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Die
Erfindung betrifft ein Haushalts-Aufsatzgerät mit einer
Leistungsspule zum induktiven Abgriff von Energie aus einem elektromagnetischen
Anregungsfeld, ein Haushalts-Betriebsgerät zum Betreiben
eines Haushalts-Aufsatzgeräts mit einer Leistungsspule
zur Erzeugung des elektromagnetischen Anregungsfelds und ein System
aus Haushalts-Aufsatzgerät und Haushalts-Betriebsgerät.
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Beispielsweise
aus
DE 103 43 011
A1 ,
DE
10 2005 022 352 A1 ,
DE 10 2006 017 800 A1 und
DE 10 2006 017 801 A1 ist
eine Leistungsübertragung von einer Arbeitszone eines Betriebsgeräts
auf ein Aufsatzgerät mittels induktiver Kopplung bekannt.
Unter einer induktiven Kopplung wird dabei die Kopplung einer Primärspule
des Betriebsgeräts und einer Sekundärspule des
Aufsatzgeräts über ein magnetisches Wechselfeld
verstanden, welches von der Primärspule erzeugt und von
der Sekundärspule abgegriffen wird. In der Sekundärspule
wird mittels des magnetischen Wechselfelds eine Induktionsspannung
erzeugt, die zum Betrieb des Aufsatzgeräts verwendet werden
kann. Primärspule und Sekundärspule können
dabei auch als zwei Hälften eines trennbaren Transformators
angesehen werden, weshalb diese Art von Kopplung und Leistungsübertragung
auch ”transformatorische Kopplung” genannt wird.
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Aus: Kiefer,
A.; Reindl, L. M., "Inductively Coupled Sensor/Aktuator
System for Closed-Loop Control Applications at High Temperatures
and in Aggressive Environments", Sensors, 2007 IEEE, 28.
bis 31. Oktober 2007, Seiten 1396 bis 1399, oder aus Kiefer,
A.; Reindl, L. M. "Inductively Coupled Sensor/Aktuator
System for Digital Closed-Loop Control Applications at High Operating
Temperatures", 2nd WSEAS Int. Conf. an CIRCUITS, SYSTEMS,
SIGNAL and TELECOMMUNICATIONS (CISST'08), Acapulco, Mexiko, 25.
bis 27. Januar 2008, ist ein Sensor/Aktuator-System für
Hochtemperaturanwendungen bekannt, bei dem die kompletten Messelektronik
und die Sensoren in den Aktuator integriert sind. Die Datenübertragung
ist als Punkt-zu-Punkt-”Power Line Communication” (PLC) zwischen
dem Sensor/Aktuator-System und seiner Steuereinheit implementiert.
Ein trennbarer Transformator dient als induktiv gekoppelter, kontaktloser
Anschluss sowohl für die Leistungsübertragung
als auch für die bidirektionalen PLC-Daten, was eine perfekte
hermetische Abdichtung ermöglicht.
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Aus
JP 2003284264 A ist
ein kontaktloses Leistungsspeisungssystem bekannt, bei dem mittels transformatorischer
Kopplung über entsprechende Leistungsspulen Energie von
einem Betriebsgerät auf ein Aufsatzgerät übertragen
wird. Zur Detektion des Aufsatzgeräts werden über
eine Signalerzeugungsvorrichtung des Aufsatzgeräts, die
einen Schwingkreis aufweist, Signale an eine gegenüberliegende
Signalempfangsschaltung des Betriebsgeräts übertragen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur besonders platzsparenden und kostengünstigen Datenübertragung
zwischen einem Aufsatzgerät und einem Betriebsgerät bereitzustellen,
welches das Aufsatzgerät mittels transformatorischer oder
induktiver Kopplung mit Leistung versorgt.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Haushalts-Aufsatzgeräts, eines
Haushalts-Betriebsgeräts und eines Systems nach dem jeweiligen
unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Das
Haushalts-Aufsatzgerät weist mindestens eine Spule mit
jeweils mindestens einer Windung (”Leistungswindung”)
zum induktiven Abgriff von Energie aus einem elektromagnetischen
Anregungsfeld auf (”Leistungsspule”). Die Leistungswindungen
liegen in einer gemeinsamen Leistungswindungsebene. Mittels des
induktiven Abgriffs kann an der Spule eine durch das elektromagnetische
Anregungsfeld bewirkte Induktionsspannung zum Betrieb des Haushalts-Aufsatzgeräts
erzeugt werden, welches als elektrischer Verbraucher mindestens
eine Last aufweist. Eine solche Energieübertragung auf das
Haushalts-Aufsatzgerät wird häufig auch als transformatorische
Energieübertragung oder Kopplung bezeichnet. Eine Last
kann direkt mit einer Induktions-Wechselspannung betrieben werden,
z. B. ein Widerstandsheizleiter; alternativ oder zusätzlich kann
eine Last nach einer Gleichrichtung mit einer Gleichspannung betrieben
werden, z. B. eine Elektronik mit einer Niedervoltgleichspannung
im Bereich von bis zu 50 V. Das elektromagnetische Anregungsfeld
ist vorzugsweise ein magnetisches Wechselfeld.
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Das
Haushalts-Aufsatzgerät weist ferner mindestens eine Spule
mit jeweils mindestens einer Windung (”Signalwindung”)
zur Datenübertragung auf (”Signalspule”).
Die Signalwindungen liegen in einer gemeinsamen Signalwindungsebene.
Die Leistungswindungs ebene liegt im Wesentlichen parallel zu der
Signalwindungsebene. Dadurch lässt sich eine besonders
platzsparende, insbesondere flache, und kostengünstige
Datenübertragungseinheit (Sender, Empfänger oder
Senderempfänger) mit dieser Signalspule realisieren. Im
Gegensatz zur gemeinsamen Datenübertragung über
eine kombinierte Leistungs/Signal-Spule ergibt sich eine einfachere
Erzeugung eines Datensignals als auch ein einfacheres Lesen des
Datensignals.
