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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen kapazitive Messung, z. B. zum Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Person auf einem Sitz (Sitzbelegungserkennung) oder der Anwesenheit oder Abwesenheit der Hand einer Person auf dem Lenkrad eines Autos (Erkennung einer Handberührung).
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Stand der Technik
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Kapazitive Sensoren haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem für die Erkennung der Anwesenheit und/oder der Position eines leitfähigen Körpers in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff "kapazitiver Sensor" einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Erfassten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustiers, eines Gegenstands, usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches oszillierendes Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor weist mindestens eine Messelektrode auf, die identisch zu Sendeantennenelektroden oder dazu verschieden sein kann, an der der Einfluss eines Objekts oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
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Die technische Abhandlung mit dem Titel "Electric Field Sensing for Graphical Interfaces" von J. R. Smith, veröffentlicht in Computer Graphics I/O – Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, Seiten 54–60, beschreibt das Konzept der elektrischen Feldmessung, wie sie zur Durchführung berührungsloser dreidimensionaler Positionsmessungen und insbesondere zur Messung der Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer verwendet wird. Innerhalb des allgemeinen Konzepts der kapazitiven Messung unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als "loading mode" (Lademodus), "shunt mode" (Parallelmodus), und "transmit mode" (Sendemodus) bezeichnet, was verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entspricht. Im "Lademodus" wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Der zu messende Gegenstand modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im "Parallelmodus”, der alternativ auch als “Kopplungsmodus” bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an eine Empfängerelektrode aufgebaut wird, und der an der Empfängerelektrode gemessene Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem erfassten Körper ab. Im "Sendemodus" wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung.
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Die kapazitive Kopplungsstärke kann z. B. bestimmt werden, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt wird und der von dieser Antennenelektrode entweder gegen Masse (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließende Strom gemessen wird. Dieser Strom kann durch einen Transimpedanzverstärker gemessen werden, der an die Messelektrode angeschlossen ist und den in die Messelektrode fließenden Strom in eine Spannung proportional zum Strom umwandelt.
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Kapazitive Sensoren, die ein Heizelement als Antennenelektrode verwenden, sind in der Patentliteratur bekannt. Die
US 2011/0418648 A1 offenbart ein kapazitives Insassenerkennungssystem für einen Fahrzeugsitz unter Verwendung eines Sitzheizungselements
12 als Antennenelektrode.
1 zeigt schematisch eine Veranschaulichung dieses Stands der Technik. Die Spannungsquelle
2 stellt die Stromversorgung für die Heizung dar, zum Beispiel als eine Sitzheizung-Steuereinheit. Das elektronische Steuermodul (Electronic Control Module, ECM)
1 ist als eine kapazitive Messschaltung ausgelegt. Sie umfasst eine Gleichtaktdrossel
5, eine Wechselspannungsquelle
9 und Kondensatoren
6,
7 und
8. Der Kondensator
8 koppelt die von der Wechselspannungsquelle
9 erzeugte Wechselspannung in den Knoten
11. Das Heizelement
12 weist eine komplexe Impedanz
13 gegen Masse auf. Die komplexe Impedanz
13 umfasst eine kapazitive Komponente sowie eine widerstandsfähige Komponente, die vom Belegungszustand des Fahrzeugsitzes abhängen. Die komplexe Impedanz
13 wird somit nachstehend auch als "unbekannte Impedanz” oder “zu bestimmende Impedanz” bezeichnet. Der Kondensator
8 bildet zusammen mit der unbekannten Impedanz
13 einen Spannungsteiler. Die komplexe Spannung U
meas zwischen dem Knoten
11 und der Anschlussmasse
10 kann verwendet werden, um die komplexe unbekannte Impedanz
13 zu berechnen. Die Gleichtaktdrossel
5 koppelt die Wechselspannung am Knoten
11 auf Grund ihrer großen Impedanz von der Wechselstromerdung ab. Das Heizelement
12 kann gleichzeitig von dem von der Spannungsquelle
2 gelieferten Gleichstrom durchflossen und mit der Wechselspannung durch die kapazitive Messschaltung betrieben werden. Die Kondensatoren
6 und
7 stellen sicher, dass eine definierte Wechselstromerdung auf der Seite der Gleichtaktdrossel
5 vorliegt, die mit der Gleichstromversorgung der Sitzheizung verbunden ist. Die Masse
3 ist die Referenzmasse. Die Anschlüsse der Gleichtaktdrossel
5 sind mit
5.1 bis
5.4 nummeriert: Anschluss
5.1 verbindet die erste Wicklung mit der Hochspannungsseite der Spannungsquelle
2; Anschluss
5.2 verbindet die erste Wicklung mit der Hochspannungsseite des Heizelements
12; Anschluss
5.3 verbindet die zweite Wicklung mit der Niederspannungsseite des Heizelements
12, und Anschluss
5.4 verbindet die zweite Wicklung mit der Niederspannungsseite der Spannungsquelle
2.
