gleichtaktdrosseln sind vorzugsweise vom gleichen Typ.
Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Fahrzeugsitz, der mit einer Baugruppe aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor ausgestattet ist.
Die Baugruppe aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor umfasst vorzugsweise eine angesteuerte Schirmelektrode. Der hierin verwendete Begriff „angesteuerte Schirmelektrode” bezeichnet eine Antennenelektrode, die im Wesentlichen auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement gehalten wird. Infolgedessen entfällt im Wesentlichen das oszillierende elektrische Feld zwischen der angesteuerten Schirmelektrode und dem Heizelement. Daraus folgt, dass eine angesteuerte Schirmelektrode im Wesentlichen verhindert, dass das Heizelement kapazitiv mit Objekten gekoppelt wird, die vom Heizelement aus gesehen hinter der angesteuerten Schirmelektrode liegen. Es können eine oder mehrere angesteuerte Schirmelektroden verwendet werden, um die Empfindlichkeit des Heizelements auf einen interessierenden Bereich zu konzentrieren, also beispielsweise den räumlichen Teil über einem Fahrzeugsitz, der von einem normal sitzenden Insassen eingenommen wird. Damit die angesteuerte Schirmelektrode auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement gehalten wird, ist sie vorzugsweise mit dem einen von dem dritten und vierten Knoten wirkverbunden, mit welchem der Oszillator wirkverbunden ist.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein kapazitives Erfassungsnetz, das derart konfiguriert ist, dass es eine oszillierende Spannung an eine Antennenelektrode anlegt und eine kapazitive Last der Antennenelektrode aus einem Strom, der als Reaktion auf die Anlegung der oszillierenden Spannung in die Antennenelektrode fließt, herleitet, wobei das kapazitive Erfassungsnetz Folgendes umfasst: eine Anschlussstelle zum Anschließen des kapazitiven Erfassungsnetzes an eine Sitzheizung einschließlich eines Heizelements zur Abgabe von Wärme, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom durch das Heizelement fließt, und einen Temperatursensor zur Bereitstellung eines Temperatursignals, wobei die Anschlussstelle für den Betrieb des Heizelements als Antennenelektrode konfiguriert ist. Die Anschlussstelle umfasst eine Gleichtaktdrossel, die eine erste Wicklung zum Anschließen eines ersten Knotens des Heizelements an einen ersten Anschluss einer Energieversorgung, eine zweite Wicklung zum Anschließen eines zweiten Knotens des Heizelements an einen zweiten Anschluss der Energieversorgung und eine dritte Wicklung zum Anschließen des Temperatursensors an einen Temperaturregler umfasst.
Ein kapazitives Erfassungsnetz gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann in Kombination mit Sitzheizungen verwendet werden, die entsprechend bekannt sind. Dies wird von der Automobilindustrie sehr begrüßt, da es möglich ist, denselben Sitzheizungstyp sowohl in einer Konfiguration ohne kapazitive Belegungserfassungsfähigkeit als auch in einer Konfiguration mit kapazitiver Belegungserfassungsfähigkeit zu verwenden. Die Sitzheizung kann bei einem Fahrzeugsitz ohne Belegungssensor direkt an ihr elektronisches Steuergerät, das die Energieversorgung und den Temperaturregler umfasst, angeschlossen werden, wohingegen das wie oben beschriebene kapazitive Erfassungsnetz bei einem Fahrzeugsitz mit einem Belegungssensor zwischen dem elektronischen Steuergerät der Sitzheizung und dem Heizelement sowie dem Temperatursensor angeschlossen werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung mehrerer nicht einschränkender Ausgestaltungen anhand der begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausgestaltung einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppe, bei der ein hochohmiger Verstärker verwendet wird;
2: ein schematisches Schaltbild einer ersten praktischen Implementierung der aus der Sitzheizung und dem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppe von 1;
3: ein schematisches Schaltbild einer zweiten praktischen Implementierung der aus der Sitzheizung und dem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppe von 1;
4: ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausgestaltung einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppe;
5: ein schematisches Schaltbild einer Variante der Ausgestaltung von 4
6: ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausgestaltung einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppe, bei der ein hochohmiger Verstärker verwendet wird;
7: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsitzes, der mit einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Kombination im Wesentlichen wie in 1 versehen ist;
8: ein schematisches Schaltbild einer Variante der aus der Sitzheizung und dem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Kombination von 1;
9: ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausgestaltung einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppe, bei der ein Transimpedanzverstärker verwendet wird;
10: ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausgestaltung einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Kombination, bei der ein Transimpedanzverstärker verwendet wird;
11: ein schematisches Schaltbild einer ersten Variante der Ausgestaltung von 10;
12: ein schematisches Schaltbild einer zweiten Variante der Ausgestaltung von 10;
13: ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausgestaltung einer aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Kombination, bei der ein Transimpedanzverstärker verwendet wird;
14: eine Grafik, die, in Abhängigkeit von der Blindstromkomponente, den Schwellwert für die Wirkstromkomponente darstellt, über welchem ein Sitz als belegt gilt und unter welchem der Sitz als unbelegt gilt.
Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 bis 8 beziehen sich auf Ausgestaltungen einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination, bei denen das kapazitive Erfassungsnetz einen hochohmigen Verstärker umfasst. 9 bis 14 beziehen sich auf Ausgestaltungen einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination, bei denen das kapazitive Erfassungsnetz einen Transimpedanzverstärker umfasst.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer ersten Ausgestaltung. Die Sitzheizung umfasst ein Heizelement 10, das von dem kapazitiven Belegungssensor als eine Antennenelektrode benutzt wird, die kapazitiv an Masse gekoppelt ist. Die Stärke der kapazitiven Kopplung zwischen dem Heizelement 10 und Masse hängt davon ab, ob sich ein Insasse in der Zone zwischen dem Heizelement 10 und der an Masse gelegten Gegenelektrode befindet. Bei einem im Lademodus befindlichen kapazitiven Belegungssensor für einen Fahrzeugsitz entspricht die an Masse gelegte Gegenelektrode normalerweise dem Fahrzeugchassis.
Zuerst Bezug nehmend auf die Sitzheizung, umfasst das Heizungsnetz eine Energiequelle 12, die das Heizelement 10 mit dem notwendigen Gleichstrom-Heizstrom zur Durchführung der Heizfunktion versorgt. Das Heizungsnetz umfasst einen Temperaturregler 14, der den Gleichstrom-Heizstrom je nach der Ist- oder Solltemperatur der Sitzheizung ein- und ausschaltet.
Das Heizelement 10 ist zwischen einem ersten 21 und einem zweiten 22 Knoten angeschlossen. Wenn die Energieversorgung eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22 anlegt, fließt der Heizstrom durch das Heizelement 10, welches dadurch veranlasst wird, Wärme abzuführen. Das Heizelement 10 ist mittels einer ersten Gleichtaktdrossel 16, die drei Wicklungen umfasst, mit der Energiequelle 12 wirkverbunden. Eine erste 16.1 und eine zweite 16.2 Wicklung davon verbindet den ersten 21 und zweiten 22 Knoten mit einem dritten 23 bzw. einem vierten 24 Knoten. In 1 entspricht der dritte Knoten 23 Masse, wohingegen der vierte Knoten 24 über den Temperaturregler 14 mit dem Hochspannungs-Anschluss der Energiequelle 12 wirkverbunden ist. Die Gleichtaktdrossel 16 zeigt eine geringe Impedanz für Gleichstrom, aber eine wesentliche Impedanz für Wechselstrom bei der Betriebsfrequenz des kapazitiven Belegungssensors.
Der Temperaturregler 14 ist mit einem Temperatursensor 15 wirkverbunden, der in der Nähe des Heizelements 10 angeordnet ist. Die dritte Wicklung 16.3 der Gleichtaktdrossel 16 verbindet den ersten Anschluss 15.1 des Temperatursensors mit dem Temperaturregler 14. Der zweite Anschluss 15.2 des Temperatursensors ist mit dem zweiten Knoten 22 des Heizelements 10 verbunden. Der in 1 dargestellte Temperatursensor ist ein Widerstands-Temperatursensor mit negativem Temperaturkoeffizienten, doch statt dessen könnten auch andere Temperatursensoren wie beispielsweise ein Widerstands-Temperatursensor mit positivem Temperaturkoeffizienten, ein Halbleiter-Temperatursensor oder ein Temperatursensor mit einer analogen und/oder digitalen Verarbeitungsschaltungsanordnung usw. verwendet werden.
Der Temperaturregler 14 kann einen vom Benutzer betätigbaren Hauptschalter (nicht dargestellt) umfassen, der es dem Benutzer ermöglicht, die gesamte Sitzheizung und die die Temperatur regelnde Steuerelektronik (die z. B. einen Thermostat umfasst) ein- oder auszuschalten, um komfortables Sitzen zu gewährleisten. Beim Betrieb der Sitzheizung öffnet und schließt der Temperaturregler 14 die Heizschaltung (Pulsweitenmodulation des Heizstroms) derart, dass eine voreingestellte Solltemperatur erzielt wird. Die Solltemperatur kann vorzugsweise vom Benutzer mit einer Schnittstelle der Temperaturregelung (beispielsweise ein Knopf, ein Schieber, ein Rad oder dergleichen) ausgewählt werden. Der Hauptschalter und die Schnittstelle der Temperaturregelung sind vorzugsweise in dasselbe Steuerelement eingebaut.
