DE10115535A1 - DC/AC WANDLER mit kontaktloser, induktiver Energieübertragung - Google Patents

Abstract

Der DC/AC-Wandler ist eine elektronische Einrichtung zur kontaktlosen, induktiven Übertragung von Energie, der mittels eines Hochfrequenz-Impulsgenerators an einen trennbaren Verbraucher beliebige Spannungen überträgt. Der Impulsgenerator erzeugt asymmetrische Impulse, die je nach Auskopplung zwei verschiedene Spannungen an den Verbraucher abgeben. Der Impulsgenerator ist derart ausgebildet, dass er bei fehlendem Verbraucher nicht zur Schwingung angeregt wird und dadurch im Stand-by-Betrieb nahezu keine Energie verbraucht.

Description

Die Erfindung betrifft einen DC/AC-Wandler zur kontaktlosen, in­ duktiven Energieübertragung über eine insbesondere magnetische Ankopplung zwischen Energieerzeuger und Energieverbraucher nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Als Beispiele für eine derartige kontaktlose Energieübertragung werden die EP 0 666 805 B1 und die EP 0 509 125 B1 genannt.

Bei den genannten Patentanmeldungen handelt es sich um Einrich­ tungen zur berührungslosen Daten- und Energieübertragung, insbe­ sondere aber auch um Ladeeinrichtungen. Insbesondere bei der EP 0 666 805 B1 wird eine Ladeeinrichtung zum automatischen, berührungslosen Laden beschrieben, bei der relativ hohe Leistungen übertragen werden.

Es ist jedoch erwünscht, in manchen Anwendungsfällen zwei unter­ schiedliche Energiemengen zu übertragen. Es soll beispielsweise vorgesehen werden, dass bei einer Ladeeinrichtung nach der EP 0 666 805 B1 einmal eine Schnellladung und einmal eine Schon­ ladung stattfindet.

Es ist in der Impulstechnik bekannt, dass zum Beispiel ein Ein­ transistorimpulsgenerator, ein sogenannter selbstgenerierender Dreipunkt-Blocking-Generator, durch die richtige Auswahl der Bau­ elemente ganz stabil arbeiten und Rechteckimpulse erzeugen kann, wobei die Impulsbreite unterschiedlich zur Pausenlänge ist (im fol­ genden "asymmetrische Impulse" genannt) und durch Einweg- Gleichrichtung der positiven oder der negativen Impulse zwei un­ terschiedliche Energieniveaus erhalten werden.

Allgemein hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine insbe­ sondere kontaktlose Übertragung von relativ niedrigen Energien über eine magnetische Ankopplung in zwei verschiedenen Stufen zu bewerkstelligen, wobei einfache Bedienung, Sicherheit, Kostenfaktor und Zuverlässigkeit wichtig sind.

Es handelt sich also bei der Erfindung um einen DC/AC-Wandler mit kontaktloser Energieübertragung, wobei durch die asymmetrischen Impulse mit nachfolgender Gleichrichtung bei einer Umpolung der Verbraucherschaltung entweder eine hohe Energie oder eine niedrige Energie von dem Verbraucher entnommen wird.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist, dass, wenn kein Ver­ braucher induktiv angekoppelt ist, nur eine ganz geringe Ver­ lustleistung im Impulsgenerator entsteht, da sein Schwingen unter­ bunden wird.

Technisch wird dies dadurch gelöst, dass bei dem im Primärstrom­ kreis mit einem "asymmetrischen Impuls" schwingenden Impuls­ generator, der aus einem stationären Teil mit einem E-Magnetkern, der zwei Spulen trägt, besteht, nun entsprechend "asymmetrische Impulse" auf die Sekundärseite induktiv übertragen werden und je nachdem, wie die sekundäre mobile Verbraucherschaltung auf den E-Magnetkern aufgesetzt wird, entsteht entweder eine hohe oder eine niedrige Energie.

Hauptvorteil eines erfindungsgemässen DC/AC-Wandlers ist die kontaktlose zweistufige Übertragung von Energie und automatische Auswahl des Spannungsniveaus für unterschiedliche Anwendungs­ zwecke, indem die mobile Verbraucherschaltung je nach ge­ wünschter Spannung mit entsprechenden Wicklungen versehen wird. Dadurch kann ein und derselbe Impulsgenerator universell für mehrere Verbraucherschaltungen mit unterschiedlichem Span­ nungsniveau verwendet werden.