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Der Widerstand 4 stellt den Verdrahtungswiderstand der Verdrahtung zwischen der Niederspannungsseite der Spannungsquelle 2 und dem vierten Anschluss 5.4 der Gleichtaktdrossel 5 dar. Es gibt einen ähnlichen Verdrahtungswiderstand für die obere Verdrahtung zwischen der Hochspannungsseite der Spannungsquelle 2 und der Gleichtaktdrossel 5, dies kann jedoch für die folgende Erklärung unberücksichtigt bleiben. Typischerweise wird die Spannungsquelle 2, die die Sitzheizung-Steuereinheit darstellt, periodisch ein- und ausgeschaltet, um die Heizenergie der Sitzheizung 12 gemäß einem Pulsdauermodulationsplan zu steuern. Eine typische Schaltfrequenz beträgt zum Beispiel 25 Hz. Jedes Mal, wenn die Spannungsquelle 2 eingeschaltet wird, steigt der Strom durch den Verdrahtungswiderstand 4 von im Wesentlichen 0 A auf den Betriebsstrom der Sitzheizung, der zum Beispiel bei einer Spannung der Spannungsquelle 2 von 12 V, einem Sitzheizungswiderstand von 1 Ω und einem Verdrahtungswiderstand von 0,1 Ω gleich etwa 10,9 A ist. Dieser Strom von 10,9 A erzeugt jedes Mal, wenn die Spannungsquelle 2 eingeschaltet wird, einen Spannungsabfall von 1,09 V durch den Verdrahtungswiderstand 4. Dies impliziert, dass die Spannung am vierten Anschluss 5.4 der Gleichtaktdrossel 5 auf 1,09 V steigt, und folglich steigt auch die Spannung am Knoten 11 auf 1,09 V. Der Widerstand der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel 5 wird hier nicht berücksichtigt, er wird jedoch auf Grund seiner endlichen Konduktanz auch zu einem zusätzlichen Spannungsabfall beitragen. Der Spannungsschritt von 1,09 V am Messknoten kann die Messung der Signalspannung am Messknoten 11 stören, da die Schrittfunktion eine weite Frequenzbandbreite hat. Die Situation verschlechtert sich sogar noch, falls die Sitzheizung-Steuereinheit, die an das elektronische Steuermodul 1 angeschlossen ist, den Heizkreis nicht auf der Hochspannungsseite, sondern auf der Niederspannungsseite unterbricht. Dies bedeutet nämlich, dass der Knoten 11 einen Spannungsabfall von etwa 12 V – 1,09 V = 10,91 V erfährt, was schlechter ist als der vorstehend erwähnte Schritt von 1,09 V. Diese Situation kann auftreten, falls z. B. aus Kostengründen eine Art von elektronischem Steuermodul 1 für die kapazitive Erkennung für verschiedene Arten von Sitzheizung-Steuereinheiten nutzbar sein muss.
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Die
US 6,703,845 B2 offenbart einen Belegungssensor für einen Fahrzeugsitz, wobei das Heizelement entweder als die Messelektrode oder als eine angetriebene Abschirmelektrode verwendet wird. In manchen der beschriebenen Ausführungsformen ist das Heizelement von der Heizstromquelle durch Induktoren wechselspannungsmäßig abgekoppelt.
2 ist eine schematische Veranschaulichung des Insassensensors aus der
US 6,703,845 B2 . Der wesentlichste Unterschied besteht darin, dass das System der
US 6,703,845 B2 separate Induktoren
14 und
15 an Stelle einer Gleichtaktdrossel
5 verwendet. Das System der
US 6,703,845 B2 hat den gleichen Nachteil, der in Bezug auf
1 besprochen wurde. Des Weiteren zeigen Experimente und Simulationen, dass Induktoren, die die notwendige Impedanz für einen Wechselstrom von unterhalb 1 MHz aufweisen, so teuer sind, dass die Lösung der
US 6,703,845 B2 in einem Kraftfahrzeug unrealistisch ist.
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Die
WO 2011/117237 offenbart einen Belegungssensor für einen Fahrzeugsitz, der den in das Heizelement in Reaktion auf eine daran angelegte Wechselspannung fließenden komplexen Strom misst. Die Schaltungskonfiguration ist schematisch in
3 veranschaulicht. Der Transimpedanzverstärker
17 hält den Knoten
11 auf der gleichen Wechselspannung wie den Ausgang der Wechselstromsignalquelle
9. Der Referenzeingang
17.1 des Transimpedanzverstärkers
17 ist an die Wechselstromsignalquelle
9 angeschlossen. Der Transimpedanzverstärker
17 wandelt den in seinen Signaleingang
17.2 fließenden Strom in eine Spannung an seinem Ausgang
18 um, die den Eingangsstrom anzeigt. Da die Spannung am Knoten
11 bekannt ist, zeigt der komplexe Strom, der in den Knoten
11 fließt, und somit die komplexe Spannung am Ausgang
18 des Transimpedanzverstärkers, die komplexe Impedanz
13 an. Das kapazitive Messsystem aus
3 hat die gleichen Probleme wie diejenigen in den
1 und
2, wenn die Spannungsquelle
2 des Heizkreises ein- und ausgeschaltet wird.