Wenn die Sitzheizung mit Gleichstrom-Heizstrom versorgt wird (d. h. wenn der Temperaturregler 14 die Heizschaltung schließt), fließt Strom von der Energiequelle 12 durch den Regler 14, den hierin als „vierter Knoten” bezeichneten Knoten 24, die zweite Wicklung 16.2 der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „zweiter Knoten” bezeichneten Knoten 22, das Heizelement 10, den hierin als „erster Knoten” bezeichneten Knoten 21, die erste Wicklung 16.1 der Gleichtaktdrossel 16 und den hierin als „dritter Knoten” bezeichneten Knoten 23, der auf Massepotential liegt. Die Heizschaltung ist über die Masseverbindung zwischen dem dritten Knoten 23 und der Energiequelle 12 geschlossen.
Das kapazitive Erfassungsnetz (in 1 durch die Punktlinie gekennzeichnet) umfasst einen hochohmigen Verstärker 32, dessen Eingangsknoten 34 an das Heizelement 10 am ersten Knoten 21 angeschlossen ist, einen Referenzkondensator 36, der zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse in Reihe mit einem Schalter 38 angeschlossen ist, und ein aktives Bauteil (in diesem Fall die Negativwiderstandsvorrichtung 52), das mit dem Heizelement 10 am ersten Knoten 21 wirkverbunden ist.
Die Kondensatoren 40 und 42 repräsentieren symbolisch die kapazitive Kopplung des Heizelements 10 an eine an Masse gelegte Elektrode (normalerweise der Fahrzeugrahmen). Die Kapazität (und somit die Impedanz) dieser Kondensatoren 40, 42 hängt davon ab, ob der Raum zwischen dem Heizelement 10 und der an Masse gelegten Elektrode von einem leitenden Körper (beispielsweise einem Insassen) belegt ist oder nicht. Die Kapazitäten 40 und 42 zusammen definieren die zu messende Kapazität bzw. Impedanz.
Die Kapazitäten 40 und 42 sind zwischen dem Heizelement 10 und Masse elektrisch parallel zur Gleichtaktdrossel 16 geschaltet. Demgemäß bilden die Gleichtaktdrossel 16 und die zu messende Kapazität – möglicherweise zusammen mit weiteren Blindstromkomponenten (beispielsweise einer oder mehrere Kondensatoren oder eine oder mehrere Induktivitäten) – ein Parallelresonanznetz, dessen Resonanzfrequenz von der zu messenden Kapazität abhängt. Die weiteren Blindstromkomponenten können derart ausgewählt werden, dass sie die Resonanzfrequenz in ein gewünschtes Frequenzband verschieben.
Die Negativwiderstandsvorrichtung 52 ist vorzugsweise der aktive, die Schwingung aufrechterhaltende Teil eines Oszillators. Sie erhält einen oszillierenden Strom im Resonanznetz aufrecht, indem sie ohmsche Verluste derart kompensiert, dass das Resonanznetz bei oder nahe seiner Resonanzfrequenz arbeitet.
Der eine hohe Eingangsimpedanz aufweisende Verstärker 32 untersucht die Wechselspannung am ersten Knoten 21 und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal am Ausgangsknoten 44 aus, das anschließend weiterverarbeitet werden kann, um die zu messende Kapazität herzuleiten.
Die zu messende komplexe Impedanz (und somit die zu messende Kapazität) kann auf der Grundlage der Frequenz und Amplitude des Ausgangssignals zusammen mit der bekannten komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 ermittelt werden.
Das in 1 dargestellte kapazitive Erfassungsnetz umfasst ferner einen Kopplungskondensator 46, der einen Wechselstromnebenschluss des Heizelements 10 repräsentiert. Die Impedanz des Kondensators 46 wird derart ausgewählt, dass sie wesentlich kleiner als die Impedanz der zu messenden Gesamtkapazität ist. In Abwesenheit des Kondensators 46 würde eine Unterbrechung (Bruch) des Heizelements 10 eine wesentlich kleinere Antennenelektrode ergeben: dies wiederum würde die messbare Kapazität reduzieren. Wenn das in 1 dargestellte Heizelement 10 beispielsweise in der Mitte durchbräche, würde die Messschaltung die Kapazität 40 messen (aber nicht die Kapazität 42). Der Kopplungskondensator 46 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22, d. h. den Anschlüssen des Heizelements 10. Wenn im Heizelement 10 ein (einziger) Bruch eintritt, dann bleibt das kapazitive Erfassungsnetz im Wesentlichen unbeeinträchtigt und misst dennoch die Gesamtkapazität zwischen dem Heizelement 10 und Masse wegen des durch den Kondensator 46 bereitgestellten Wechselstromnebenschlusses.
Die Kopplungskondensatoren 48 und 50 erzeugen Wechselstromkurzschlüsse zwischen dem dritten Knoten 23, dem vierten Knoten 24 und dem Leiter zwischen dem Temperaturregler 14 und der dritten Wicklung der Gleichtaktdrossel. Diese Kondensatoren 48 und 50 verhindern, dass ein etwaiger Wechselstrom in die Gleichstrom-Energiequelle 12 und dadurch möglicherweise in das Energienetz des Fahrzeugs zurückgespeist wird.
Ein Problem, das eventuell entsteht, wenn die Induktivität einer Gleichtaktdrossel als Induktivität des Parallelresonanz-LC-Tankkreises zusammen mit der zu messenden Kapazität verwendet wird, besteht darin, dass die Drift, Temperaturabhängigkeit oder Teiletoleranz der Induktivität zu einem Messfehler bei der unbekannten Kapazität führt. Die Berechnung der zu messenden Kapazität kann bei Verwendung des Referenzkondensators 36 von der komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 unabhängig sein.
Der Referenzkondensator 36 hat eine bekannte Kapazität (Cref) und ist in Reihe mit einem elektronischen Schalter 38 zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse angeschlossen.
Das folgende Verfahren kann z. B. unter der Steuerung eines Mikrocontrollers (nicht dargestellt) des kapazitiven Erfassungsnetzes durchgeführt werden. Eine erste Messung der Resonanzfrequenz des Parallelresonanz-LC-Tankkreises erfolgt mit ausgeschaltetem Referenzkondensator 36 (Schalter 38 offen). Dieser Frequenzwert wird gespeichert (hier als „fa”). Eine zweite Messung der Resonanzfrequenz erfolgt, wenn der Referenzkondensator 36 eingeschaltet ist (Schalter 38 geschlossen), d. h. in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität angeschlossen ist. Der so erhaltene Frequenzwert wird gespeichert (hier als „fb”). Die Beziehungen zwischen den Resonanzfrequenzen und den induktiven und kapazitiven Komponenten der Schaltung können ausgedrückt werden durch:
wobei L die Induktivität der Gleichtaktdrossel, Cx die zu messende Kapazität und Cref die bekannte Kapazität sind.
Die zwei Gleichungen können derart kombiniert werden, dass sie Cx als Funktion der gemessenen Frequenzen fa und fb ergeben:
Die Induktivität L wurde in der letzteren Gleichung eliminiert und beeinflusst demzufolge nicht die Kapazitätsmessung.
Es lohnt sich wiederum anzumerken, dass die dritte Wicklung 16.3 der Gleichtaktdrossel zwischen dem Erfassungseingang 14.1 des Temperaturreglers 14 und dem Temperatursensor 15 angeschlossen ist. Eine Eigenschaft einer Gleichtaktdrossel besteht darin, dass die Wechselspannungen über jeder ihrer Wicklungen (im Wesentlichen) identisch sind. Der Erfassungseingang 14.1 des Temperaturreglers ist über die Innenimpedanz des Erfassungseingangs 14.1, die bei einer praktischen Implementierung beispielsweise im Bereich von 1 nF bis 10 nF umfasst ist, mit Wechselstrommasse verbunden. Da sich die Gleichtaktdrossel so verhält, dass sie die Wechselspannungen über ihren Wicklungen identisch hält, ist der erste Anschluss 15.1 des Temperatursensors im Wesentlichen auf dem gleichen Wechselstrompotential wie das Heizelement 10. Demnach fließt während der kapazitiven Messung im Wesentlichen kein Wechselstrom durch den Temperatursensor 15. Es ist anzumerken, dass der Kopplungskondensator 50 optional ist, wenn die Wechselstrom-Innenimpedanz gegen Masse des Erfassungseingangs 14.1 des Temperaturreglers 14 niedrig genug ist.
Wenn der erste Anschluss 15.1 des Temperatursensors 15 direkt mit dem Erfassungseingang 14.1 des Temperaturreglers 14 verbunden wäre (ohne die dritte Wicklung 16.3 dazwischen), würde die niedrige Impedanz des Erfassungseingangs 14.1 gegen Wechselstrommasse einen nicht vernachlässigbaren Messfehler in die kapazitive Messung einbringen. Man kann beispielsweise eine Kapazität von 1 nF und 10 nF zwischen dem Erfassungseingang 14.1 und Masse auswählen, um die Störung elektromagnetischer Wellen an den Drähten zwischen dem Temperaturregler 14 und dem Heizelement 10 sowie dem Temperatursensor 15 zu unterdrücken. Ohne die Wicklung 16.3 wären diese Kapazität und der Wirkwiderstand des Temperatursensors (normalerweise ungefähr 10 kΩ bei Raumtemperatur) in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität 40, 42. Die daraus resultierende Impedanz würde einen unannehmbar hohen Messfehler in die Messung der Kapazität 40, 42 einbringen. Die Impedanz zwischen dem Temperatursensor 15 und Masse (über die Innenkapazität des Erfassungseingangs 14.1) kann dank der Gleichtaktdrossel 16 auf einen annehmbaren Wert erhöht werden. Dank der Gleichtaktdrossel wird der Temperatursensor sogar wirksam zu einem Teil der Erfassungselektrode, was die Empfindlichkeit der kapazitiven Messung steigert.