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Die
Datenübertragungseinheit kann als Sender, als Empfänger
und/oder z. B. als Senderempfänger (”Transceiver”)
ausgestaltet sein. Dann kann für den Sender und den Empfänger
bzw. für den Sendezweig und den Empfangszweig des Transceivers eine
eigene Signalspule vorgesehen sein. Alternativ kann dafür
eine kombinierte Sende/Empfangs-Signalspule vorgesehen sein, was
bevorzugt wird. Bei einer Auslegung zur bidirektionalen Kommunikation zwischen
Haushalts-Aufsatzgerät und Haushalts-Betriebsgerät
kann die Signalspule also als eine Sendeempfangs-Signalspule dienen,
bei unidirektionaler Kommunikation von dem Haushalts-Aufsatzgerät
zu dem Haushalts-Betriebsgerät als Sende-Signalspule bzw.
Empfangs-Signalspule. Das Aufsatzgerät weist vorteilhafterweise
zur Realisierung eines Regelkreises mindestens einen Sender auf,
während das Betriebsgerät dann mindestens einen
Empfänger aufweist. Der Sender oder Transceiver des Aufsatzgeräts
und der Empfänger bzw. der Transceiver des Betriebsgeräts
sind aufeinander abgestimmt, so dass sie sich verständigen
können. Insbesondere können der Sender und der
Empfänger mit dem gleichen oder den gleichen Datenprotokoll(en)
arbeiten und ein gleiches Frequenzband oder Frequenzbänder verwenden.
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Die
Datenübertragungseinheit kann insbesondere dazu eingerichtet
sein, mittels des an der Sekundärspule abgegriffenen Induktionsstroms
bestromt zu werden, ggf. nach einer Gleichrichtung. Dies bedeutet,
dass die Datenübertragungseinheit nur senden kann, wenn
das Aufsatzgerät Energie aus der transformatorischen Kopplung
ziehen kann. Die Energie kann in einem optionalen Energiespeicher
gespeichert sein, z. B. einem Superkondensator. Zum Betrieb der
Datenübertragungseinheit kann der Leistungsspule ein Schaltregler
nachgeschaltet sein, welcher aus der Leistungsversorgung ausgekoppelte
Energie auf einen zum Betreiben von Niedervoltkomponenten geeigneten
Spannungspegel gleichrichtet. Da die transformatorische Kopplung
typischerweise eine Nahfeld- oder Nahbereichskopplung ist, wird
die Datenübertragungseinheit auch erst dann arbeiten können,
wenn sich das Aufsatzgerät bereits nahe an der Arbeitszone
befindet. Vorzugsweise beträgt ein effektiver senkrechter
Abstand des Aufsatzgeräts von der Arbeitszone, innerhalb
dessen eine für den Betrieb der Datenübertragungseinheit noch
ausreichende Leistung übertragen wird, weniger als 2 cm,
vorzugsweise nicht mehr als 0,75 mm. Ein seitlicher Versatz, innerhalb
dessen eine für den Betrieb der Datenübertragungseinheit
noch ausreichende Leistung übertragen wird, beträgt
vorzugsweise nicht mehr als 3 cm.
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Das
Aufsatzgerät kann mindestens eine integrierte Schaltung
zur Verarbeitung von Daten und zur Ausgabe und/oder zum Empfang
von Daten an die bzw. von der Datenübertragungseinheit
aufweisen. Die integrierte Schaltung mag z. B. Daten verarbeiten,
z. B. einlesen, verändern, verknüpfen, zwischenspeichern,
formatieren usw., und diese Daten oder daraus abgeleitete Daten
an die Datenübertragungseinheit zur Übertragung
an das Betriebsgerät ausgeben oder von dem Betriebsgerät über
die Datenübertragungseinheit empfangen. Zu verarbeitende
Daten können von einer anderen Einheit, z. B. einem Sensor,
angelieferte Daten sein oder auch in oder an der integrierten Schaltung
gespeicherte Daten sein, z. B. eine Kennung (Seriennummer usw.)
oder eine Eigenschaft des Aufsatzgeräts. Die Datenübertragungseinheit
kann zumindest teilweise in die integrierte Schaltung integriert
sein. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht. Alternativ
ist die Datenübertragungseinheit ein von der integrierten
Schaltung unterschiedliches Bauelement oder unterschiedliche Baugruppe.
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Die
Datenübertragungseinheit kann als Sender einen Modulator
und eine dem Modulator nachgeschaltete Signalspule aufweisen, als
Empfänger einen der Signalspule nachgeschalteten Demodulator
und/oder als Senderempfänger ein mit der Signalspule verbundenes
Modem. Dann mögen der Modulator, der Demodulator und/oder
das Modem in die integrierte Schaltung integriert sein, die Signalspule
jedoch nicht.
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Das
gespeiste oder bestromte Aufsatzgerät mag selbstständig
Daten an das Betriebsgerät senden oder davon empfangen,
z. B. zyklisch innerhalb vorbestimmter Zeitintervalle, z. B. alle
100 ms, wodurch eine optimale Datenrate einstellbar ist. Vorteilhafterweise
werden insbesondere Messdaten, z. B. eine Temperatur, Luftfeuchte
oder ein Druck, selbstständig an das Betriebsgerät übermittelt,
da so ein Speicherüberlauf verhindert werden kann.
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Ein
Haushalts-Aufsatzgerät kann insbesondere jegliches elektrisch
betreibbare Gerät zur Lebensmittelbehandlung sein, wie
ein Haushaltskleingerät (Kaffeemaschine, Waffeleisen usw.)
oder ein Gargeschirr (Topf, Pfanne usw.).
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Das
Haushalts-Betriebsgerät (Basisstation) weist mindestens
eine Arbeitszone zum Betreiben eines Aufsatzgeräts an der
Arbeitszone auf, z. B. durch Aufsatz auf die Arbeitszone. Das Betriebsgerät
weist dazu pro Arbeitszone mindestens eine Spule mit jeweils mindestens
einer in einer Leistungswindungsebene liegenden Leistungswindung
zur Erzeugung eines elektromagnetischen Anregungsfelds, insbesondere
magnetischen Wechselfelds, an der Arbeitszone auf (”Leistungsspule”).