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Aufgabenstellung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kapazitives Messsystem zur Verfügung zu stellen, welches ein Heizelement als Antennenelektrode verwenden kann, wobei das vorstehend erwähnte Problem der Heizstromschritte gemildert wird. Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Sensor nach Anspruch 1 gelöst.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Der kapazitive Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist dafür konfiguriert, zwischen einem Heizelement und einer Heizstromversorgung angeschlossen zu werden und das Heizelement als Antennenelektrode zu verwenden. Der kapazitive Sensor umfasst eine Gleichtaktdrossel zum wechselspannungsmäßigen Abkoppeln des Heizelements von der Heizstromversorgung. Die Gleichtaktdrossel umfasst eine erste und eine zweite induktiv gekoppelte Wicklung, wobei die erste Wicklung zum Anschluss zwischen einem ersten Anschlusspunkt (z. B. der Hochspannungsseite) der Heizstromversorgung und einem ersten Anschlusspunkt (z. B. der Hochspannungsseite) des Heizelements vorgesehen ist, und die zweite Wicklung zum Anschluss zwischen einem zweiten Anschlusspunkt (z. B. der Niederspannungsseite) des Heizelements und einem zweiten Anschlusspunkt (z. B. der Niederspannungsseite) der Heizstromversorgung vorgesehen ist. Der kapazitive Sensor umfasst ferner eine Steuer- und Auswerteschaltung (die z. B. als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung implementiert ist), die dafür konfiguriert ist, über einen Messknoten ein Wechselstromsignal in das Heizelement einzuspeisen, um eine Spannung am und/oder einen Strom durch den Messknoten zu messen, und eine Impedanz zwischen dem Heizelement und einer Gegenelektrode von der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Strom abzuleiten. Die Gleichtaktdrossel umfasst eine dritte Wicklung, die induktiv mit der ersten und der zweiten Wicklung gekoppelt ist, wobei die dritte Wicklung wirksam mit dem Messknoten gekoppelt ist, um das Wechselstromsignal induktiv in das Heizelement einzuspeisen. Mit anderen Worten ist der Messknoten wirksam mit der dritten Wicklung verbunden, z. B. durch eine galvanische Verbindung oder eine Wechselspannungskopplung, so dass das Wechselstromsignal an die dritte Wicklung angelegt und über die dritte Wicklung induktiv in das Heizelement eingespeist wird.
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Das für die kapazitive Messung verwendete Wechselstromsignal kann somit induktiv durch die Gleichtaktdrossel, die als Transformator dient, in das Heizelement eingespeist werden. Infolgedessen ist keine galvanische Verbindung zwischen der Steuer- und Auswerteschaltung und dem Heizkreis erforderlich. Wie dem Fachmann klar sein wird, wird, wenn die Heizstromversorgung ein- oder ausschaltet, im Wesentlichen der gleiche Schritt (steiler Anstieg oder Abfall) des Heizstroms in der ersten und zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel auftreten, dies jedoch in entgegengesetzten Richtungen. Daher heben sich die Magnetfelder, die im Kern der Gleichtaktdrossel von der ersten und zweiten Wicklung erzeugt werden, im Wesentlichen auf. Der Netto-Magnetfluss bleibt somit im Wesentlichen konstant, so dass sich die Spannung am Messknoten nicht wesentlich ändert.
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Vorzugsweise umfasst die Gleichtaktdrossel einen ersten Anschluss zur Gleichstromkopplung der ersten Wicklung mit dem ersten Anschlusspunkt der Heizstromversorgung, einen zweiten Anschluss zur Gleichstromkopplung der ersten Wicklung mit dem ersten Anschlusspunkt des Heizelements, einen dritten Anschluss zur Gleichstromkopplung der zweiten Wicklung mit dem zweiten Anschlusspunkt des Heizelements und einen vierten Anschluss zur Gleichstromkopplung der zweiten Wicklung mit dem zweiten Anschlusspunkt der Heizstromversorgung, wobei wenigstens einer des ersten und des vierten Anschlusses (z. B. durch einen Kopplungskondensator) an einen Erdleiter wechselspannungsgekoppelt ist. Vorzugsweise sind sowohl der erste als auch der vierte Anschluss jeweils an Erde wechselspannungsgekoppelt, z. B. durch einen ersten Kopplungskondensator zwischen Erde und einem von dem ersten und vierten Anschluss, und durch einen zweiten Kopplungskondensator zwischen Erde und dem anderen von dem ersten und vierten Anschluss, oder zwischen dem ersten und dem vierten Anschluss oder zwischen dem zweiten und dem dritten Anschluss. Die Wechselspannungskopplung an Erde garantiert, dass die Wechselstromspannung am ersten und vierten Anschluss der Gleichtaktdrossel auf einer vorbestimmten Wechselstromspannung liegt, unabhängig von der genauen Konfiguration der Heizstromversorgung.