2 zeigt eine praktische Implementierung der Schaltung von 1. 2 veranschaulicht insbesondere einen möglichen Weg zur Implementierung der Negativwiderstandsvorrichtung 52 von 1. In 2 werden gegebenenfalls die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Elemente, die bereits anhand von 1 besprochen wurden, werden der Kürze halber nicht wieder behandelt. In 2 sind der Referenzkondensator 36 und der Schalter 38 nicht dargestellt. Es versteht sich für den Fachmann, dass ein solcher Referenzkondensator oder ein anderes Referenzbauteil in der gleichen Weise verwendet werden könnte, wie es in Bezug auf 1 besprochen wurde. Die in 2 dargestellte Implementierung ist in jeder anderen Hinsicht so konfiguriert, wie es in Bezug auf die Ausgestaltung von 1 beschrieben wurde, und arbeitet so, wie es in Bezug auf die Ausgestaltung von 1 beschrieben wurde.
Die Negativwiderstandsvorrichtung 52 ist der aktive, die Schwingung aufrechterhaltene Teil eines Oszillators. Sie ist der aktive Teil eines emittergekoppelten LC-Oszillators und umfasst Transistoren 54 und 56 sowie eine Stromsenke 58. Die Schaltung ist entnommen aus Tietze/Schenk, „Halbleiterschaltungstechnik", 12. Auflage, S. 878, Abb. 14.10. Die gleiche Schaltung ist auch als Oszillatorkern in der integrierten Motorola-Schaltung MC1684 („Voltage controlled oscillator”; spannungsgesteuerter Oszillator) implementiert. Der Transistor 54 tastet die Spannung über dem Parallelresonanz-LC-Tankkreis ab und steuert den Strom über die Emitterschaltung durch den Transistor 56. Der Strom durch den Transistor 56 wird selbst über dessen Kollektor in den Parallelresonanz-LC-Tankkreis zurückgespeist, wodurch die Schwingung des Oszillators aufrechterhalten wird. Die Stromsenke 58 führt den Betriebsstrom der Schaltung zu.
Der hochohmige Verstärker untersucht die Wechselspannung am ersten Knoten 21 und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal an seinem Ausgangsknoten 44 aus. Wenn der durch die Stromsenke 58 erzeugte Versorgungsstrom auf einen passenden Wert eingestellt ist, hängt die Amplitude der Wechselspannung am Knoten 21 im Wesentlichen nur von der ohmschen Komponente des Resonanznetzes ab. Die zu messende Kapazität kann dann auf der Grundlage der Frequenz und Amplitude des Ausgangssignals des hochohmigen Verstärkers 32 und der bekannten Induktivität der Gleichtaktdrossel 16 berechnet werden. Ferner kann der Widerstandsteil der zu messenden komplexen Impedanz ermittelt werden, indem die Amplitude des Ausgangssignals am Knoten 44 und/oder die Gleichstromenergie, die die Stromsenke 58 ihrer Energieversorgung entzieht, gemessen werden.
Gemäß einer weiteren Weiterentwicklung der Implementierung von 2 wird dem Oszillator eine „automatische Abgleichschleife” (im Engl.: „automatic levelling loop”, die beispielsweise in der oben angeführten integrierten Motorola-Schaltung MC1684 „Voltage controlled oscillator” implementiert ist) hinzugefügt. Eine Implementierung einer solchen Schleife ist in 3 dargestellt. Ein Gleichrichter 60 wandelt die Spitzenamplitude des Ausgangssignals des hochohmigen Verstärkers, die proportional zu der Amplitude der Wechselspannung am Knoten 21 ist, in eine proportionale Gleichspannung um. Ein Fehlerverstärker 62 vergleicht diese Gleichspannung mit einem durch eine Spannungsquelle 64 definierten Referenzwert und gibt eine Steuerspannung an seinem Ausgangsknoten 66 aus. Diese Steuerspannung steuert eine Stromsenke, die einen Transistor 68, einen Widerstand 70 und eine Vorspannungsquelle 72 derart umfasst, dass die Amplitude des LC-Tankkreises (die Amplitude der Wechselspannung am Knoten 21) im Wesentlichen konstant bleibt. Die Größe des Stroms durch die Stromsenke um den Transistor 68 herum zeigt dann ein umgekehrtes Ansprechen auf die parallele ohmsche Komponente des Parallelresonanz-LC-Tankkreises. Da die Steuerspannung des Knotens 66 im Wesentlichen proportional zu dem durch die Stromsenke fließenden Strom ist, kann die Steuerspannung des Knotens 66 zur Berechnung des Widerstandswerts der zu bestimmenden Impedanz verwendet werden.
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausgestaltung einer Baugruppe aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor. Elemente, die den Ausgestaltungen von 1 und 4 gemeinsam sind und die die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 4 die gleichen Bezugszeichen wie in 1. Wie bei den vorher beschriebenen Ausgestaltungen umfasst die Sitzheizung ein Heizelement 10, das von dem kapazitiven Belegungssensor als eine Antennenelektrode verwendet wird, die kapazitiv an Masse gekoppelt ist. Die durch das kapazitive Erfassungsnetz zu messende Kapazität ist wieder symbolisch durch die Kondensatoren 40 und 42 verkörpert. In den im Folgenden beschriebenen Figuren sind der Referenzkondensator und dessen Schalter nicht dargestellt. Es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass ein solcher Referenzkondensator oder ein anderes Referenzbauteil in der gleichen Weise verwendet werden könnte, wie es im Hinblick auf 1 besprochen wurde.
Bei der Ausgestaltung von 4 ist eine Wechselstromquelle 74, die einen Wechselstrom in das Resonanznetz speist, das bei oder nahe seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, an den ersten Knoten 21 angeschlossen. Die Wechselstromquelle 74 umfasst einen Mikrocontroller 76, einen gesteuerten Oszillator 78 (beispielsweise einen direkten digitalen Synthesizer, der normalerweise als „DDS” bezeichnet wird) und eine spannungsgesteuerte Stromquelle 80. Der Mikrocontroller 76 stellt die Frequenz des DDS 78 ein, indem er die passenden Frequenzeinstellregister des DDS 78 einstellt. Der DDS 78 gibt eine Sinusspannung aus, welche die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 in einen proportionalen Strom umwandelt. Die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 kann beispielsweise mit einem Operationstranskonduktanzverstärker wie z. B. der von Texas Instruments Inc. hergestellten integrierten Schaltung OPA861 implementiert werden. Der Mikrocontroller 76 wobbelt die Frequenz des DDS-Generators durch einen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz des Resonanznetzes herum. Die Resonanzfrequenz wird festgestellt, indem die Frequenz gemessen wird, bei welcher die Amplitude des Ausgangssignals am Knoten 44 am höchsten ist, oder indem die Frequenz gemessen wird, bei welcher die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal am Knoten 44 und der Ausgangsspannung des DDS 78 oder des durch die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 ausgegebenen Stroms im Wesentlichen gleich Null ist. Die zu messende Kapazität kann dann basierend auf der bekannten Induktivität der Gleichtaktdrossel und der festgestellten Resonanzfrequenz berechnet werden. Bei der Resonanzfrequenz gibt die Amplitude des Ausgangssignals am Knoten 44 die Wirkkomponente (d. h. den Widerstandsteil) der zu messenden Impedanz an. Falls die komplexe Impedanz der Gleichtaktdrossel unbekannt oder zu ungewiss ist, kann man einen Referenzkondensator in einer Weise verwenden, die der vorstehend beschriebenen analog ist, um die komplexe Impedanz der Gleichtaktdrossel zu eliminieren.
5 zeigt eine Variante der Ausgestaltung von 4. Gemäß dieser Variante umfasst das kapazitive Erfassungsnetz einen Rückkopplungszweig von dem Ausgangsknoten 44 des hochohmigen Verstärkers 32 zu der Wechselstromquelle. Der Zweck der Rückkopplungsschleife besteht darin, die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal am Knoten 44 und dem durch die Wechselstromquelle erzeugten Wechselstrom an einen Referenzphasendifferenzwert 0° anzupassen. Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal am Knoten 44 und dem von der Wechselstromquelle erzeugten Signal wird durch einen flankensensitiven Phasendetektor 82 gemessen, der an seinen Eingängen das Ausgangssignal des Knotens 44 und die Wechselstrom-Steuerspannung, die die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 steuert, empfängt. Der flankensensitive Phasendetektor 82 integriert die Phasendifferenz zwischen seinen Eingangssignalen und erzeugt ein Fehlersignal, das einem spannungsgesteuerten Oszillator 84 zugeführt wird. Der Pegel des Fehlersignals variiert, solange eine Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen des flankensensitiven Phasendetektors 82 vorliegt, und bewirkt, dass der spannungsgesteuerte Oszillator eine Wechselstrom-Steuerspannung ausgibt, deren Frequenz sich schrittweise derjenigen Frequenz nähert, bei der die Phasendifferenz letztlich wegfällt. Diese Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz des Resonanznetzes. Der flankensensitive Phasendetektor 82 und der spannungsgesteuerte Oszillator können beispielsweise in der Art der Teile Phasenvergleicher II bzw. VCO (voltagecontrolled oscillator; spannungsgesteuerter Oszillator) der von Texas instruments Inc. hergestellten integrierten Schaltung CD4046 mit „CMOS micropower phase locked loop” (CMOS-Mikroenergie-Phasenregelkreis) implementiert werden. Die spannungsgesteuerte Stromquelle 80 kann beispielsweise mit einem Operationstranskonduktanzverstärker wie z. B. der von Texas Instruments Inc. hergestellten integrierten Schaltung OPA861 implementiert werden. Das kapazitive Erfassungsnetz von 5 arbeitet demnach bei der Resonanzfrequenz des Resonanznetzes. Außer bei Einschwingvorgängen ist die Frequenz des Ausgangssignals somit gleich der Resonanzfrequenz, die von der zu messenden Kapazität abhängt. Demgemäß kann die zu messende Kapazität auf die gleiche Weise ermittelt werden, wie es in Bezug auf 1 beschrieben wurde.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination. Elemente, die den Ausgestaltungen von 1 und 6 gemeinsam sind und die die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 6 die gleichen Bezugszeichen wie in 1. Elemente, die bereits anhand von 1 besprochen wurden, werden der Kürze halber nicht wieder in allen Einzelheiten behandelt. Die folgende Beschreibung konzentriert sich deshalb auf die Unterschiede im Vergleich zu der Ausgestaltung von 1.