Mittels der Erzeugung eines elektromagnetischen Anregungsfelds kann
ein an der Arbeitszone angeordnetes Aufsatzgerät mittels
induktiver oder ”transformatorischer” Energieübertragung
oder Kopplung betrieben werden. Im Kontext eines Kochfelds kann
die Arbeitszone auch als Kochzone bezeichnet werden, jedoch ist
die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
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Das
Haushalts-Betriebsgerät kann beispielsweise als kompakte
Einheit vorliegen oder mit mindestens einer separaten Arbeitszone,
die über eine (im Falle mehrerer Arbeitszonen gemeinsame)
Steuereinrichtung betreibbar ist bzw. sind, ausgerüstet sein.
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Das
Haushalts-Betriebsgerät weist ferner mindestens eine Signalspule
pro Arbeitszone mit jeweils mindestens einer Signalwindung in einer
Signalwindungsebene auf, wobei die Leistungswindungsebene im Wesentlichen
parallel (d. h., genau parallel oder mit unwesentlichen Abweichungen)
zu der Signalwindungsebene liegt. Auch hierdurch lässt sich
eine besonders platzsparende, insbesondere flache, und kostengünstige
Datenübertragungseinheit mit dieser Signalspule realisieren.
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Die
Datenübertragungseinheit kann auch im Fall des Haushalts-Betriebsgerät
ein Empfänger, ein Sender und/oder z. B. ein Senderempfänger
(”Transceiver”) sein. Dann kann für den
Sender und den Empfänger bzw. für den Sendezweig
und den Empfangszweig des Transceivers eine eigene Signalspule vorgesehen
sein. Alternativ kann dafür eine kombinierte Sende/Empfangs
Signalspule vorgesehen sein, was bevorzugt wird.
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Bei
dem Haushalts-Aufsatzgerät und bei dem Haushalts-Betriebsgerät
kann die Windungsebene der jeweiligen Leistungswindungen und Signalwindungen
gleich oder im We sentlichen gleich sein, als auch gegeneinander
versetzt sein. Bei einer gleichen oder im Wesentlichen gleichen
Windungsebene wird keine zusätzliche Bauhöhe benötigt.
Bei einer zueinander versetzten Anordnung können die zugehörigen
Leistungswindung(en) und die Signalwindung(en) auch übereinander
angeordnet sein, wodurch eine laterale Ausdehnung minimiert wird.
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Es
kann jeweils mindestens eine Leistungsspule mit jeweils mindestens
einer Leistungswindung verwendet werden, z. B. in Form von getrennten
konzentrisch angeordneten Windungen. Zur einfachen Ansteuerung wird
jedoch eine Leistungsspule bevorzugt, die als Spiralspule mit einer
oder mehreren Windungen ausgebildet ist. Die Spiralspule kann durchgehend
gekrümmte Windungen, eckig umlaufende Windungen oder auch
frei gestaltete Windungen aufweisen.
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Falls
die Leistungswindungsebene und die Signalwindungsebene parallel
zueinander liegen, insbesondere auch bei übereinstimmender
Leistungswindungsebene und Signalwindungsebene, kann die mindestens
eine Signalwindung der Signalspule die mindestens eine Leistungsspule
außen umlaufen. Die außenseitige Anordnung kann
insbesondere eine ausreichende Leiterlänge für
einen breiten Bereich an Übertragungsfrequenzen auch bei
nur einer Windung sicherstellen. Alternativ kann die mindestens
eine Signalwindung die mindestens eine Leistungsspule innen umlaufen.
Bei innen liegender Anordnung mag zur Sicherstellung einer ausreichenden
Leiterlänge die Zahl der Windungen erhöht werden.
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Die
mindestens eine Leistungsspule und die mindestens eine Signalspule
eines Geräts können einen gemeinsamen Spulenkern
oder Transformatorkern zur Daten- und Leistungsübertragung
aufweisen, was im Gegensatz zu einer getrennten Anordnung Bauteile
einspart. Der Spulenkern besteht vorteilhafterweise aus einem Eisenkern,
insbesondere einem Ferritkern. Der Ferritkern weit vorzugsweise einen äußeren
Durchmesser zwischen 1 cm und 20 cm auf, speziell zwischen 6 cm
und 15 mm. Alternativ kann eine der Spulen oder können
beide Spulen auch Luftspulen sein. Zur einfachen Ausgestaltung des
Spulenkerns sind die mindestens eine Leistungswindung und die mindestens
eine Signalwindung in einer gleichen Ausnehmung des Spulenkerns
angeordnet. Bevorzugt ist das Vorsehen nur einer Signalspule pro
Gerät. Ein Windungsdurchmesser der Spulen kann vor zugsweise
zwischen 1 cm und 20 cm betragen, insbesondere zwischen 6 cm und
12 cm, speziell zwischen 8 cm und 10 cm.
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Die
Windungszahl einer Spule ist nicht beschränkt und kann
beispielsweise zwischen 1 und 100 liegen. Bevorzugt werden eine
Windungszahl einer Signalspule von eins und/oder eine Windungszahl
einer Leistungsspule zwischen vier und zehn. Die Signalwindungen
können vorteilhafterweise aus HF-Litze oder Lackdraht bestehen,
die Leistungswindungen können vorteilhafterweise aus HF-Litze
bestehen. Der Durchmesser des Leiters (z. B. HF-Litze 30 × 0,05)
der Signalwindung kann vorteilhafterweise dünner sein als
der Durchmesser der HF-Litze (z. B. HF-Litze 840 × 0,07)
der Leistungswindung. Es wird dabei zur einfachen Anordnung und
Sicherstellung einer maximalen Leiterlänge bevorzugt, wenn
die Signalwindung an einer Seitenwand der Ausnehmung entlang geführt
ist.
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Als
Datenübertragungsverfahren werden NRZ(”Non-Return-to-Zero”)-
oder Manchester-Code-Verfahren (einschließlich eines differentiellen Manchester-Code-Verfahrens)
bevorzugt, die Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.