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Gemäß einer ersten möglichen Variante der Erfindung umfasst die Steuer- und Auswerteschaltung einen Oszillator, der über ein Impedanzglied an den Messknoten gekoppelt ist. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff “Impedanzglied" einen Kondensator, einen Widerstand, einen Induktor oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Komponenten. Der Fachmann wird erkennen, dass das Impedanzglied in Reihe mit der zu messenden Impedanz erscheint, was zu einer Konfiguration eines Spannungsteilers führt. Die unbekannte Impedanz kann somit aus Messungen der Spannung am Messknoten hergeleitet werden. Demnach ist die Steuer- und Auswerteschaltung vorzugsweise dafür konfiguriert, die Spannung am Messknoten zu messen und die Impedanz zwischen dem Heizelement und einer Gegenelektrode (typischerweise an Erdpotential) von der gemessenen Spannung abzuleiten. Es sollte angemerkt werden, dass eine Stromquelle an Stelle einer Spannungsquelle und eines Impedanzglieds verwendet werden könnte.
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Gemäß einer zweiten möglichen Variante der Erfindung umfasst die Steuer- und Auswerteschaltung einen Oszillator und einen Transimpedanzverstärker mit einem Referenzeingang, einem Stromsignaleingang und einem Ausgang, wobei der Stromsignaleingang an den Messknoten wechselspannungsgekoppelt ist und der Oszillator wirksam an den Referenzeingang angeschlossen ist, um eine Wechselspannung als das Wechselstromsignal an diesen anzulegen. Der Transimpedanzverstärker ist dafür konfiguriert, einen Strom in den Stromsignaleingang derart einzuspeisen, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Referenzeingang und dem Stromsignaleingang im Wesentlichen aufgehoben wird, und eine den Strom anzeigende Spannung am Ausgang auszugeben. Das Verhältnis der Spannung am Ausgang zur Spannung des Oszillators zeigt somit die Impedanz zwischen dem Heizelement und Erde an.
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Vorzugsweise umfasst der kapazitive Sensor ein Stromeinprägungsschutznetz zum Schutz der Steuer- und Auswerteschaltung gegen Stromeinspeisung (Bulk Current Injection, BCI). Das Stromeinprägungsschutznetz umfasst vorzugsweise einen ersten Stromeinprägungsschutzkondensator, der zwischen dem Referenzeingang und einem Erdleiter angeschlossen ist, und einen zweiten Stromeinprägungsschutzkondensator, der zwischen dem Referenzeingang und einem Anschluss der ersten oder zweiten Wicklung angeschlossen ist, der vorgesehen ist, um mit dem Heizelement verbunden zu werden. Der sogenannte BCI-Test wird in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet und simuliert den Einfluss von elektromagnetischen Feldern auf das Verhalten oder auf in Autos integrierte elektronische Geräte. Der BCI-Test umfasst die Einspeisung eines Hochfrequenzstroms in die Verdrahtung des zu testenden Geräts unter Verwendung einer sogenannten Stromzange. Um den Test zu bestehen, darf das Gerät nicht (wesentlich) von seinem beabsichtigten Verhalten abweichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die dritte Wicklung eine Anzahl von Windungen gleich einer Anzahl von Windungen der ersten Wicklung bzw. der zweiten Wicklung. Folglich hat das Wechselstromsignal, das mittels der induktiven Kopplung im Heizelement ankommt, im Wesentlichen die gleiche Amplitude wie das ursprüngliche Wechselstromsignal im Messknoten. Es kann zu einer Phasenumkehr zwischen diesen Signalen je nach der Wicklungsrichtung der dritten Wicklung und der Anschlussrichtung kommen, aber jede Phasenumkehr kann durch die Steuer- und Auswerteschaltung korrigiert oder ausgeglichen werden.
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Falls keine 1-zu-1-Transformation zwischen der dritten Wicklung und jeder der ersten und zweiten Wicklung erforderlich ist, kann die dritte Wicklung eine Anzahl von Windungen aufweisen, die sich von einer Anzahl von Windungen der ersten Wicklung bzw. der zweiten Wicklung unterscheidet.
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Vorzugsweise umfasst der kapazitive Sensor ein geschirmtes Kabel mit einem ersten Innenleiter, der an die erste Wicklung angeschlossen ist, um die erste Wicklung mit dem ersten Anschlusspunkt des Heizelements zu verbinden, einem zweiten Innenleiter, der an die zweite Wicklung angeschlossen ist, um die zweite Wicklung mit dem zweiten Anschlusspunkt des Heizelements zu verbinden, und einem Abschirmleiter, der den ersten und den zweiten Innenleiter umgibt, wobei der Abschirmleiter an die Steuer- und Auswerteschaltung angeschlossen ist. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist vorzugsweise dafür konfiguriert, den Abschirmleiter während der Messung der unbekannten Impedanz auf einem gleichen Wechselstrompotential zu halten wie den ersten und den zweiten Innenleiter. Es ist anzumerken, dass die Steuer- und Auswerteschaltung dafür konfiguriert sein könnte, in verschiedenen Modi zu arbeiten (z. B. zur Kalibrierung.) Beim Betrieb in einem anderen Modus als dem Messmodus kann die Steuer- und Auswerteschaltung den Abschirmleiter auf einer anderen Spannung halten, z. B. auf einer schwebenden Spannung.