Das Heizelement 10 ist über eine erste Gleichtaktdrossel 16 und eine zweite Gleichtaktdrossel 18 mit der Energiequelle 12 wirkverbunden. Jede der Gleichtaktdrosseln 16, 18 umfasst drei Wicklungen. Eine erste 16.1 und eine zweite 16.2 Wicklung der ersten Gleichtaktdrossel 16 verbindet den ersten 21 und den zweiten 22 Knoten mit einem dritten 23 bzw. einem vierten 24 Knoten. Eine erste 18.1 und eine zweite 18.2 Wicklung der zweiten Gleichtaktdrossel 18 verbindet den dritten 23 und den vierten 24 Knoten mit einem fünften 25 bzw. einem sechsten 26 Knoten. In 6 entspricht der fünfte Knoten 25 Masse, wohingegen der sechste Knoten 26 über den Temperaturregler 14 mit dem Hochspannungs-Anschluss der Energiequelle 12 wirkverbunden ist.
Beide Gleichtaktdrosseln 16, 18 zeigen eine niedrige Impedanz für Gleichstrom, aber eine wesentliche Impedanz für Wechselstrom bei der Betriebsfrequenz des kapazitiven Belegungssensors.
Wenn die Sitzheizung mit Gleichstrom-Heizstrom versorgt wird (d. h. wenn der Temperaturregler 14 die Heizschaltung schließt), fließt Strom von der Energiequelle 12 durch den Temperaturregler 14, den hierin als „sechster Knoten” bezeichneten Knoten 26, die zweite Wicklung 18.2 der Gleichtaktdrossel 18, den hierin als „vierter Knoten” bezeichneten Knoten 24, die zweite Wicklung 16.2 der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „zweiter Knoten” bezeichneten Knoten 22, das Heizelement 10, den hierin als „erster Knoten” bezeichneten Knoten 21, die erste Wicklung 16.1 der Gleichtaktdrossel 16, den hierin als „dritter Knoten” bezeichneten Knoten 23, die erste Wicklung 18.1 der Gleichtaktdrossel 18 und den hierin als „fünfter Knoten” bezeichneten Knoten 25, der auf Massepotential liegt. Die Heizschaltung wird über den Masseanschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und der Energiequelle 12 vervollständigt.
Der Temperaturregler 14 ist über die dritte Wicklung 18.3 der Gleichtaktdrossel 18 und die dritte Wicklung 16.3 der Gleichtaktdrossel 16 mit dem ersten Anschluss 15.1 des Temperatursensors wirkverbunden. Der zweite Anschluss 15.2 des Temperatursensors ist an den zweiten Knoten 22 des Heizelements 10 angeschlossen. Der Temperaturregler 14 funktioniert wie anhand von 1 beschrieben.
Das kapazitive Erfassungsnetz umfasst eine Wechselspannungsquelle 28, die durch einen Kopplungskondensator 30 mit dem dritten Knoten 23 des Heizungsnetzes wechselstromgekoppelt ist. Die Wechselspannungsquelle 28 legt durch den Kopplungskondensator 30 eine Wechselspannung an den dritten Knoten 23 an. Die Frequenz der Wechselspannung (oszillierenden Spannung) kann beispielsweise so gewählt werden, dass sie 1 MHz beträgt. Die an den dritten Knoten 23 angelegte Wechselspannung bewirkt, dass ein Wechselstrom durch die Gleichtaktdrossel 16 und die Kondensatoren 40, 42 zu Masse fließt. Die Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 (hauptsächlich deren Induktivität) bildet demnach zusammen mit der zu messenden Kapazität (die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren 40, 42) einen komplexen Spannungsteiler, der die Wechselspannung am ersten Knoten 21 teilt. Die geteilte Wechselspannung wird mit dem eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Verstärker 32 untersucht. Der hochohmige Verstärker 32 stellt an seinem Ausgangsknoten 44 ein Ausgangssignal bereit, das die Wechselspannung am ersten Knoten angibt. Das Ausgangssignal kann weiterverarbeitet werden, um die zu messende Kapazität herzuleiten. Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem die Amplitude und die Phase des Ausgangssignals mit der Amplitude und Phase der an den dritten Knoten angelegten Wechselspannung verglichen werden.
Ein solcher Vergleich wird vorzugsweise dadurch bewerkstelligt, dass die Amplitude und Phase der Wechselspannung am dritten Knoten 23 gemessen werden. Die zu messende Kapazität kann anschließend basierend auf der ausgegebenen Wechselspannung des hochohmigen Verstärkers 32, der gemessenen Wechselspannung am dritten Knoten und der bekannten komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 bei der Frequenz der angelegten Wechselspannung ermittelt werden.
Statt die Spannung am dritten Knoten 23 zu messen, kann das Netz derart konstruiert werden, dass die Amplitude der Wechselspannung am dritten Knoten 23 einen bekannten Wert annimmt. Gemäß dieser Option werden die Kapazität des Kopplungskondensators 30 und die Ausgangsimpedanz der Wechselspannungsquelle 28 vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie wesentlich kleiner (vorzugsweise mindestens zehnmal kleiner) als die Impedanz der Gleichtaktdrossel 18 und die zu messende Impedanz sind, so dass die Wechselspannung am dritten Knoten im Wesentlichen der von der Wechselspannungsquelle 28 ausgegebenen Wechselspannung gleicht. Die zu messende Kapazität kann dann auf der Grundlage der ausgegebenen Wechselspannung des hochohmigen Verstärkers 32, der bekannten Wechselspannung am dritten Knoten und der bekannten komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 bei der Frequenz der angelegten Wechselspannung ermittelt werden.
Wenn Alterung, Temperaturabhängigkeit und/oder Teiletoleranz dazu führen könnten, dass die tatsächliche komplexe Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 von dem für die Berechnung verwendeten theoretischen Wert abweicht und einen Messfehler bei der unbekannten Kapazität zur Folge hat, kann die Berechnung der zu messenden Kapazität bei Verwendung des Referenzkondensators 36 unabhängig von der komplexen Impedanz der Gleichtaktdrossel 16 erfolgen.
Der Referenzkondensator 36 (der die bekannte Kapazität 43 Cref hat) ist in Reihe mit dem elektronischen Schalter 38 angeschlossen. Der Referenzkondensator 36 und der Schalter 38 sind beide zwischen dem ersten Knoten 21 und Masse angeschlossen.
Das folgende Verfahren kann z. B. unter der Steuerung eines Mikrocontrollers (nicht dargestellt) des kapazitiven Erfassungsnetzes durchgeführt werden. Eine erste Messung der komplexen Spannung am Ausgangsknoten 44 erfolgt mit ausgeschaltetem Referenzkondensator (Schalter 38 offen). Diese komplexe Spannung wird gespeichert (hier als „U_2A”). Eine zweite Messung der komplexen Ausgangsspannung erfolgt mit eingeschaltetem Referenzkondensator 36 (Schalter 38 geschlossen). Während der zweiten Messung ist der Referenzkondensator in Parallelschaltung an die zu ermittelnde Kapazität angeschlossen. Die komplexe Spannung, die gemessen wird, während der Referenzkondensator angeschlossen ist, wird gespeichert (hier als „U_2B”). Die komplexe Spannung des dritten Knotens (bekannt oder gemessen) wird als „U₁” bezeichnet. Die komplexe Impedanz Zx der zu messenden Kapazität kann mit Folgendem berechnet werden:
wobei Zref die komplexe Impedanz des Referenzkondensators 36 ist.
Es ist offensichtlich, dass Zref nicht zwangsläufig die komplexe Impedanz eines Kondensators sein muss. Demgemäß könnte man ein beliebiges Referenzbauteil mit einer bekannten komplexen Impedanz an Stelle des Referenzkondensators 36 verwenden. Das Referenzbauteil könnte mehrere Elemente wie beispielsweise Widerstände, Induktoren und/oder Kondensatoren umfassen.
Der Kopplungskondensator 48 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und dem sechsten Knoten 26 (über Masse). Der Kopplungskondensator 48' erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem dritten Knoten 23 und dem vierten Knoten 24. Der Kopplungskondensator 50 erzeugt einen Wechselstromkurzschluss zwischen dem fünften Knoten 25 und dem Erfassungseingang 14.1 des Temperaturreglers 14. Es kann ein Kopplungskondensator zwischen dem Knoten 23 (oder Knoten 24) und dem Knoten zwischen den Wicklungen 18.3 und 16.3 für den Fall hinzugefügt werden, dass der Kopplungskoeffizient zwischen den Wicklungen 18.3 und 18.1 oder 18.2 der Gleichtaktdrossel 18 nicht nahe genug bei 1 liegt.
Der Kondensator 50 verhindert, dass ein etwaiger von der Wechselstrom-Signalquelle 28 kommender Wechselstrom in die Gleichstrom-Energiequelle 12 und dadurch möglicherweise in das Energienetz des Fahrzeugs zurückgespeist wird.
7 zeigt schematisch einen Fahrzeugsitz 86, der mit einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor in Kombination versehen ist, welche – mit Ausnahme der angesteuerten Schirmelektrode (oder Schutzelektrode) 88, die über einen Spannungsfolger 90 an den ersten Knoten 21 angeschlossen ist – im Wesentlichen der in 1 dargestellten Kombination entspricht.