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Zur
Unterdrückung eines Übersprechens zwischen einem über
die Leistungsspule übertragenen Leistungssignal und einem über
die Signalspule übertragenen Datensignal wird es bevorzugt,
wenn eine minimale Frequenz des Leistungssignals oder des Datensignals
mindestens zehn mal höher ist als eine maximale Frequenz
des Datensignals bzw. des Leistungssignals. Die Signalwindung kann
vorzugsweise im MHz-Bereich oder höher betrieben werden, vorzugsweise
im Bereich ab einer Frequenz von 4 MHz oder z. B. bei einer Frequenz
im Frequenzbereich zwischen 4 MHz und 32 MHz.
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Zur
Vermeidung einer Erwärmung des Aufsatzgeräts wird
es bevorzugt, wenn zur Datenkommunikation eine Leistung von nicht
mehr als 10 Watt verbraucht wird, speziell nicht mehr als 5 Watt,
insbesondere nicht mehr als 3 Watt. Dabei kann die Leistung auch
zum Betrieb einer Elektronik des Aufsatzgeräts benötigt
werden, welche die Signalspule als Antenne verwendet.
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Die
Leistungsspule kann vorteilhafterweise mit einer Frequenz von nicht
mehr als 400 KHz betrieben werden, insbesondere im Frequenzbereich zwischen
100 KHz und 400 KHz. Alternativ oder zusätzlich können
Daten über die Signalwindung(en) bei Frequenzen übertragen
werden, die unterhalb des Frequenzbands für die Leistungsübertragung
liegen.
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Das
System weist mindestens ein solches Haushalts-Aufsatzgerät
und ein Haushalts-Betriebsgerät auf, die transformatorisch
miteinander koppelbar sind. Dabei mag nur eines der transformatorisch gekoppelten
Haushaltsgeräte mit einer dedizierten Signalspule ausgerüstet
sein; das andere der Haushaltsgeräte mag die Leistungsspule
auch zur Datenübertragung verwenden. Eine kombinierte Signal/Leistungs-Spule
ist einfacher und kompakter im Ausbau, jedoch ist die Signalverarbeitung
aufgrund der Überlagerung des Leistungssignals mit dem
Datensignal aufwändiger. Es wird daher bevorzugt, wenn
beide Geräte eine dedizierte Signalspule aufweisen.
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Es
wird ein System bevorzugt, bei dem die Leistungsspulen und/oder
die Signalwindungen des Haushalts-Betriebsgeräts und mindestens
einem Haushalts-Aufsatzgerät gleich oder im Wesentlichen gleich
(d. h., mit nur geringfügigen Abweichungen) ausgestaltet
sind. Alternativ können beispielsweise die Signalwindungen
von Haushalts-Betriebsgerät und Haushalts-Aufsatzgerät
unterschiedlich ausgestaltet sein, z. B. mit einem Übersetzungsverhältnis von
10:1 bis 1:10, bevorzugt jedoch mit 1:1.
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Auch
die Spulenkerne von Haushalts-Betriebsgerät und Haushalts-Aufsatzgerät
können unterschiedlich ausgestaltet sein, z. B. bezüglich Durchmesser,
Form, Höhe, Material usw. Jedoch wird es bevorzugt, wenn
die Spulenkerne gleich oder im Wesentlichen gleich ausgestaltet
sind, da sich so eine Herstellung an einer einzigen Herstellungslinie besonders
preiswert durchführen lässt.
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Insgesamt
wird es bevorzugt, wenn die Transformatorhälften von Haushalts-Betriebsgerät und
Haushalts-Aufsatzgerät, welche jeweils aus den Spulen und – falls
vorhanden – dem Spulenkern zusammengesetzt sind, gleich
oder im Wesentlichen gleich ausgestaltet sind.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein, wobei die erste Ziffer den Bezug zu der Figur angibt, in
welcher das Element eingezeichnet ist.
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1 zeigt
ein System aus einem Betriebsgerät zum Betreiben eines
Aufsatzgeräts mittels transformatorischer Energieübertragung
und einem darauf angeordneten Topf als Aufsatzgerät;
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2 zeigt
eine Skizze einer vereinfachten Regelstruktur des Systems aus 1;
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3 zeigt
in einer Schnittdarstellung das Betriebsgerät und das Aufsatzgerät
mit konstruktiver Ausgestaltung von Transformatorhälften
eines trennbaren Transformators;
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4 zeigt
in Aufsicht eine Anordnung von Elementen einer Transformatorhälfte
aus 3.
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1 zeigt
ein Aufsatzgerät in Form eines intelligenten Topfs 101,
der einen elektrischen Verbraucher darstellt. Der Topf 101 weist
einen Grundkörper 102 mit einem Deckel und Griffen
sowie eine als Antriebseinheit ausgebildete Sekundärspule 114 als
Leistungsspule auf. Der Topf 101 ist zum Betrieb auf einer
Oberfläche einer Arbeitsplatte 105 eines Betriebsgeräts 106 angeordnet.
Unter der Arbeitsplatte 105 ist eine Energieübertragungseinheit 107 montiert.
Diese weist ein Gehäuse 108 mit einem Betätigungselement 109 zum
Ein- und Ausschalten der Energieübertragungseinheit 107 auf.
Ferner umfasst die Energieübertragungseinheit 107 eine
Primärspule 111 als Leistungsspule und eine Stromerzeugungseinheit 112 zur
Versorgung der Primärspule 111 mit einem Wechselstrom.
Die Stromerzeugungseinheit 112 ist in diesem Ausführungsbeispiel
als Wechselrichter ausgebildet. Die Primärspule 111 ist in
Form einer ebenen Spiralwicklung gewickelt. Beim Betrieb der Energieübertragungseinheit 107 und
des Topfes 101 wird die Primärspule 111 mit
dem Wechselstrom gespeist und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld.