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Während der Messung der unbekannten Impedanz (Messmodus) kann der Abschirmleiter über einen Verstärker und/oder einen Transformator wirksam an den Oszillator angeschlossen sein, wobei der Verstärker und/oder der Transformator eine Verstärkung aufweist, die dem Verhältnis der Anzahl von Windungen der ersten oder der zweiten Wicklung zur Anzahl der Windungen der dritten Wicklung entspricht. Diese Konfiguration ist besonders nützlich, falls die Anzahl der Windungen der dritten Wicklung nicht gleich der Anzahl der Windungen der ersten oder der zweiten Wicklung ist.
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Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Insassensensor für einen Fahrzeugsitz, der einen kapazitiven Sensor wie vorstehend beschrieben aufweist.
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Ein weiterer bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Detektor zum Erkennen einer Handberührung mit dem Lenkrad, der einen kapazitiven Sensor wie vorstehend beschrieben aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schaltplan einer ersten Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß verwandter Technik;
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2 einen schematischen Schaltplan einer zweiten Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß verwandter Technik;
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3 einen schematischen Schaltplan einer dritten Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß verwandter Technik;
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4 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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5 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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6 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einem Vergleichsbeispiel;
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7 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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8 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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9 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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10 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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11 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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12 einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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13 eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugsitzes, der eine Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß der Erfindung umfasst;
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14 eine schematische Zeichnung eines Lenkrads, das eine Kombination aus einem Heiz- und einem kapazitiven Messsystem gemäß der Erfindung umfasst.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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4 veranschaulicht schematisch eine Kombination aus einer Heizung und einem kapazitiven Sensor, z. B. für einen Autositz oder ein Lenkrad, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das System umfasst einen Heizkreis, der eine Heizstromversorgung, dargestellt in
4 als Gleichspannungsquelle
2, und ein Heizelement
12 aufweist, welches Wärme erzeugt, wenn Strom durch dieses hindurch fließt. Das System umfasst auch einen kapazitiven Sensor, der als ein elektronisches Steuermodul (ECM)
1 dargestellt ist. Der kapazitive Sensor umfasst eine Gleichtaktdrossel
5, eine Wechselspannungsquelle
9 und Kondensatoren
6,
7 und
8. Der Kondensator
8 koppelt die von der Wechselspannungsquelle
9 erzeugte Wechselspannung in den Messknoten
24. Die Kondensatoren
6 und
7 stellen sicher, dass eine definierte Wechselstromerdung auf der Seite der Gleichtaktdrossel
5 vorliegt, die mit der Gleichstromversorgung der Sitzheizung verbunden ist. Die Masse
3 ist die Referenzmasse. Die Anschlüsse der Gleichtaktdrossel
5, die Teil des Heizkreises sind, sind mit
5.1 bis
5.4 nummeriert, wie in
1: Anschluss
5.1 verbindet die erste Wicklung mit der Hochspannungsseite der Spannungsquelle
2; Anschluss
5.2 verbindet die erste Wicklung mit der Hochspannungsseite des Heizelements
12; Anschluss
5.3 verbindet die zweite Wicklung mit der Niederspannungsseite des Heizelements
12, und Anschluss
5.4 verbindet die zweite Wicklung mit der Niederspannungsseite der Spannungsquelle
2. Die Gleichtaktdrossel
5 umfasst eine dritte Wicklung mit Anschlüssen
5.5. und
5.6 der Gleichtaktdrossel
5. Die Wechselstromsignalquelle
9 koppelt eine Wechselspannung durch den Kondensator
8 in die dritte Wicklung der Gleichtaktdrossel
5. Davon ausgehend, dass die Anzahl der Windungen aller drei Wicklungen gleich ist, erscheint durch die Transformatorwirkung der Gleichtaktdrossel mit
3 Wicklungen die gleiche Wechselspannung wie am Knoten
24 auch am Knoten
11, da die Anschlüsse
5.1 und
5.4 der Gleichtaktdrossel
5 über die Kondensatoren
6 und
7 an Wechselstromerdung angeschlossen sind. Es gibt gegebenenfalls eine Phasenumkehr zwischen den Spannungen an den Knoten
19 und
11, abhängig von der Wicklungsrichtung und der Richtung des Anschlusses der dritten Wicklung relativ zur ersten und zweiten Wicklung. Dies ist jedoch unkritisch, da jede Phasenumkehr durch die Steuer- und Auswerteschaltung z. B. in der Messauswertesoftware korrigiert werden kann. Die Tatsache, dass die Wicklungsrichtung und die Richtung des Anschlusses der dritten Wicklung nicht wichtig sind, zeigt sich durch den fehlenden Wicklungsstartpunkt neben der dritten Wicklung. (Gemäß der Punkt-Regelung („dot convention“) wird, wenn der Strom in Richtung vom Punkt zur jeweiligen Wicklung zunimmt, eine positive Spannung an den Punkten aller gekoppelten Wicklungen induziert). Da die Beziehung zwischen den Wechselspannungen an den Knoten
11 und
24 bekannt ist, kann für die übrigen Erklärungen in Bezug auf
4 angenommen werden, dass diese Spannungen gleich sind. Die Steuer- und Auswerteschaltung arbeitet somit analog zur Schaltung in
1. Insbesondere bilden der Kondensator
8 und die unbekannte Impedanz
13 zusammen einen Spannungsteiler, und die komplexe Wechselspannung am Knoten
24 zeigt somit die komplexe Impedanz
13 an. Um die komplexe Impedanz
13 unter Verwendung der Spannung am Knoten
24 zu bestimmen, kann das Messprinzip der
EP 2 368 771 verwendet werden, welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit Wirkung für das Rechtssystem, das eine Einbeziehung durch Bezugnahme erlaubt, aufgenommen ist.