Im folgenden wird der DC/AC-Wandler anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile des DC/AC-Wandlers hervor.

Es zeigen:

Fig. 1: schematisiert ein Blockschaltbild einer Ladeeinrichtung mit kontaktloser Energieübertragung, wo im Verbrau­ chersschaltkreis (5) statt eines Akkumulators (10) eine Glühbirne (10a) geschaltet ist;

Fig. 2: das Oszillogramm der Spannung an der Verbraucher­ wicklung (7) im hohen Energieübertragungs-Modus;

Fig. 3 das Oszillogramm der Spannung an der Verbraucher­ wicklung (7) im niedrigen Energieübertragungs-Modus;

Fig. 4 zeigt den magnetischen Streufluss des E-Magnetkernes (4) bei entferntem Magnetkern (6);

Fig. 5 das Oszillogramm an der Wicklung (3).

Um den Schnelllade-Modus und den Schonlade-Modus anschaulich zu machen, werden in den Fig. 2 und 3 dargestellte Oszillogramme an der Verbraucherwicklung (7) gemessen, wobei im Verbraucher­ schaltkreis (5) statt eines Akkumulators (10) eine Glühbirne (10a) geschaltet ist. Eine Messung mit angeschlossenem Akkumulator (10) würde nur die am Akkumulator (10) herrschende Gleich­ spannung zeigen. Bei angeschlossenem Akkumulator (10) ist aus den Oszillogrammen gemäss Fig. 2 und 3 offensichtlich, dass der Ladestrom des Akkumulators im ersten Fall höher ist als im zweiten Fall, woraus sich einmal die Schnellladung und zum anderen Mal die Schonladung ergibt.

Fig. 1 zeigt die kontaktlose Vorrichtung zur Batterieladung mit einem Hochfrequenz-Impulsgenerator und einer Verbraucher­ schaltung (5), welche induktiv miteinander über die Spulen (2), (3) und (7) verbunden sind. Die Spulen (2) und (3) sind auf den äusseren Polen (4a) und (4c) eines stationären dreipoligen E- Magnetkerns (4) angeordnet. Der elektrische Schaltkreis der Ver­ braucherschaltung (5) beinhaltet eine sekundäre Spule (7) auf dem Magnetkern (6), einen Gleichrichter (8) und einen Ladekondensator (9), welcher mit einem ladbaren Akkumulator (10) elektrisch ver­ bunden ist. Die Spule (7) ist auf einem beweglichen, aufsetzbaren Magnetkern (6) angeordnet, welcher in Bezug auf den E-Magnet­ kern (4) eine magnetische Brücke (Nebenschluss) bildet. Durch den Magnetkern (6) wird beim Aufsetzen des E-Magnetkerns (4) die magnetische Kopplung der Spulen (2) und (3) erhöht, so dass der Impulsgenerator zu schwingen beginnt.

In Fig. 1 ist im unteren Teil allgemein ein Impulsgenerator als Hochfrequenzoszillator schematisch dargestellt, der mit einem "asymmetrischen Impuls" schwingt. Das heisst, die Impulsbreite (22) (Fig. 2) und die Pausenlänge (23) (Fig. 2) sind unterschiedlich.

Wichtig ist nun, dass in Serie mit dem Akkumulator (10) eine Diode (8) geschaltet ist, welche eine Halbwellengleichrichtung durchführt, wobei lediglich abhängig vom Aufsetzen des Magnetkerns (6) auf dem E-Magnetkern (4) ein hoher oder niedriger Ladestrom eingestellt wird.

Von besonderer Bedeutung ist, dass keinerlei Umschaltung erfor­ derlich ist, sondern die zwei Leistungstufen nur durch eine lage­ abhängige Positionierung des Magnetkernes (6) entstehen.

Die Möglichkeit, beliebige Akkumulatoren auch mit geringerem Ladestrom oder zur Schnellladung mit erhöhtem Ladestrom laden zu können, ist deshalb von grösster Bedeutung, da durch die schonende Ladung die Lebensdauer der Akkumulatoren bis auf das Vierfache erhöht werden kann.