Mittels eines Feldflusses dieses Wechselfelds überträgt
die Primärspule 111 durch Induktion Energie auf
die Sekundärspule 114, welche an einer auf der
Oberfläche der Arbeitsplatte 105 gezeichneten
Arbeitszone (Energieübertragungsbereich) 113a angeordnet
ist. An einer benachbarten Arbeitszone 113b ist kein Aufsatzgerät
angeordnet. Die Sekundärspule 114 ist als ebene
Spiralwicklung ausgebildet. Die Arbeitszonen 113a und 113b sind
mittels einer jeweiligen Linie 115a, 115b auf
der Arbeitsplatte 105 eingezeichnet. In der Sekundärspule 114 wird durch
den magnetischen Feldfluss eine Sekundärspannung induziert,
die als Betriebsspannung für einen Betrieb des Topfs 101 genutzt
wird. Der Topf 101 kann von der Arbeitszone 113 entfernt
werden, wodurch die Sekundärspule 114 von der
Primärspule 111 getrennt wird. An die Arbeitszone 113 können dann
weitere Aufsatzgeräte gebracht werden, wie z. B. eine Kaffeemaschine,
ein Mixer, ein Ladegerät, eine Friteuse, ein Toaster, ein
Wasserkocher usw. (auch als 'Haushaltskleingeräte' bezeichnet),
die jeweils eine oder mehrere Sekundärspulen aufweisen und
von einem drahtlosem Zusammenwirken der jeweiligen Sekundärspule
mit der Primärspule 111 (”transformatorische
Kopplung”) eine Betriebsenergie beziehen.
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In
der Arbeitsplatte 105 ist ferner ein Bedienfeld in Form
eines berührungsempfindlichen Bildschirms 104 eingelassen,
auf dem Anzeigeelemente und Betätigungselemente frei programmierbar
sind. Der berührungsempfindliche Bildschirm 104 kann beispielsweise
ein Flüssigkristall- oder LED-Bildschirm sein, der von
einer berührungsempfindlichen Folie, z. B. einer ITO-Folie,
abgedeckt ist. Dadurch kann eine große Zahl unterschiedlicher
Betätigungselemente wie Taster, Zirkularslider, Linearslider
im Wesentlichen beliebig auf dem Bedienfeld dargestellt werden,
was eine sehr flexible Bedienerführung erlaubt. Mittels
des Bedienfelds 104 können insbesondere die beiden
Arbeitszonen 113a und 113b unabhängig
voneinander gesteuert werden, z. B. aktiviert (eingeschaltet) und
deaktiviert (ausgeschaltet) werden und Betriebsparameter dort angeordneter
Aufsatzgeräts 101 eingestellt werden. Auch kann
ein Betriebsablauf eines jeweiligen Aufsatzgeräts 101 gestartet
werden.
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Der
Topf 101 ist mit einer integrierten Schaltung 116 zur
Verarbeitung von Daten und zur Ausgabe von Daten an einen Sender
ausgerüstet. An einen Eingang der integrierten Schaltung 116 ist
ein Temperatursensor 127 zur Bestimmung einer Temperatur am
Topf 116 angeschlossen. Die integrierte Schaltung 116 fühlt
den Temperatursensor 127 zyklisch ab, verarbeitete die
abgefühlten Temperatursignale in eine vorbestimmte Daten-
und Protokollstruktur und übermittelt die so verarbeiteten
Temperaturdaten an einen Sender. Der Sender verfügt über
einen Modulator und eine nachgeschaltete Sendesignalspule (nicht
eingezeichnet). Als Sendesignalspule dient hier eine von der Sekundärspule 114 separate
Signalwicklung. Die von der Sendesignalspule ausgestrahlten Datensignale
werden von einer Empfangssignalspule des Betriebsgeräts 106 aufgenommen (nicht
gezeigt), in einem nicht eingezeichneten Demodulator des Betriebsgeräts 106 demoduliert
und an eine Steuereinheit 110 des Betriebsgeräts 106 weitergeleitet.
Unter anderem mit tels der Temperaturdaten steuert oder regelt die
Steuereinheit (”Herdelektronik”) 110,
die hier einen Mikrocontroller umfasst, die Stromerzeugungseinheit 112.
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Zwar
sind an dem Betriebsgerät nur zwei Arbeitszonen 113a, 113b gezeigt,
jedoch sind auch weniger oder mehr Arbeitszonen realisierbar, insbesondere
vier oder fünf Arbeitszonen.
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2 zeigt
eine Skizze einer vereinfachten Regelstruktur eines Systems aus
einem intelligenten Topf 201 und einem Betriebsgerät 206.
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Der
intelligente Topf 201 weist einen Grundkörper 202 auf,
der durch einen Topfboden 220 nach unten abgeschlossen
wird, und in den Gargut 221 eingefüllt werden
kann. An einer Unterseite des Topfbodens 220 verläuft
eine Heizbahn 222 in Form einer verschlungenen Widerstandsdickschicht-Bahn,
welche bei einer Bestromung aufgeheizt wird und so den Topfboden 220 zur
Erwärmung des Garguts 221 aufwärmt. Zu
ihrer Stromversorgung ist die Heizbahn 222 mit einer Sekundärspule 214 in
Form einer spiralförmig ausgebildeten Sekundärwindung
verbunden und stellt deren Last dar. Von der Sekundärspule 214 wird
auch eine elektrische Leistung zur Versorgung einer Topfelektronik 223 abgezweigt.
Dazu weist die Topfelektronik 223 einen Schaltregler 224 auf,
welcher die von der Sekundärspule 214 ausgegebene
Leistungswechselspannung in eine Niedervoltgleichspannung umwandelt.
Mittels der Niedervoltgleichspannung werden die übrigen
Teile der Topfelektronik 223 betrieben, von denen hier
eine analoge Messelektronik 225, eine integrierte Schaltung 216 und
ein Modulator 226 eingezeichnet sind. Mittels der analogen
Messelektronik 225 werden Messsignale verschiedener Sensoren
des Topfs 201 abgefühlt. Zur einfacheren Darstellung
sind hier lediglich drei an der Unterseite des Topfbodens 220 angebrachte
Temperatursensoren 227 eingezeichnet, jedoch können
auch andere Sensoren mit der analogen Messelektronik 225 verbunden
sein, z. B. Drucksensoren oder Feuchtesensoren. Ferner ist direkt
an einem Messeingang der analogen Messelektronik 225 ein
Eigentemperatursensor 217 vorhanden. Dieser misst somit
die Temperatur im Bereich dieses Messeingangs der analogen Messelektronik 225;
da die Topfelektronik 223 vergleichsweise kompakt auf einer
gemeinsamen Platine (o. Abb.) untergebracht ist, wird die Temperatur
an diesem Messeingang als auch repräsentativ für
die Temperatur an der integrierten Schaltung 216 angesehen.