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Der Vorteil des kapazitiven Sensors aus 4 besteht darin, dass jeder Spannungsschritt, der sich aus dem Schalten der Heizstromversorgung am Knoten 11 ergibt, das Messsignal am Knoten 24 nicht mehr wesentlich beeinflusst. Es besteht nämlich keine galvanische Verbindung zwischen den Knoten 24 und 11. Jedes Mal, wenn die Spannungsquelle 2 eingeschaltet wird, ist der resultierende Stromschritt durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 5 im Wesentlichen gleich dem Stromschritt durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 5, jedoch mit entgegengesetzter Richtung, da beide Wicklungen in Reihe, aber in umgekehrter Reihenfolge, verbunden sind. Daher heben sich die von der ersten und der zweiten Wicklung erzeugten Magnetfelder im Kern der Gleichtaktdrossel im Wesentlichen auf. Daraus folgt, dass die Änderung des Magnetflusses, den die dritte Wicklung erfährt, im Wesentlichen gleich Null ist und dass die Spannung am Knoten 24 somit nicht beeinträchtigt ist.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Kombination aus einer Heizung und einem kapazitiven Sensor gemäß der Erfindung. Der kapazitive Sensor 1 nutzt im Grunde dasselbe Messprinzip wie der kapazitive Sensor aus 3. Der Messknoten (Signaleingang 17.2 des Transimpedanzverstärkers 17) ist jedoch über die dritte Wicklung der Gleichtaktdrossel 5 induktiv an den Knoten 11 und somit an das Heizelement 12 gekoppelt. Die Vorteile der galvanischen Trennung zwischen dem Messknoten und dem Heizelement sind diejenigen, die bereits mit Bezug auf 4 erklärt wurden.
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Die induktive Kopplung durch die dritte Wicklung der Gleichtaktdrossel bringt einen zusätzlichen Vorteil. Wie vorstehend kurz angedeutet wurde, ist es in einer Kraftfahrzeuganwendung notwendig, dass ein elektronisches Steuermodul gegenüber sogenannter "Stromeinspeisung" immun ist. Der BCI-Test simuliert den Einfluss von elektromagnetischen Feldern auf das Verhalten des elektronischen Steuermoduls. Es wird mit einer sogenannten Stromzange ein Hochfrequenzstrom in die Verdrahtung eingespeist, und das elektronische Steuermodul darf während des Tests nicht wesentlich von seinem beabsichtigten Verhalten abweichen. Für die Schaltung in 3 bedeutet dies, dass ein Gleichtaktstrom zum Beispiel in die Anschlüsse zwischen der Spannungsquelle 2 und der Gleichtaktdrossel 5 eingespeist wird. Dieser Strom wird hauptsächlich durch die Kondensatoren 6 und 7, durch die elektronische Steuermodulmasse in die Signalquelle 9, durch den Transimpedanzverstärker 17, den Kondensator 16 und schließlich durch die unbekannte Impedanz 13 fließen. Das Problem ist, dass der Hochfrequenzstrom aus dem Signaleingang 17.2 des Transimpedanzverstärkers 17 fließt und dadurch dem Messstrom überlagert wird. Da der Hochfrequenzstrom eine hohe Amplitude hat (zum Beispiel 50 mA bei 10 MHz) und der Messstrom in der Größenordnung von 100 µA liegt, kann dies zu einer Sättigung des Transimpedanzverstärkers 17 führen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu mindern, ist im Vergleichsbeispiel von 6 gezeigt. Verglichen mit dem System aus 3 werden die Kondensatoren 19 und 20 parallel zur Wechselstromsignalquelle 9 bzw. zum Transimpedanzverstärker 17 hinzugefügt. Anstatt vollständig in den Transimpedanzverstärker 17 zu fließen, wird der Hochfrequenz-Teststrom zwischen dem Kondensator 20 und dem Transimpedanzverstärker 17 aufgeteilt, abhängig vom Verhältnis der Impedanzen des Kondensators 20 und der Reihenschaltung des Kondensators 16 und der Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers. Ferner wird der Hochfrequenz-Teststrom, anstatt vollständig in die Wechselstromsignalquelle 9 zu fließen, zwischen dem Kondensator 19 und der Signalquelle 9 aufgeteilt, abhängig vom Verhältnis der Impedanz des Kondensators 9 zur Ausgangsimpedanz der Wechselstromsignalquelle 9. Es sei angemerkt, dass die Kapazität 20 nicht beliebig groß gestaltet werden kann, da der Kondensator 20 den zu messenden Strom auch weg vom Transimpedanzverstärker 17 lenken wird und daher das Signal auf ein Rauschverhältnis des Systems senken wird.