Stellt man sich beispielsweise eine Drehachse (11) vor, dann kann man den Magnetkern (6) in Pfeilrichtung (12) um 180° drehen, so dass er genau in entgegengesetzter Richtung auf den unteren E- Magnetkern (4) aufgesetzt werden kann.

Die nötige Positionierung des Magnetkerns (6) auf dem E-Magnet­ kern (4) erfolgt durch ein am Gehäuse des DC/AC-Wandlers vorhan­ denes Führungselement (13).

In den Fig. 2 und 3 sind die verschiedenen Ladespannungen ge­ zeigt, wobei in Fig. 2 die Ladespannung (24) an der Verbraucher­ wicklung (7) im Schnelllade-Modus angegeben ist, während in Fig. 3 die Ladespannung (34) an der Verbraucherwicklung (7) im Schon­ lade-Modus angegeben ist.

Es kann über den vorher erwähnten Impulsgenerator ein Tastver­ hältnis der Impulsbreite (22) und der Pausenlänge (23) eingestellt werden, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 ein "asymmetrischer Impuls" entsteht.

Der in Fig. 2 und 3 dargestellte Spannungsverlauf ist praktisch spie­ gelbildlich, da die Impulsbreite (22) (Fig. 2) der Pausenlänge (32) (Fig. 3) und auch die Pausenlänge (23) (Fig. 2) der Impulsbreite (33) (Fig. 3) entspricht.

Weiteres wesentliches Merkmal des DC/AC-Wandlers ist, dass der Impulsgenerator nur überhaupt zu schwingen anfängt, wenn eine entsprechende Last in Form der Verbraucherschaltung (5) angesetzt wird. Das heisst, erst wenn der magnetische Kreis zwischen den Magnetkernen (4) und (6) geschlossen wird, kommt es überhaupt zu einem Schwingen der Elektronik des Impulsgenerators.

In dem stationären Teil des DC/AC-Wandlers sind zwei wichtige Elemente vorhanden, die den stabilen Stand-By-Modus gewährlei­ sten:

• 1. der dreipolige E-Magnetkern (4) aus Ferrit;
• 2. der elektrische Kreis aus Kondensator (17), Diode (18) und Widerstand (19), der ein Hochfrequenzfilter ist.

Wenn der Impulsgenerator schwingt, hat der Pol (4b) des E- Magnetkerns (4) keinerlei Einfluss auf den Impulsgenerator. Aber es genügt, den Magnetkern (6) von dem E-Magnetkern (4) zu ent­ fernen, um die Energieübertragung an die Spule (7) zu unter­ brechen, die Induktion und die magnetische Kopplung zwischen den Spulen (2) und (3) wird vermindert und das Schwingen des Impulsgenerators hört auf. Der mittlere Pol (4b) des E- Magnetkernes (4) schliesst die magnetische Kopplung zwischen den Polen (4a) und (4c) beinahe aus, da der Streufluss sich auf die Pole (4a) und (4b) infolge des kuerzeren Abstandes konzentriert. Da­ durch ist der Streufluss zwischen den Polen (4a) und (4c) auf ein Minimum reduziert, wie in Fig. 4 dargestellt. Dies ermöglicht, den DC/AC-Wandler dauernd in Bereitschaft zu halten. Der Ruhestrom des Impulsgenerators, der durch den Widerstand (16) bestimmt wird, ist für die wieder einsetzende Schwingung notwendig.

Der elektrische Kreis mit dem Kondensator (17), dem Widerstand (19) und der Diode (18) wirkt dafür, dass bei Übertragung des Rechteckimpulses von der Rückkopplungsspule (3) an die Basis des Transistors (15) die hintere Seite des Rechteckimpulses leicht abfallend wird und die vordere Seite fast unverändert bleibt (siehe Fig. 5). Dadurch wird die nachträgliche erhöhte Schwingung wegen der Verkleinerung der induktiven Verbindung zwischen den Spulen (2) und (3) des Impulsgenerators, die nach der Entfernung des Magnetkerns (6) von dem E-Magnetkern (4) entsteht, abgebrochen und damit kommt der Impulsgenerator in den verbesserten Stand- By-Modus.