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Die
analoge Messelektronik 225 ist ausgangsseitig mit einer
Eingangsseite der integrierten Schaltung 216 verbunden,
so dass Temperaturdaten von der analogen Messelektronik 225 an
die integrierte Schaltung 216 zur folgenden Verarbeitung weitergeleitet
werden. Zur Verarbeitung der von der Messelektronik 225 analog übermittelten
Temperaturdaten weist die integrierte Schaltung 216 einen A/D-Wandler
(o. Abb.) auf. In der integrierten Schaltung 216 werden
die von der analogen Messelektronik 225 gelieferten digitalen ”Rohdaten” in
ein zur Kommunikation mit dem Betriebsgerät 206 kompatibles
Format umformatiert. Insbesondere werden Rohdaten in ein vorbestimmtes
Datenformat und Protokollformat umgewandelt. Die formatierten Messdaten werden
von der integrierten Schaltung 216 dann zyklisch, z. B.
alle 10 ms, an den Modulator 226 weitergeleitet, wo sie
auf ein Trägersignal aufmoduliert werden, um danach vom
Modulator 226 über eine Signalspule 228 an
das Betriebsgerät 206 übermittelt zu werden.
Die Signalspule 228 ist hier als eine parallel zum Topfboden 220 verlaufende
Signalwindung ausgestaltet. Es können aber auch andere
Messdaten von der integrierten Schaltung 216 verarbeitet
und an den Modulator 226 weitergeleitet werden, wie ein Messsignal
einer sekundärseitigen Leistungsspannung. Es können
zudem auch andere Daten von der integrierten Schaltung 216 verarbeitet
und an den Modulator 226 weitergeleitet werden, wie Identifizierungsdaten
(Identcode usw.) und Betriebsdaten, und zwar zyklisch oder – bei
einer bidirektionalen Kommunikation – auf Abfrage. Das
Betriebsgerät 206 weist eine Empfangssignalspule 229 auf,
die ebenfalls als Signalwindung ausgestaltet ist, welche im Wesentlichen
der Signalwindung der Sendesignalspule 228 des Topfs 201 gegenüberliegt.
Die Empfangssignalspule 229 empfängt das von der
Sendesignalspule 228 ausgestrahlte modulierte Trägersignal und
leitet es an einen Demodulator 230 weiter, in welchem die
auf das Trägersignal aufmodulierten Daten extrahiert und
wieder als lesbare digitale Daten ausgegeben werden. Somit liegen
nun sowohl die von der analogen Messelektronik 225 abgefühlten
Daten als auch von der integrierten Schaltung 216 mitgelieferten
Identifizierungsdaten und Betriebsdaten im Betriebsgerät 206 vor.
Diese Daten werden in einer Steuereinheit (”Herdelektronik”) 210 weiterverarbeitet
und zum Betrieb des Topfs 201 ausgewertet. Aufgrund der
spulenartigen Ausgestaltung und gegenüberliegenden Anordnung
von Sendesignalspule 228 und Empfangssignalspule 229 wird
eine Nahfeld-Datenübertragung erreicht, welche nicht signifikant
seitlich abstrahlt und somit von anderen Empfängern an anderen
Arbeitszonen nicht aufgenommen wird. Dadurch wird ein Übersprechen
verhindert und eine eindeutige Zuordnung von Topf 201 und
Betriebsgerät 206 nur aufgrund der Datenübermittlung
als solches und ohne andere Mittel erreicht.
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So
können die von dem Topf 201 ausgesandten Temperaturdaten
in Form von Widerstandswerten der verwendeten Temperatursensoren
vorliegen, falls diese als Widerstandstemperatursensoren ausgestaltet
sind. Daraus kann in der Steuereinheit 210 mittels Nachschlagens
entsprechender Widerstands/Temperatur-Kennlinien in einer Nachschlagetabelle
die Ist-Temperatur an der Unterseite des Topfbodens 220 bestimmt
werden und daraus die Garguttemperatur abgeleitet werden. Beispielsweise
kann die Temperatur an der Unterseite des Topfbodens 220 mit
der Garguttemperatur gleichgesetzt werden, oder es kann ein empirisch
bestimmter Temperaturunterschied hinzugefügt werden, welcher
auch von der Höhe der gemessenen Temperatur abhängig sein
kann. Die Steuereinheit 210 erhält auch Eingaben
von einem Bedienfeld 204, beispielsweise über eine
Soll-Garguttemperatur für eine Temperaturregelung Dazu
hat ein Bediener vorher die Soll-Garguttemperatur am Bedienfeld 204 direkt
oder über ein Kochprogramm eingestellt. Vom Bedienfeld 204 können – unbemerkt
vom Bediener – auch weitere Regelgrößen
wie PID-Koeffizienten an die Steuereinheit übersendet werden.
In der Steuereinheit 210 kann im Fall einer Temperaturregelung
eine Regelabweichung zwischen Soll-Garguttemperatur und Ist-Garguttemperatur
bestimmt werden, als auch eine Stellgröße des
Regelkreises, woraus wiederum eine Steuerspannung zur Steuerung
einer Stromerzeugungseinheit 212 in Form einer Leistungselektronik berechnet
und ausgegeben wird. Die Steuerspannung liegt hier in einem Bereich
zwischen 0 V (ausgeschaltet) und 4 V (maximal). Dazu ist zwischen
der Steuereinheit 210 und der Stromerzeugungseinheit 212 ein
Digital/Analog-Wandler 231 eingefügt. Mittels der
Stromerzeugungseinheit 212 wird eine Primärspule 211 in
Form einer spiralförmig ausgeführten Leistungswindung
betrieben, wie schon bezüglich 1 ausgeführt
worden ist. Die Stromerzeugungseinheit 212 erzeugt dazu
eine an der Primärspule 211 anliegende Leistungswechselspannung,
hier beispielsweise zwischen 10 VAC und 230 VAC bei einer Frequenz
zwischen 100 KHz und 400 KHz. Die Primärspule 211 erzeugt
als Wechselfeld ein magnetisches Wechselfeld, welches wiederum von
der Sekundärspule 214 aufgenommen wird. In anderen Worten
ergibt sich zwischen der Primärspule 211 und der
Sekundärspule 214 ein auf Induktion beruhender Energieübertrag
(”transformatorische Kopplung”).