Das Heizelement 10 ist in dem Sitz 86 und insbesondere unter der Sitzoberfläche angeordnet. Zusätzlich zu der zu messenden Kapazität bzw. Impedanz (wieder durch die Kondensatoren 40 und 42 dargestellt) gibt es eine zusätzliche Kapazität zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 92. Die zusätzliche Kapazität ist in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität und kann beträchtliche Messfehler einbringen, da sie kaum bekannt ist und sich während der Lebensdauer der Anwendung ändern kann. Zur Unterdrückung des Einflusses der zusätzlichen Kapazität ist zwischen der Sitzheizung 10 und dem Sitzrahmen 92 eine Schutzelektrode 88 angeordnet. Die Schutzelektrode 88 kann beispielsweise eine leitende Schicht wie z. B. eine leitende Folie oder Textilie sein, die zumindest den Bereich überdeckt, über den sich das Heizelement 10 erstreckt. Die Schutzelektrode 88 ist zur besseren Abschirmung vorzugsweise größer als der Bereich, über den sich das Heizelement 10 erstreckt. Wie oben angeführt wurde, ist die Schutzelektrode 88 elektrisch über den Spannungsfolger 90 an den ersten Knoten 21 angeschlossen. Der Spannungsfolger 90 hat eine hohe Eingangsimpedanz, damit die Messung nicht gestört wird. Der Spannungsfolger 90 hält die Spannung an der Schutzelektrode 88 im Wesentlichen gleich der Spannung am Heizelement 10. Bei der Durchführung der kapazitiven Messung gibt es demnach keine oder lediglich eine sehr geringe Wechselspannungsdifferenz zwischen dem Heizelement 10 und der Schutzelektrode 88. Infolgedessen fließt im Wesentlichen kein Wechselstrom zwischen dem Heizelement 10 und der Schutzelektrode 88. Da die Schutzelektrode 88 zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 92 angeordnet ist, fließt im Wesentlichen kein Wechselstrom zwischen dem Heizelement 10 und dem Sitzrahmen 92.
Der Temperatursensor 15 ist im Fahrzeugsitz 86 in der Nähe des Heizelements angeordnet. Der Temperatursensor 15, das Heizelement 10 und die Schutzelektrode sind vorteilhafterweise in einem einzigen Bauteil eingebaut, um die Anordnung im Sitz zu erleichtern.
8 zeigt eine Variante der Sitzheizung und des kapazitiven Belegungssensors in Kombination von 1. Die Variante ist im Wesentlichen mit der Ausgestaltung von 1 identisch, außer dass die Gleichtaktdrossel 16 vier Wicklungen 16.1, 16.2, 16.3 und 16.4 umfasst und dass der Temperatursensor in Reihe zwischen der dritten 16.3 und der vierten 16.4 Wicklung der Gleichtaktdrossel angeschlossen ist. Der Temperaturregler 14 umfasst ferner zwei Anschlüsse 14.1, 14.2 für den Anschluss des Temperatursensors 15. Beide Anschlüsse 14.1 und 14.2 sind über die Kopplungskondensatoren 50 bzw. 50'' mit Masse wechselstromgekoppelt, um zu gewährleisten, dass die Anschlüsse der Wicklungen der Gleichtaktdrossel 16, die an den Temperaturregler angeschlossen sind, alle auf dem gleichen Wechselstrompotential sind.
Obwohl die Heizschaltung und die Temperaturerfassungsschaltung in diesem Fall voneinander getrennt sind, würde der Temperatursensor 15 eine unerwünschte Kapazität zwischen dem Heizelement 10 und dem Temperatursensor 15 (oder deren Anschlussdrähten) hervorrufen, wenn er nicht von dem Temperaturregler 14 wechselstromentkoppelt wäre.
Nun Bezug nehmend auf die Ausgestaltungen, die Transimpedanzverstärker zum Messen der Kapazität aufweisen, zeigt 9 ein schematisches Blockschaltbild einer Sitzheizung und eines kapazitiven Belegungssensors in Kombination gemäß einer ersten solchen Ausgestaltung.
Die Ausgestaltung von 9 ähnelt in vielerlei Hinsicht derjenigen von 6. Daher werden bei 9 gegebenenfalls die gleichen Bezugszeichen wie bei 6 verwendet. Elemente, die bereits anhand von 6 besprochen wurden, werden der Kürze halber nicht wieder behandelt. Die Heizschaltung der Ausgestaltung von 9 entspricht insbesondere der Heizschaltung von 6 und wird demzufolge nicht erneut beschrieben.
Das kapazitive Erfassungsnetz der Ausgestaltung von 9 umfasst auch eine Wechselspannungsquelle 28, die durch einen Kopplungskondensator 30 mit dem dritten Knoten 23 des Heizungsnetzes wechselstromgekoppelt ist, sowie einen Transimpedanzverstärker 132, dessen Referenzeingang 134 (der oben angegebene erste Eingang) an den dritten Knoten angeschlossen ist und dessen Signaleingang 136 (der oben angegebene zweite Eingang) durch den Kopplungskondensator 138 mit dem ersten Knoten wechselstromgekoppelt ist.
Die Wechselspannungsquelle 28 legt durch den Kopplungskondensator 30 eine Wechselspannung an den Knoten 23 an. Als Frequenz der Wechselspannung (oszillierenden Spannung) kann beispielsweise 1 MHz ausgewählt werden. Der Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 ist auch an den Knoten 23 angeschlossen. Durch die interne Rückkopplung erzeugt der Transimpedanzverstärker 132 im Wesentlichen die gleiche Wechselspannung an seinem Signaleingang 136 wie an seinem Referenzeingang 134. Daraus folgt, dass der Transimpedanzverstärker 132 im Wesentlichen die gleiche Wechselspannung an den ersten Knoten 21 anlegt (durch den Kopplungskondensator 138) wie die Wechselspannungsquelle 28 an den dritten Knoten 23. Die Kondensatoren 40 und 42 repräsentieren symbolisch die kapazitive Kopplung des Heizelements 10 an eine an Masse gelegte Elektrode (normalerweise der Fahrzeugrahmen). Da die Impedanz des Heizelements 10 im Vergleich zu der zu messenden Impedanz (welche die Impedanz der Kondensatoren 40 und 42 ist) sehr klein ist, tritt die Wechselspannung auch am zweiten Knoten 22 auf.
Der größte Teil des zwischen dem Heizelement 10 und Masse fließenden Wechselstroms fließt in den Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132 hinein (oder – je nachdem, ob man positiven oder negativen Strom betrachtet – aus diesem heraus). Lediglich ein geringer Teil des Wechselstroms fließt durch die Gleichtaktdrossel 16 ab, da die Impedanz der Gleichtaktdrossel 16, die hauptsächlich durch deren Induktivität definiert ist, zweckmäßigerweise derart ausgewählt wird, dass sie weitaus höher als die Eingangsimpedanz zwischen dem Signaleingang 136 und dem Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 ist. Beispielsweise sollte bei einer Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers 132 von 10 Ω und einer Betriebsfrequenz von 1 MHz die Impedanz der Gleichtaktdrossel vorzugsweise mindestens 100 Ω bei dieser Frequenz oder 16 μH betragen.
Daraus folgt, dass der vom Transimpedanzverstärker 132 zugeführte Wechselstrom im Wesentlichen dem Wechselstrom gleicht, der zwischen dem Heizelement 10 und Masse fließt (durch die Kondensatoren 40 und 42). Das heißt, dass der Transimpedanzverstärker 132 den zwischen dem Heizelement 10 und Masse fließenden Wechselstrom in eine Wechselspannung umwandelt, welche der Transimpedanzverstärker 132 an seinem Ausgangsknoten 44 ausgibt. Die Wechselspannung am Ausgang kann derart weiterverarbeitet werden, dass ihre Amplitude und Phase in Bezug auf die von der Wechselspannungsquelle 28 zugeführte Wechselspannung abgerufen werden, um die zu messende Kapazität bzw. Impedanz herzuleiten.
10 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die sich etwas von der in 9 dargestellten Ausgestaltung unterscheidet. Elemente, die beiden Ausgestaltungen gemeinsam sind und die die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Funktion aufweisen, erhielten in 10 die gleichen Bezugszeichen wie in 9 und müssen nicht wieder erläutert werden. Insbesondere die Bestandteile des Heizungsnetzes arbeiten bei beiden Ausgestaltungen in der gleichen Weise.
Im Gegensatz zu der Ausgestaltung von 9 enthält die Anschlussleitung zwischen dem Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132 und dem ersten Knoten 21 keinen Kopplungskondensator, der verhindert, dass ein Gleichstrom zwischen dem Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132 und dem Heizelement 10 fließt.
Die Wechselspannungsquelle 28 legt durch den Kopplungskondensator 30 eine Wechselspannung an den Knoten 23 an. Die Frequenz der Wechselspannung (oszillierenden Spannung) kann beispielsweise 1 MHz betragen. Eine Summiervorrichtung 152 empfängt diese Wechselspannung an ihrem an den dritten Knoten 23 angeschlossenen Eingang und überträgt diese Wechselspannung zu dem Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132. Der andere Eingang der Summiervorrichtung 152 ist an den Ausgang 156 eines Fehlerverstärkers 154 angeschlossen. Da Letzterer ein Gleichstromsignal erzeugt, tritt an dem Eingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 die gleiche Wechselspannung (eventuell mit einem Gleichstromversatz, der unten in Betracht gezogen wird) wie an dem Knoten 23 auf. Der Transimpedanzverstärker 132 versucht, mittels seiner internen Rückkopplung seinen Signaleingang 136 auf dem gleichen Potential wie dem des Referenzeingangs 134 zu halten. Daraus folgt, dass die an den Referenzeingang 134 angelegte Wechselspannung durch den Transimpedanzverstärker 132 auch an das Heizelement 10 angelegt wird. Die Wechselspannung tritt bedingt durch den Kopplungskondensator 46 und die niedrige Impedanz des Heizelements 10 bei der Frequenz der Wechselspannung auch am zweiten Knoten 22 auf.