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Der kapazitive Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die in 7 veranschaulicht ist, zeigt, wie die vorstehend beschriebene dritte Wicklung dieses Problem mindern kann. Die Schaltung ist im Wesentlichen die gleiche wie die Schaltung in 6, mit Ausnahme der dritten Wicklung der Gleichtaktdrossel 5, die den Messknoten (Signalausgang 17.2) induktiv an das Heizelement 12 koppelt. Der kapazitive Sensor aus 7 kombiniert die Merkmale der in den 5 und 6 gezeigten Schaltungen. Die unbekannte Impedanz wird auf die gleiche Weise bestimmt wie in der Schaltung aus 5. In der Ausführungsform aus 7 ist das Übersetzungsverhältnis 1:1:1 und die Wicklungsrichtungen sowie die Richtungen des Anschlusses der Wicklungen sind durch die Wicklungsstartpunkte gezeigt, um an den Knoten 11 und 17.1 identische Spannungen bezüglich der Amplitude und Phase zu erhalten. In der Tat würde jegliche Spannungs- oder Phasendifferenz zwischen den Knoten 11 und 17.1 bewirken, dass der Messstrom über den Kondensator 20 abgelenkt wird (weg vom Transimpedanzverstärker 17.) Im Gegensatz zur Schaltung in 6 hat jeder Hochfrequenz-Teststrom, der in die Verdrahtung zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und der Gleichtaktdrossel 5 eingespeist wird, keinen direkten Weg in den Transimpedanzverstärker 17. Im Wesentlichen fließt der gesamte Hochfrequenzstrom durch die Kondensatoren 6 und 7, durch die elektronische Steuermodulmasse in die Signalquelle 9 und den Kondensator 19, die parallel geschaltet sind, durch den Kondensator 20 und schließlich durch die unbekannte Impedanz 13. Es gibt immer noch einen geringen Hochfrequenzstrom, der durch die erste und zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel fließt, was einen Strom durch die dritte Wicklung auf Grund induktiver Kopplung bewirkt. Wenn zum Beispiel von einem Hochfrequenzstrom ausgegangen wird, der eine Amplitude von 50 mA bei einer Frequenz von 10 MHz hat, wobei die Gleichtaktdrossel eine Induktivität von 20 mH hat, das Heizelement einen Widerstand von 1 Ω hat, der Kondensator 19 eine Kapazität von 1 nF hat, der Kondensator 20 eine Kapazität von 10 nF hat, die Kondensatoren 6 und 7 Kapazitäten von 100 nF haben, die Wechselstromsignalquelle 9 eine Ausgangsimpedanz von 1 Ω hat, der Transimpedanzverstärker 17 eine Eingangsimpedanz von 50 Ω hat, der Kopplungskondensator 16 eine Kapazität von 1 µF hat, die unbekannte Impedanz 13 eine Kapazität von 100 pF ist, die Gleichtaktdrossel einen Kopplungsfaktor von 0,999 hat, und wenn die kapazitive Kopplung zwischen den Gleichtaktwindungen nicht berücksichtigt wird, ergibt die Schaltung aus 6 eine Einspeisung von Hochfrequenzstrom in den Transimpedanzverstärker 17 von 26 mA, während die Schaltung aus 7 nur etwa 430 µA ergibt. Daraus folgt, dass der kapazitive Sensor aus 7 auf Grund der Sättigung des Transimpedanzverstärkers 17 erheblich weniger anfällig für einen Ausfall ist als der kapazitive Sensor gemäß dem Vergleichsbeispiel aus 6.
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8 veranschaulicht eine vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Der kapazitive Sensor 1 entspricht weitgehend demjenigen aus 4. Außerdem umfasst der kapazitive Sensor aus 8 ein geschirmtes Kabel 22 mit einem ersten Innenleiter 22.1, der an die erste Wicklung angeschlossen ist und die erste Wicklung mit der Hochspannungsseite des Heizelements 12 verbindet, einem zweiten Innenleiter 22.2, der an die zweite Wicklung angeschlossen ist und die zweite Wicklung mit der Niederspannungsseite des Heizelements 12 verbindet, und einem Abschirmleiter 22.3, der von dem ersten und dem zweiten Innenleiter 22.1 und 22.2 isoliert ist und diese umgibt. Der Abschirmleiter 22.3 ist mit einem Verstärker 21 verbunden, der die Wechselspannung am Messknoten 24 an seinem Eingang empfängt. Der Verstärker ist derart eingestellt, dass er den Abschirmleiter 22.3 auf einer gleichen Wechselspannung hält wie den ersten und zweiten Innenleiter 22.1 und 22.2, wodurch der Abschirmleiter 22.3 als eine angetriebene Abschirmung betrieben wird, die die Erdkapazität wenigstens eines Teils der Wicklung von der Gleichtaktdrossel 5 zum Heizelement 12 neutralisiert. In der Tat wird, da der Abschirmleiter 22.3 sowohl bezüglich der Amplitude als auch bezüglich der Phase auf der gleichen Wechselspannung gehalten wird wie die Innenleiter 22.1 und 22.2, das elektrische Wechselfeld zwischen den Innenleitern 22.1 und 22.2 und dem Abschirmleiter im Wesentlichen aufgehoben.