-
Ist
der Topf 201 auf dem Betriebsgerät 206 aufgesetzt,
beispielsweise auf die in 1 dargestellte
Arbeitszone 113a der Arbeitsplatte 105, kann Energie
vom Betriebsgerät 206 auf den Topf 201 und Datensignale
vom Topf 201 auf das Betriebsgerät 206 übertragen werden.
Aufgrund der transformatorischen oder induktiven Kopplung zwischen
Primärspule 211 und Sekundärspule 214 ist
die Energieübertragung jedoch nur in einem Nahfeld der
Primärspule 211 zum Betrieb des Topfs 201 möglich.
Typische maximale senkrechte Abstände (entlang der z-Erstreckung)
zwischen Betriebsgerät 206 und Topf 201 betragen
hier zwischen 0,3 mm und 3 mm. Ein maximaler Versatz in r-Erstreckung
aus einer zentrierten Position beträgt hier bis zu 3 cm.
Wird der Topf 201 weiter von der Primärspule 211 entfernt, reicht
die übertragene Leistung nicht mehr zum Betrieb des Topfs 201 aus.
Dann reicht die übertragene Energie auch nicht mehr zum
Betrieb der Topfelektronik 223 aus, welche sodann ihren
Betrieb einstellt. Die auf den Topf 201 zur Datenübertragung,
einschließlich zum Betrieb der Topfelektronik 223,
benötigte Leistung beträgt weniger als 5 W, vorteilhafterweise
nicht mehr als 3 Watt. Eine Unterbrechung der Datenübertragung
wird als Entfernen des Topfs 201 vom Betriebsgerät 206 gedeutet.
-
Bei
einer Annäherung des Topfs 201 an ein Betriebsgerät 206 kann
dieses wieder in das Nahfeld der Primärspule 211 eintreten
und somit wieder mit Energie versorgt werden. In diesem Fall sendet
die Topfelektronik 223 wieder Signale über den
Sender 226, 228 aus, welche vom Betriebsgerät 206 erkannt werden.
Eine Datenübertragung wird als Aufsetzen des Topfs 201 auf
dem Betriebsgerät 206 gedeutet.
-
3 zeigt
in einer Schnittdarstellung das Betriebsgerät 306,
welches die Stromerzeugungseinheit 312, die Steuereinheit 310 und
die Primärspule 311 aufweist, und zeigt auch den
intelligenten Topf 301 mit der Sekundärspule 314 und
der Heizbahn 322. Zur übersichtlicheren Darstellung
ist der Niedervoltbereich des intelligenten Topfs 301 mit
Topfelektronik, Sensoren usw. als Last nicht eingezeichnet. Die
Primärspule 311 ist in einer kreisförmigen
Ausnehmung 332 eines Eisenkerns (insbesondere Ferritkerns) 333 des
Betriebsgerät 306 angeordnet, welcher dazu dient,
eine von der Primärspule 311 erzeugte Feldstärke
zu verstärken. In dem Topf 301 ist ein weiterer
Eisenkern (insbesondere Ferritkern) 334 zu sehen, der ebenfalls
eine kreisförmige Ausnehmung 335 aufweist, in
welcher die Sekundärspule 314 angeordnet ist.
Der Eisenkern 334 mit der Sekundärspule 314 (sekundäre
Transformatorhälfte) ist vom Eisenkern 333 mit
der Primärspule 331 (primäre Transformatorhälfte)
trennbar, wie durch einen Pfeil P schematisch angedeutet wird. Die
Arbeitsfläche der Arbeitsplatte 305 ist durch
eine gestrichelte Linie schematisch dargestellt. Die Primärspule 311 ist
in Form einer Spiralspule (siehe auch 1) in einer Leistungswicklungsebene 336 gewickelt.
Die Sekundärspule 314 ist ebenfalls in Form einer
Spiral spule in einer Leistungswicklungsebene 337 gewickelt.
Die Sekundärspule 314 und die Primärspule 311 weisen die
gleiche Anzahl von Wicklungen auf, nämlich hier fünf.
-
In
der primärseitigen Ausnehmung 332 des primärseitigen
Eisenkerns 333 ist außenseitig bezüglich
der Primärspule 311 eine einzige Signalwindung 338 einer
primärseitigen Signalspule 329 angeordnet. Diese
umläuft somit außenseitig die ebene primärseitige
Leistungsspule 311. Die Signalwindung 338 ist
an einer äußeren Seitenwand 339 der Ausnehmung 332 befestigt.
Die Leistungswicklungsebene 336 und die Signalwicklungsebene
fallen somit zusammen. Analog ist in der Ausnehmung 335 des sekundärseitigen
Eisenkerns 334 außenseitig bezüglich
der sekundärseitigen Leistungsspule 314 eine einzige
Signalwindung 341 einer sekundärseitigen Signalspule 328 angeordnet.
Diese umläuft somit außenseitig die ebene sekundärseitige
Leistungsspule 314. Auch die Signalwindung 341 ist
an einer äußeren Seitenwand 342 der sekundärseitigen
Ausnehmung 335 befestigt. Die Leistungswicklungsebene 337 und
die Signalwicklungsebene fallen somit ebenfalls zusammen. Die Signalwindungen 338, 341 werden
beide mit einer Frequenz von 4 MHz oder darüber betrieben,
während die Leistungsspulen 311, 314 mit
einer Frequenz von nicht mehr als 400 KHz laufen. Die Leiter der
Signalwindungen 338, 341 sind aus HF-Litze 30 × 0,05
gewunden, die Leiter der Leistungsspulen 311, 314 sind
aus HF-Litze 840 × 0,07 gewunden. Die primärseitigen
Windungen 311 und 338 sind in der primärseitigen
Ausnehmung 332 mit Harz oder Kunststoff vergossen; ebenso
sind die sekundärseitigen Windungen 314 und 341 in
der sekundärseitigen Ausnehmung 335 mit Harz oder
Kunststoff vergossen.