Bei eingeschalteter Sitzheizung, d. h. wenn der Heizstrom (Gleichstrom) fließt, ereignet sich wegen des von Null verschiedenen Widerstands der Gleichtaktdrossel 16 ein Spannungsabfall zwischen dem ersten und dritten Knoten 21, 23. Dieser Gleichspannungsabfall würde den Transimpedanzverstärker 132 normalerweise „durcheinanderbringen”, da er versuchen würde, die Potentialdifferenz zwischen seinen Eingängen 134, 136 zu minimieren und dadurch seinen Ausgang 144 zu einer der Versorgungsspannungsschienen (nicht dargestellt) zu treiben.
Damit dies nicht geschieht, umfasst das kapazitive Erfassungsnetz eine Kompensationsschaltung, die einen Gleichspannungsabfall zwischen dem Referenzeingang 134 und dem Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132 kompensiert. Die Kompensationsschaltung ist als eine Rückkopplungsschleife konfiguriert, die den Fehlerverstärker 154 und die Summiervorrichtung 152 umfasst. Der Transimpedanzverstärker 132 umfasst einen Gleichstromausgang 158, an welchem er ein Signal ausgibt, das den in den Transimpedanzverstärker 132 fließenden Gleichstrom angibt. Der Fehlerverstärker 154 vergleicht mittels Subtraktion dieses Signal mit einem Referenzsignal, beispielsweise einer Gleichspannung von 0 V. Das Ergebnis des Subtraktionsvorgangs wird durch die Summiervorrichtung 152 der Gleichspannung hinzuaddiert, die am dritten Knoten 23 vorhanden ist. Die Summe aus der durch den Fehlerverstärker 154 erzeugten Fehlerspannung (welche eine Gleichspannung ist) und der Spannung des dritten Knotens 23 (welche die von der Wechselstrom-Signalquelle 28 angelegte Wechselstromkomponente sowie bei eingeschalteter Sitzheizung eine Gleichstromkomponente enthält) dient als Eingangssignal für den Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132. Die Kompensationsschaltung setzt somit die Ausgangs-Gleichspannung des Transimpedanzverstärkers 132 gleich der Referenzspannung des Fehlerverstärkers 154 und hält folglich den Transimpedanzverstärker 132 innerhalb seines Betriebsbereichs, und zwar unabhängig von dem über der Gleichtaktdrossel 16 auftretenden Gleichspannungsabfall.
11 zeigt eine bevorzugte Variante der Sitzheizung und des kapazitiven Belegungssensors in Kombination von 10. 11 veranschaulicht insbesondere eine mögliche Methode zur Implementierung des Transimpedanzverstärkers 132 und der in der Beschreibung von 10 vorgestellten Kompensationsschaltung.
Der Transimpedanzverstärker 132 umfasst einen Operationsverstärker 160 und einen Rückkopplungskondensator 162, der zwischen dem Ausgang 144 und dem Signaleingang 136 (hier: dem invertierenden Eingang) des Operationsverstärkers 160 gekoppelt ist.
Der Fehlerverstärker ist als ein Integrator implementiert, der einen weiteren Operationsverstärker 164, einen Widerstand 166 und einen Kondensator 168 umfasst. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 164 ist über den Widerstand 166 an den Ausgang 144 des Operationsverstärkers 160 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 164 ist an Masse angeschlossen, die hier als Referenzspannung für das Kompensationssignal dient. Die Spannung am Ausgang 144 gibt den Strom (der eine Wechselstromkomponente sowie eine Gleichstromkomponente enthält) an, der in den Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132 fließt. Der Integrator ist derart konfiguriert, dass er eine niedrige Wechselstromverstärkung bei der Betriebsfrequenz der kapazitiven Messung aufweist. Demgemäß spricht der Integrator nur auf die Gleichstromkomponente des Ausgangssignals des Transimpedanzverstärkers 132 an. Die an den Ausgang des Integrators angelegte Kompensationsspannung entspricht demnach einem Zeitintegral der Gleichstromkomponente des Ausgangssignals des Transimpedanzverstärkers 132.
Die in 11 dargestellte Summiervorrichtung ist als ein Summiernetzwerk implementiert, das eine spannungsgesteuerte Stromquelle umfasst. Die spannungsgesteuerte Stromquelle umfasst einen Widerstand 170, einen Transistor 172 und eine Vorspannungsquelle 174. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 164 bewirkt, dass ein Strom durch den Widerstand 170, den Transistor 172, den Widerstand 176, den dritten Knoten 23 und von da über die erste Wicklung 18.1 der Gleichtaktdrossel 18 zu Masse fließt. Die Ströme durch jeden von dem Widerstand 170, Transistor 172 und Widerstand 176 sind im Wesentlichen die gleichen, da der Basisstrom aus dem Transistor 172 und ein etwaiger Strom in den Referenzeingang 134 des Verstärkers 160 bei dieser Schaltung vernachlässigt werden können. Die Spannung am Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 ist somit gleich der Summe aus der Spannung am Knoten 23 und der Spannung über dem Widerstand 176. Die Spannung über dem Widerstand 176 kann als Produkt aus dem Wirkwiderstand des Widerstands 176 und dem durch den Widerstand 176 fließenden Strom (der, wie oben dargelegt, im Wesentlichen gleich dem Strom durch den Widerstand 170 ist) berechnet werden. Der Strom durch den Widerstand 170 wird als Verhältnis zwischen der Spannungsdifferenz (zwischen der Ausgangsspannung des Verstärkers 164 und der im Wesentlichen konstanten Emitterspannung des Transistors 172) und dem Wirkwiderstand des Widerstands 170 bestimmt. Die Spannung am Emitter des Transistors 172 ist wiederum gleich der Summe aus der konstanten Spannung der Vorspannungsquelle 174 und dem im Wesentlichen konstanten Emitter-Basis-Spannungsabfall des Transistors 172. Man kann demzufolge folgendermaßen schreiben: U₁₃₄ = U₂₃ + R₁₇₆/R₁₇₀·(U₁₆₄ – U₁₇₄ – V_EB), wobei U₁₃₄ die Spannung am Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132, U₁₆₄ die Ausgangsspannung des Verstärkers 164, U₂₃ das Potential des dritten Knotens 23, R₁₇₆ den Wirkwiderstand des Widerstands 176, R₁₇₀ den Wirkwiderstand des Widerstands 170, U₁₇₄ die von der Vorspannungsquelle an die Basis des Transistors 172 angelegte Spannung und U_EB den Emitter-Basis-Spannungsabfall des Transistors 172 bezeichnen.
Da sich die Spannung U₁₆₄ – U₁₇₄ – U_EB nur langsam im Vergleich zu der Schwingungsfrequenz der durch die Wechselspannungsquelle angelegten Wechselspannung ändert, ist die Wechselstromkomponente der Spannung U₁₃₄ gleich der Wechselstromkomponente von U₂₃ (mit anderen Worten: es gibt nur einen Gleichstromversatz zwischen U₂₃ und U₁₃₄). Es ist anzumerken, dass das Verhältnis R₁₇₆/R₁₇₀ nicht kritisch ist, da eine etwaige restliche Potentialdifferenz zwischen dem dritten Knoten 23 und dem ersten Knoten 21 schnell über die Rückkopplungsschleife mit dem Fehlerintegrator wegfällt.
12 zeigt eine weitere bevorzugte Variante der Sitzheizung und des kapazitiven Belegungssensors in Kombination von 10. 12 veranschaulicht eine weitere mögliche Methode zur Implementierung des Transimpedanzverstärkers 132 und der in der Beschreibung von 10 vorgestellten Kompensationsschaltung.
Der Transimpedanzverstärker 132 umfasst einen Operationsverstärker 178 und einen Rückkopplungszweig mit einem Rückkopplungskondensator 180, der elektrisch mit einem Rückkopplungswiderstand 182 parallel geschaltet ist. Der Transimpedanzverstärker 132 umfasst ferner einen Basisschaltungsverstärker, der einen Transistor 184 und eine Stromquelle 186 umfasst. Der Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 ist durch den Basiseingang des Transistors 184 ausgebildet. Der Emittereingang des Transistors 184 repräsentiert den Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132. Der Kollektor des Transistors 184 ist über einen Kopplungskondensator 188 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 178 wechselstromgekoppelt. Der Vorteil der Verwendung eines Basisschaltungsverstärkers vor dem Operationsverstärker 178 besteht darin, dass die Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers 132 in 12 wegen der niedrigen Eingangsimpedanz der Basisschaltung niedriger ist als die Impedanz des Transimpedanzverstärkers 132 von 11.
Der Fehlerverstärker der Ausgestaltung von 12 ist als ein Integrator implementiert, der einen Operationsverstärker 190, einen Widerstand 192, einen Kondensator 194 und eine Vorspannungsquelle 196 umfasst. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 190 ist über den Widerstand 192 an den Kollektor des Transistors 184 angeschlossen. Die Gleichstromkomponente der Spannung am Kollektor des Transistors 184 gibt den Gleichstrom an, der in den Signaleingang 136 des Transimpedanzverstärkers 132 hineinfließt (oder aus diesem herausfließt). Die Wechselstromkomponente der Spannung am Kollektor des Transistors 184 ist durch den Kopplungskondensator 188 zu der virtuellen Massespannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 178 kurzgeschlossen.
Der Fehlerverstärker stellt an seinem Ausgang 198 das Zeitintegral der Spannungsdifferenz zwischen dem Kollektor des Transistors 184 und der Referenzspannung bereit, die durch die Spannungsquelle 196 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 190 angelegt wird.