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Falls die Gleichtaktdrossel ein Übersetzungsverhältnis von 1:1:1 hat, hat der Verstärker 21 eine Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor Eins, d. h. er puffert nur die Wechselspannung auf den Abschirmleiter. Falls sich jedoch die Anzahl der Windungen der dritten Wicklung von der Anzahl der Windungen der ersten bzw. zweiten Wicklung unterscheidet, muss die Verstärkung oder Dämpfung (Verstärkung < 1) des Verstärkers 21 anders als der Verstärkungsfaktor Eins gewählt werden, um dem Übersetzungsverhältnis zwischen der dritten und einer der ersten und zweiten Wicklung zu entsprechen.
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Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors gemäß der Erfindung ist in 9 gezeigt. Der kapazitive Sensor gemäß der fünften Ausführungsform entspricht dem kapazitiven Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform (5), mit Ausnahme des Vorliegens des geschirmten Kabels 22 zwischen der Gleichtaktdrossel und dem Heizelement 12. Da der Abschirmleiter 22.3 des geschirmten Kabels 22 direkt mit dem Ausgang der Wechselspannungsquelle 9 verbunden ist, ist die Gleichtaktdrossel 5 so konfiguriert, dass sie ein Übersetzungsverhältnis von 1:1:1 hat. Die Wicklungsrichtung und die Richtung des Anschlusses der dritten Wicklung werden des Weiteren so gewählt, dass die Wechselspannung an den Innenleitern 22.1 und 22.2 mit dem Spannungsausgang durch die Wechselspannungsquelle 9 in Phase ist.
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Eine sechste bevorzugte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors gemäß der Erfindung ist in 10 gezeigt. Die Ausführungsform aus 10 entspricht weitgehend der Ausführungsform aus 9, umfasst jedoch zusätzlich ein Stromeinprägungsschutznetz (einschließlich Kondensatoren 19 und 20.) Die Vorteile des Stromeinprägungsschutznetzes wurden hier vorstehend mit Bezug auf 7 besprochen und müssen hier nicht wiederholt werden.
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Eine siebte bevorzugte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors gemäß der Erfindung ist in 11 gezeigt. Die Ausführungsform aus 11 entspricht weitgehend der Ausführungsform aus 9, umfasst jedoch zusätzlich einen Verstärker 21, um die Amplitude der Wechselspannung am Abschirmleiter 22.3 einzustellen. Es wird somit klar sein, dass in der siebten Ausführungsform der Erfindung das Übersetzungsverhältnis zwischen der dritten und der ersten oder zweiten Wicklung anders als Eins sein kann.
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Die achte bevorzugte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors gemäß der Erfindung, die in 11 gezeigt ist, kombiniert alle Merkmale der Ausführungsformen der 10 und 11.
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Es sollte angemerkt werden, dass bei den Ausführungsformen aus den 11 und 12 der Verstärker 10 durch einen passenden Transformator ersetzt werden könnte.
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13 zeigt einen Fahrzeugsitz 25, der mit einer Kombination aus einer Sitzheizung und einem kapazitiven Insassenerkennungssystem 26 ausgerüstet ist. 14 zeigt ein Lenkrad 28, das mit einer Kombination aus einer Heizung und einem kapazitiven System zum Erkennen einer Handberührung 27 ausgerüstet ist.
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Während spezifische Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass angesichts der Gesamtlehre der Offenbarung verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details entwickelt werden könnten. Demnach sollen die besonderen offenbarten Anordnungen nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Rahmen der Erfindung begrenzen, für die der gesamte Umfang der beigefügten Ansprüche und aller Äquivalente von diesen gilt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronisches Steuermodul, das einen kapazitiven Sensor implementiert
- 2
- Heizstromversorgung
- 3
- Referenzmasse
- 4
- Widerstand, der den Verdrahtungswiderstand darstellt
- 5
- Gleichtaktdrossel
- 5.1–5.6
- Anschlüsse der Gleichtaktdrossel
- 6
- Kondensator
- 7
- Kondensator
- 8
- Impedanzglied (hier als ein Kondensator dargestellt)
- 9
- Wechselstromsignalquelle
- 10
- Schaltungserdleiter
- 11
- Knoten, der direkt mit dem Heizelement verbunden ist
- 12
- Heizelement
- 13
- Unbekannte Impedanz
- 14
- Induktor
- 15
- Induktor
- 16
- Kopplungskondensator
- 17
- Transimpedanzverstärker
- 17.1
- Referenzeingang
- 17.2
- Signaleingang (Messknoten)
- 18
- Spannungssignalausgang
- 19
- Kondensator (für Ablenkung der Stromeinspeisung)
- 20
- Kondensator (für Ablenkung der Stromeinspeisung)
- 21
- Verstärker
- 22
- Geschirmtes Kabel
- 22.1, 22.2
- Innenleiter
- 22.3
- Abschirmleiter
- 24
- Messknoten
- 25
- Fahrzeugsitz
- 26
- Kombination aus Sitzheizung und kapazitivem Insassenerkennungssystem
- 27
- Kombination aus Heizung und kapazitivem System zum Erkennen einer Handberührung
- 28
- Lenkrad