-
Durch
den Einbau der Transformatorhälften (Primärspule 311 und
primärseitiger Spulenkern 333 bzw. Sekundärspule 311 und
sekundärseitiger Spulenkern 334) in waagerechter
Anordnung ist die Feldrichtung dazwischen senkrecht ausgeprägt,
was nur minimale Störaussendungen (EMV) bewirkt.
-
4 zeigt
in Aufsicht eine Anordnung von Elementen einer Transformatorhälfte
aus 3. Dabei wird hier nur die Transformatorhälfte
für das Aufsatzgerät beschrieben; die Transformatorhälfte
für das Betriebsgerät ist analog aufgebaut. In
der ringförmigen Ausnehmung 435 des schalenförmigen
Eisenkerns 434 befinden sich die spiralförmig
ausgestaltete sekundärseitige Leistungsspule 414 mit
hier acht Windungen und diese außenseitig umgebend eine sekundärseitigen
Signalspule 428 mit einer einzigen Signalwindung 441.
Die sekundärseitige Signalwindung 441 ist mittels
eines doppelseitigen Klebebands an der äußeren
Seitenwand 442 der sekundärseitigen Ausnehmung 435 angebracht.
Der Durchmesser der Signalwindung 441 beträgt
ca. 9 cm.
-
Einige
der Vorteile der beschriebenen Ausführungsform sind, dass
eine kostengünstige und platzsparend Anordnung, eine minimierte
Störaussendung (EMV), ein robuster Aufbau, keine Gefährdung
eines Bedieners aufgrund der galvanischen Trennung der Transformatorhälften
und damit auch eine Berührungssicherheit, eine hohe Gestaltungsfreiheit
beim Gerätedesign, eine kabelfreie Leistungs-/Datenübertragung,
insbesondere für eine kabelfreie Küche, gegeben
sind. Zudem ist keine eigenen Stromversorgung (Batterie usw.) im
Aufsatzgerät erforderlich.
-
Selbstverständlich
ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
-
So
kann auch eine bidirektionale Kommunikation zwischen Topf und Betriebsvorrichtung
vorliegen. Topf und Betriebsvorrichtung sind dann jeweils mit einer
Datenübermittlungseinheit mit Sende- und Empfangsfunktion
ausgerüstet, z. B. einem Transceiver mit einem Modem und
einer Sende/Empfangs-Signalspule. Ein von der Betriebsvorrichtung
betreibbares Gerät ist nicht auf einen Topf eingeschränkt,
sondern kann jedes andere elektrisch betreibbare Aufsatzgerät
umfassen, wie ein anderes Gargeschirr (Pfanne usw.) oder ein Haushaltskleingerät.
-
So
kann der Eigentemperatursensor auch an einer anderen Stelle als
einem Messeingang positioniert sein, z. B. an einer anderen Stelle
auf der die Topfelektronik tragenden Platine, da auch die dort abgefühlten
Temperaturen repräsentativ für eine Temperatur
an der Topfelektronik sein könne. Auch kann der Eigentemperatursensor
in einen Chip integriert sein, z. B. der Messelektronik oder einer
digitalen Schaltung.
-
- 101
- Intelligenter
Topf
- 102
- Grundkörper
- 104
- Bedienfeld
- 105
- Arbeitsplatte
- 106
- Betriebsgerät
- 107
- Energieübertragungseinheit
- 108
- Gehäuse
- 109
- Betätigungselement
- 110
- Steuereinheit
- 111
- Primärspule
- 112
- Stromerzeugungseinheit
- 113
- Arbeitszone
- 114
- Sekundärspule
- 115
- Linie
- 116
- integrierte
Schaltung
- 117
- Eigentemperatursensor
- 201
- Intelligenter
Topf
- 202
- Grundkörper
- 206
- Betriebsgerät
- 210
- Steuereinheit
- 211
- Primärspule
- 212
- Stromerzeugungseinheit
- 214
- Sekundärspule
- 216
- integrierte
Schaltung
- 217
- Eigentemperatursensor
- 220
- Topfboden
- 221
- Gargut
- 222
- Heizbahn
- 223
- Topfelektronik
- 224
- Schaltregler
- 225
- analoge
Messelektronik
- 226
- Modulator
- 227
- Temperatursensor
- 228
- Sendesignalspule
- 229
- Empfangssignalspule
- 230
- Demodulator
- 231
- D/A-Wandler
- 301
- Intelligenter
Topf
- 305
- Arbeitsplatte
- 306
- Betriebsgerät
- 310
- Regelungseinheit
- 311
- Primärspule
- 312
- Stromerzeugungseinheit
- 314
- Sekundärspule
- 322
- Heizbahn
- 328
- Sekundärseitige
Signalspule
- 329
- Primärseitige
Signalspule
- 332
- Primärseitige
Ausnehmung
- 333
- Primärseitiger
Eisenkern
- 334
- Sekundärseitiger
Eisenkern
- 335
- Sekundärseitige
Ausnehmung
- 336
- Wicklungsebene
- 337
- Wicklungsebene
- 338
- Signalwindung
- 339
- äußere
Seitenwand
- 341
- Signalwindung
- 342
- äußere
Seitenwand
- 414
- Sekundärspule
- 428
- sekundärseitige
Signalspule
- 434
- Eisenkern
- 435
- Ausnehmung
- 441
- Signalwindung
- 442
- äußere
Seitenwand
- P
- Pfeil
- VB
- Sekundärspannung
- VR
- Sekundärspannungskenngröße
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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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
-
- - DE 10343011
A1 [0002]
- - DE 102005022352 A1 [0002]
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- - DE 102006017801 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Kiefer, A.;
Reindl, L. M., ”Inductively Coupled Sensor/Aktuator System
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- - Kiefer, A.; Reindl, L. M. ”Inductively Coupled Sensor/Aktuator
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