Ein Summiernetzwerk wird durch den Widerstand 176, der zwischen dem dritten Knoten 23 und dem Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 angeschlossen ist, und eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die einen Widerstand 100, einen Transistor 102 und eine Vorspannungsquelle 104 umfasst, gebildet. Die spannungsgesteuerte Stromquelle wandelt die Ausgangsspannung (Gleichstrom) des Fehlerverstärkers 190 in einen Strom durch den Widerstand 100, den Transistor 102 und den Widerstand 176 um. Dies führt zu einem Spannungsabfall über dem Widerstand 176. Die Spannung am Referenzeingang 134 des Transimpedanzverstärkers 132 wiederum kann als Summe aus der Spannung am dritten Knoten 23 und dem Spannungsabfall über dem Widerstand 176 ausgedrückt werden. Man kann jetzt die Eigenschaft nutzen, dass der Strom durch den Widerstand 176 im Wesentlichen gleich dem Strom durch den Widerstand 100 ist (da man die Ströme in die Basen der Transistoren 102 und 184 vernachlässigen kann). Die Spannung U_E am Emitter des Transistors 102 ist gleich der Summe aus der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 190 (U₁₉₈) und dem Emitter-Basis-Spannungsabfall U_EB des Transistors 102. Der Spannungsabfall U₁₀₀ über dem Widerstand 100 kann demnach als U₁₀₀ = U₁₀₄ – U₁₉₈ – U_EB ausgedrückt werden, wobei U₁₀₄ die durch die Vorspannungsquelle 104 angelegte Vorspannung ist. Daraus ergibt sich, dass die Spannung U₁₃₄ am Referenzeingang des Transimpedanzverstärkers 132 folgendermaßen ausgedrückt werden kann: U₁₃₄ = U₂₃ + R₁₇₆/R₁₀₀·(U₁₀₄ – U₁₉₈ – U_EB).
Die Vorspannungsquelle 196 stellt den Gleichstrom-Vorspannungspegel der Kollektorspannung des Transistors 184 ein, wobei der Vorspannungspegel im Wesentlichen gleich der Spannung ist, welche die Vorspannungsquelle 196 bedingt durch die hohe Eingangsimpedanz des Fehlerverstärkers an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 190 anlegt.
Da sich die Spannung U₁₀₄ – U₁₉₈ – U_EB nur langsam im Vergleich zu der Schwingungsfrequenz der durch die Wechselspannungsquelle 28 angelegten Wechselspannung ändert, ist die Wechselstromkomponente der Spannung U₁₃₄ gleich der Wechselstromkomponente von U₂₃ (mit anderen Worten: es gibt nur einen Gleichstromversatz zwischen U₂₃ und U₁₃₄). Das Verhältnis R₁₇₆/R₁₀₀ ist nicht kritisch, da die Rückkopplungsschleife mit dem Fehlerintegrator und dem Summiernetzwerk die Spannungsdifferenz zwischen dem Referenzeingang und dem Signaleingang des Transimpedanzverstärkers im Wesentlichen gleich dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 184 hält, wenn sich der Gleichspannungspegel des ersten Knotens 21 ändert.
Es versteht sich, dass das kapazitive Erfassungsnetz bei allen der oben beschriebenen Ausgestaltungen zur gleichen Zeit wie oder zu einer anderen Zeit als die Sitzheizung betrieben werden kann. Dies ist bei der in 13 dargestellten Kombination aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor nicht der Fall. Die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination von 13 können nicht gleichzeitig im Heizmodus und Belegungserfassungsmodus arbeiten.
Die Ausgestaltung von 13 unterscheidet sich dahingehend von der Ausgestaltung von 9, dass die zweite Gleichtaktdrossel 18 entfernt wurde und dass der Temperaturregler 14 einen ersten Schalter 114 zwischen dem sechsten 26 und dem vierten 24 Knoten der Heizschaltung sowie einen zweiten Schalter 114' zwischen dem fünften 25 und dem dritten 23 Knoten der Heizschaltung umfasst. Der Temperaturregler 14 umfasst auch eine Schaltlogik 116, welche die Schalter 114 und 114' in Abhängigkeit von dem Temperatursignal, das über die dritte Wicklung 16.3 der Gleichtaktdrossel 16 von dem Temperatursensor 15 empfangen wurde, und von einem Steuersignal 115 einer Steuerschnittstelle des Benutzers (nicht dargestellt) steuert.
Wenn die Sitzheizung heizen soll, werden beide Schalter 114 und 114' derart geschlossen, dass der Gleichstrom-Heizstrom vom sechsten Knoten 26 durch den Schalter 114 zu dem vierten Knoten 24 und der zweiten Wicklung 16.2 der Gleichtaktdrossel 16 durch das Heizelement 10, die erste Wicklung 16.1 der Gleichtaktdrossel 16, den dritten Knoten 23, den Schalter 114' und über den Masseanschluss zurück zur Gleichstrom-Energieversorgung 12 fließen gelassen wird. Im Heizmodus ist die kapazitive Messung nicht möglich, da der dritte Knoten 23 über den Schalter 114' gegen Masse kurzgeschlossen ist. Demzufolge ist die Wechselspannungsquelle 28 vorzugsweise ausgeschaltet, wenn sich das System im Heizmodus befindet.
Wenn das System als Belegungssensor zu verwenden ist, sind beide Schalter 114 und 114' offen und die Wechselspannungsquelle eingeschaltet. Die kapazitive Messung wird in der gleichen Weise durchgeführt, wie es anhand von 9 beschrieben wurde.
Es ist anzumerken, dass die Kopplungskondensatoren 46, 48, 50 in 10–13 den gleichen Zweck erfüllen wie in 9. Bei den Ausgestaltungen von 9–12 kann ein Kopplungskondensator zwischen dem Knoten 23 (oder Knoten 24) und dem zwischen den Wicklungen 18.3 und 16.3 liegenden Knoten für den Fall hinzugefügt werden, dass der Kopplungskoeffizient zwischen den Wicklungen 18.3 und 18.1 oder 18.2 der Gleichtaktdrossel 18 nicht nahe genug bei 1 liegt.
Bei einer beliebigen der in 9–13 dargestellten Ausgestaltungen gibt die vom Transimpedanzverstärker 132 ausgegebene Wechselspannung die Wechselstromkomponente des Stroms an, der in den Signaleingang des Transimpedanzverstärkers 132 fließt. Daraus folgt, dass die zu messende komplexe Impedanz als das Verhältnis zwischen der durch die Wechselspannungsquelle 28 angelegten (komplexen) Wechselspannung und der durch den Transimpedanzverstärker 132 am Ausgangsknoten 144 ausgegebenen (komplexen) Wechselspannung ermittelt werden kann. Da die Amplitude und die Phase oder alternativ dazu die In-Phase-Komponente („Blindkomponente”) und die 90°-Phasenverschiebungskomponente („Wirkkomponente”) der durch die Wechselspannungsquelle 28 angelegten Wechselspannung bekannt sind, können die Impedanz und somit die zu messende Kapazität abgerufen werden. Der Belegungszustand kann bei einer praktischen Anwendung also auf der Grundlage der Amplitude und Phase oder alternativ dazu aus der Wirk- und Blindkomponente der vom Transimpedanzverstärker ausgegebenen Wechselspannung ermittelt werden.
Eine besonders vorteilhafte Methode zur Bestimmung des Belegungszustands wird in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/095939 offenbart. Das in dieser Anmeldung offenbarte Verfahren kann zur Ermittlung der Wirk- und Blindkomponente der vom Transimpedanzverstärker 132 ausgegebenen Wechselspannung verwendet werden. Die vom Transimpedanzverstärker 132 ausgegebene Wechselspannung kann insbesondere in einen getakteten Gleichrichter gespeist werden, der mittels der durch die Wechselspannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung als Referenz synchronisiert ist. Die tiefpassgefilterten Signale, die der getaktete Gleichrichter ausgibt, geben dann die Wirkkomponente und die Blindkomponente der vom Transimpedanzverstärker ausgegebenen Wechselspannung an. Sie können einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, der sie in digitaler Form zu einem Mikroprozessor weiterleitet.
Der Mikroprozessor kann dann einen Belegungszustand ermitteln, indem er beispielsweise die Wirkkomponente mit einem Schwellwert vergleicht, wobei der Schwellwert von der Blindkomponente abhängt. 14 zeigt ein Diagramm, das den Schwellwert für die Wirkkomponente (90°-Phasenverschiebungskomponente) als eine Funktion darstellt, die mit der Blindkomponente (In-Phase-Komponente) ansteigt. Wenn sich ergibt, dass die Wirkkomponente (gibt die zu messende Kapazität an) unter der Schwellwertkurve für die ermittelte Blindkomponente (gibt einen ohmschen Strompfad vom Heizelement zu Masse an) liegt, gilt der Sitz als nicht von einer Person belegt; wenn sich ergibt, dass die Wirkkomponente über der Schwellwertkurve für die ermittelte Blindkomponente liegt, gilt der Sitz als von einer Person belegt. Der Mikroprozesor kann in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Ermittlung des Belegungszustands ein Ausgangssignal ausgeben, das einer Vorrichtung, die an die Sitzheizung und den kapazitiven Belegungssensor in Kombination angeschlossen ist und beispielsweise das Steuergerät eines Airbagsystems oder ein Sitzgurt-Warngerät ist, den Belegungszustand mitteilt. Da der Schwellwert für die Wirkkomponente bei steigender Blindkomponente zunimmt, kann er einen ohmschen Strompfad vom Heizelement zu Masse (der beispielsweise durch einen nassen Sitz bedingt ist) kompensieren.
Für bestimmte Implementierungen eines getakteten Gleichrichters wird der interessierte Leser auf die Druckschrift WO 2008/095939 verwiesen, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Verweis mit Wirkung für diejenigen Jurisdiktionen einbezogen wird, die eine Einbeziehung durch Verweis zulassen.