Der Widerstand (20), die Kondensatoren (14) und (21) sind die Bestandteile der gewöhnlichen Blocking-Generatoren, wo der Wider­ stand (20) und der Kondensator (21) die Ein- und Ausschaltzeiten des Impulsgenerators bestimmen. Die Diode (22) ermöglicht die Verbesserung der Öffnung des Transistors (15) und damit erhöht sich der Wirkungsgrad der gesamten Schaltung.

Der erfindungsgemässe DC/AC-Wandler hat ein wesentliches Merk­ mal. Gemäss der Ansprüche 1 und 2 kann der Magnetkern (7) für verschiedene Spannungen mit unterschiedlichen Wicklungen versehen werden, so dass mit demselben Ladegerät unterschiedliche Spannungen zur Verfügung stehen. Ein- und dasselbe Ladegerät kann für unterschiedliche Anwendungszwecke benutzt werden: Mobiltelefone, Elektrorasierer, Batterien für Videokameras, Spielzeuge, elektrische Taschenlampen, etc. Selbst eine mit 200-300 Volt arbeitende Leuchtstofflampe kann betrieben werden.

Die Erfindung ermöglicht es, kontaktlose, induktive, miniaturisierte, sichere, kostengünstige, zuverlässige und handliche DC/AC-Wandler zu bauen, die in wässrigen, aggressiven und explosiven Medien verwendbar sind.

Selbstverständlich kann ein erfindungsgemässer DC/AC-Wandler auch aus einem Wechselstromnetz betrieben werden, wobei sich der Stand-By-Modus bei einer solchen Anordnung auch mit Erfolg anwenden lässt.

Claims (9)

1. DC/AC-Wandler mit kontaktloser, induktiver Energieübertra­ gung, bestehend aus einem elektronischen Hochfrequenz-Im­ pulsgenerator, der aus dem stationären Teil (1), dem Magnet­ kern (6) mit Wicklung (7) und einer Verbraucherschaltung (5) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (4) und (6) des Impulsgenerators derart geteilt ist, dass der Teil des Magnetjoches (6), der die Sekundärwicklung (7) trägt, abnehmbar ist, so dass Magnetkerne (6) mit unterschiedlichen Wicklungen (7) versehen zur kontaktlosen Energieübertragung aufsetzbar sind.

2. Verfahren zum kontaktlosen, induktiven Laden mit einem DC/AC-Wandler, bestehend aus einem elektronischen Hochfrequenz-Impulsgenerator, der primärseitig aus einem stationären Teil (1), einem E-Magnetkern (4) mit der Spule (2) und der Rückkopplungsspule (3) und sekundärseitig aus einem weiteren Magnetkern (6) mit Wicklung (7) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundärseitig angeordnete Magnetkern (6) lageabhängig in mindestens zwei Stellungen auf den primärseitigen E-Magnetkern (4) auf­ setzbar ist und dass, je nach der aufgesetzten Lage, ein höherer oder wahlweise ein niedrigerer Ladestrom übertragen wird.

3. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) und die Rück­ koppelungsspule (3) des Impulsgenerators auf den beiden äusseren Polen (4a) und (4c) des E-Magnetkernes (4) angeordnet sind, so dass bei abgenommenem Magnetkern (6) der entstehende Streufluss zwischen dem äusseren Pol (4a) und dem mittleren Pol (4b) des E-Magnetkernes (4) die Primärwicklung (2) und die Rückkoppelungswicklung (3) entkoppelt.

4. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schaltung des Im­ pulsgenerators ein elektrischer Kreis, bestehend aus Konden­ sator (17), Diode (18) und Widerstand (19) vorhanden ist, der die Stand-By-Schaltung stabilisiert.

5. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator, der Impulse mit unterschiedlichen Ein- und Ausschaltzeiten generiert, vorhanden ist.

6. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der Sekundär­ wicklung (7) und einer Last (10) ein Einweggleichrichter (8) angeordnet ist, so dass ein DC/AC/DC-Wandler entsteht.

7. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (6) mit der Sekundärwicklung (7) um 180 Winkelgrade versetzt auf den E-Magnetkern (4) aufsetzbar ist.

8. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse des DC/AC- Wandlers Führungselemente (13) vorhanden sind, welche die Positionierung des Magnetkernes (6) auf den E-Magnetkern (4) erleichtern.

9. DC/AC-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (13) eine begrenzte Verdrehung des E-Magnetkerns (4) und des Magnetkerns (6) zueinander gestatten.