In 1 bis 12 ist der Temperaturregler 14 zwischen dem positiven Anschluss der Energiequelle 12 und dem Heizelement 10 angeschlossen. Das Heizungsnetz würde offensichtlich auch arbeiten, wenn der Temperaturregler 14 zwischen dem negativen Anschluss der Energiequelle 12 und dem Heizelement 10 angeschlossen wäre. In diesem Fall müssen allerdings einige der vorstehend beschriebenen kapazitiven Erfassungsnetze an die Arbeit mit einer geschalteten negativen Energieversorgung angepasst werden. Das Gleiche gilt dann, wenn die Wechselspannungsquelle 28 und der Referenzeingang 134 des Operationsverstärkers 132 mit dem vierten Knoten 24 statt mit dem dritten Knoten 23 wirkverbunden sind. Die erforderlichen Modifikationen sind in Anbetracht der obigen Beschreibung für den Fachmann ohne Weiteres offensichtlich und müssen nicht im Einzelnen erklärt werden.
Bei allen obigen Ausgestaltungen kann eine Unterbrechung des Heizelements 10 erfasst werden, indem der Gleichstrom-Heizstrom bei eingeschalteter Sitzheizung gemessen wird. Alternativ dazu kann ein Testgleichstrom, der wesentlich kleiner als der Heizstrom ist, eingebracht werden, um eine Unterbrechung zu erfassen, wenn beispielsweise nicht geheizt werden soll. Dem Fahrzeugbenutzer kann eine Warnung mitgeteilt werden, wenn der Heizstrom nicht fließt oder wenn der fließende Strom unter einem bestimmten Schwellwert liegt.
Obwohl spezifische Ausgestaltungen im Detail beschrieben wurden, versteht sich für den durchschnittlichen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen von und Alternativen zu diesen Details in Anbetracht der Gesamtlehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die offenbarten besonderen Anordnungen lediglich als Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzbereich der Erfindung einschränken, der die volle Breite der beigefügten Ansprüche und beliebiger und aller Äquivalente davon enthalten soll.
Insbesondere bei den Ausgestaltungen von 1–7 und 9–13 könnte der Temperatursensor wie in 8 dargestellt an den Temperaturregler 14 angeschlossen sein. Die Gleichtaktdrosseln mit drei Wicklungen würden in diesem Fall durch Gleichtaktdrosseln mit vier Wicklungen ersetzt.
Es ist ferner anzumerken, dass jede beliebige der kombinierten, aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Belegungssensor bestehenden Baugruppen von 2–6 und 8–13 in einen wie in 7 dargestellten Fahrzeugsitz für den speziellen Fall der Ausgestaltung von 1 eingebaut werden könnten. Jede beliebige dieser Baugruppen könnte auch mit einer Schutzelektrode implementiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6161070 [0004]
US 6392542 [0004]
WO 92/17344 A1 [0005]
WO 95/13204 [0006]
US 7521940 [0007]
US 2009/0295199 [0008]
US 6703845 [0009, 0010, 0010]
WO 2008/095939 [0129, 0131]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60 [0003]
„Halbleiterschaltungstechnik”, 12. Auflage, S. 878, Abb. 14.10 [0075]

Claims

Sitzheizung, beispielsweise für einen Fahrzeugsitz, umfassend ein Heizelement zur Abgabe von Wärme, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom durch das Heizelement fließt; einen Temperatursensor zur Bereitstellung eines Temperatursignals; dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine Gleichtaktdrossel mit mindestens drei Wicklungen umfasst, wobei das Heizelement in Reihe zwischen einer ersten und einer zweiten Wicklung der mindestens drei Wicklungen derart angeschlossen ist, dass es über die Gleichtaktdrossel mit einer Energiequelle wirkverbindbar ist, wobei der Temperatursensor an eine dritte Wicklung der mindestens drei Wicklungen derart angeschlossen ist, dass das Temperatursignal über die Gleichtaktdrossel empfangen werden kann.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor einen ersten und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei der Temperatursensor mit dem ersten Anschluss an die dritte Wicklung angeschlossen ist und mit seinem zweiten Anschluss an das Heizelement angeschlossen ist.
Sitzheizung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor einen ersten und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei die mindestens drei Wicklungen eine vierte Wicklung umfassen, wobei der Temperatursensor mit dem ersten Anschluss an die dritte Wicklung und mit seinem zweiten Anschluss an die vierte Wicklung angeschlossen ist.
Sitzheizung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend einen Temperaturregler, der über die dritte Wicklung mit dem Temperatursensor wirkverbunden ist, um das Temperatursignal zu empfangen, und über die erste oder zweite Wicklung mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um den Heizstrom in Abhängigkeit von dem empfangenen Temperatursignal zu regeln.
Sitzheizung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein Tragelement, beispielsweise eine elektrisch isolierende Folie, auf dem das Heizelement und dem Temperatursensor angeordnet sind.
Baugruppe aus einem kapazitiven Sitzbelegungssensor und einer Sitzheizung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5.
Baugruppe nach Anspruch 6, wobei der kapazitive Sitzbelegungssensor ein kapazitives Erfassungsnetz umfasst, das mit dem Heizelement wirkverbunden ist, um daran eine oszillierende Spannung anzulegen und eine kapazitive Last des Heizelements aus einem Strom, der als Reaktion auf die Anlegung der oszillierenden Spannung ins Heizelement fließt, herzuleiten.
Baugruppe nach Anspruch 7, wobei das kapazitive Erfassungsnetz Folgendes umfasst: ein Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals im Heizelement oder zur Speisung eines oszillierenden Signals ins Heizelement sowie einen hochohmigen Verstärker mit einem mit dem Heizelement wirkverbundenen Eingangsknoten zur Untersuchung des oszillierenden Signals und einem Ausgangsknoten zur Bereitstellung eines das oszillierende Signal angebenden Ausgangssignals.
Baugruppe nach Anspruch 8, wobei das kapazitive Erfassungsnetz ein Referenzbauteil mit einer bekannten komplexen Impedanz, beispielsweise einen Referenzkondensator, und einen Schalter zum Wirkverbinden des Referenzbauteils zwischen dem Heizelement und Masse umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Heizelement eine Kapazität gegen Masse aufweist, wobei die Gleichtaktdrossel ein Parallelresonanznetz mit der Kapazität bildet.
Baugruppe nach Anspruch 10, wobei das Mittel zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals im Heizelement oder zur Speisung eines oszillierenden Signals ins Heizelement Folgendes umfasst: eine Negativwiderstandsvorrichtung zur Aufrechterhaltung eines oszillierenden Signals im Resonanznetz und zur Kompensation von ohmschen Verlusten und aus dem Resonanznetz entzogener Energie und/oder eine mit dem Heizelement wirkverbundene Wechselstromquelle zur Speisung eines Wechselstroms ins Resonanznetz und eine Frequenzsteuereinheit zur Steuerung der Frequenz des Wechselstroms.
Baugruppe nach Anspruch 7, wobei das Heizelement einen ersten Knoten umfasst, mit welchem das Heizelement an die erste Wicklung angeschlossen ist, wobei die erste Wicklung den ersten Knoten mit einem dritten Knoten verbindet, wobei das Heizelement einen zweiten Knoten umfasst, mit welchem das Heizelement an die zweite Wicklung angeschlossen ist, wobei die zweite Wicklung den zweiten Knoten mit einem vierten Knoten verbindet, wobei das kapazitive Erfassungsnetz Folgendes umfasst: einen Oszillator, welcher mit mindestens einem von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelt ist, um die oszillierende Spannung in den mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten zu speisen; sowie einen Transimpedanzverstärker, der einen mit dem mindestens einen von dem dritten und vierten Knoten wechselstromgekoppelten ersten Eingang zum Empfang der oszillierenden Spannung als eine Wechselstromkomponente einer Referenzspannung und einen mit mindestens einem von dem ersten und zweiten Knoten wirkverbundenen zweiten Eingang aufweist, wobei der Transimpedanzverstärker derart konfiguriert ist, dass er durch Speisung eines Stroms in den zweiten Eingang eine der Referenzspannung gleiche Spannung am zweiten Eingangsknoten aufrechterhält, wobei der Transimpedanzverstärker einen Ausgang zur Bereitstellung eines Signals aufweist, das zumindest eine Wechselstromkomponente des in den zweiten Eingang gespeisten Stroms angibt.
Fahrzeugsitz umfassend eine Sitzheizung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 oder eine Baugruppe nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 12.
Fahrzeugsitz nach Anspruch 13, wobei die Sitzheizung und der kapazitive Belegungssensor in Kombination eine angesteuerte Schirmelektrode umfassen.
Kapazitives Erfassungsnetz, derart konfiguriert, dass es eine oszillierende Spannung an eine Antennenelektrode anlegt und eine kapazitive Last der Antennenelektrode aus einem Strom, der als Reaktion auf die Anlegung der oszillierenden Spannung in die Antennenelektrode fließt, herleitet, wobei das kapazitive Erfassungsnetz Folgendes umfasst: eine Anschlussstelle zum Anschließen des kapazitiven Erfassungsnetzes an eine Sitzheizung einschließlich eines Heizelements zur Abgabe von Wärme, wenn bewirkt wird, dass ein Heizstrom durch das Heizelement fließt, und einen Temperatursensor zur Bereitstellung eines Temperatursignals, wobei die Anschlussstelle für den Betrieb des Heizelements als Antennenelektrode konfiguriert ist, wobei das kapazitive Erfassungsnetz dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anschlussstelle eine Gleichtaktdrossel umfasst, die eine erste Wicklung zum Anschließen eines ersten Knotens des Heizelements an einen ersten Anschluss einer Energieversorgung, eine zweite Wicklung zum Anschließen eines zweiten Knotens des Heizelements an einen zweiten Anschluss der Energieversorgung und eine dritte Wicklung zum Anschließen des Temperatursensors an einen Temperaturregler umfasst.