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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zur Ladung des Energiespeichers eines tragbaren elektrischen Geräts mit zumindest einer Ladezelle, welche einen steuerbaren Resonanzkreis zur induktiven Energieübertragung umfasst, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der
DE 198 37 675 A1 bekannt ist.
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Das steigende Interesse, die Energiespeicher tragbarer elektrischer Geräte, wie z. B. Mobilfunktelefone, Smartphones, Tablet-PCs, usw., effizient und bequem zu laden, führte in jüngster Zeit zu Vorschlägen für standardisierte drahtlose Schnittstellen zwischen einer Ladevorrichtung und dem zu ladenden elektrischen Gerät. Um den Ladevorgang effizient zu gestalten, sind induktive Ladevorgänge vorgesehen. Insbesondere soll sichergestellt sein, dass während einer Nicht-Ladung eines elektrischen Geräts keine oder möglichst wenig Energie verbraucht wird, auch wenn die Ladevorrichtung mit einem Energienetz, beispielsweise einem 230 V-Netz oder einem Kraftfahrzeugbordnetz, verbunden ist.
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Die Ladung der Energiespeicher basiert zumeist auf einer induktiven Nahfeldkopplung von Flachspulen, die, angeregt in Serienresonanz mit einem Kondensator, nicht nur die Ladeenergie, sondern auch eine Datenkommunikation zu dem zu ladenden elektrischen Gerät ermöglichen. Die Kommunikation erfolgt dabei auf Seiten der Ladevorrichtung durch eine Amplitudenmodulation des elektromagnetischen Felds der Ladeenergie. Auf der Seite des Energieempfängers, d. h. des zu ladenden elektrischen Geräts, wird eine Lastmodulation erzeugt, wodurch im Ergebnis eine bidirektionale Übertragung von Daten möglich ist.
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Entscheidend für die effiziente induktive Energieübertragungist neben dem Abstand der Spulen der Ladevorrichtung und eines zu ladenden elektrischen Geräts sowie einer Resonanzfrequenz insbesondere ein Spulenstrom, der den elektromagnetischen Fluss bestimmt. Für die Erzeugung dieses Spulen-Wechselstroms werden Anordnungen mit Halbleiterwechselschaltern eingesetzt, die in Halb- und Vollbrückenschaltung betrieben werden. Beiden Brückenschaltungen ist gemeinsam, dass eine separate, wechselweise Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente, z. B. durch einen Mikroprozessor, erforderlich ist. Der Wirkungsgrad des Systems ist umso höher, je genauer die Frequenz der wechselweisen Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente die Serienresonanzfrequenz des Schwingkreises trifft. Die Serienresonanzfrequenz des Schwingkreises wird bestimmt durch die Toleranzen der beteiligten Bauelemente, der Temperatur, der Resonanzverstimmung und den Kopplungsbedingungen zwischen Ladevorrichtung und elektrischem Gerät. Ein Absinken des Wirkungsgrads wird durch Hochsetzsteller kompensiert, die mit ihrer höheren Spannung, die an die Wechselschalter angelegt wird, einen höheren Spulenstrom erzeugen lässt. Ebenso werden Halbleiterschalter in den Brücken eingesetzt, die geringere Innenwiderstände aufweisen. Allerdings werden hierbei die zur Realisierung der Ladevorrichtung benötigten Komponenten verteuert.
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Die
DE 198 37 675 A1 offenbart eine induktive Ladevorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers eines tragbaren elektrischen Geräts. Eine Ladezelle weist hierzu einen parallelen Schwingkreis mit zwei Spulen und zwei Transistoren mit einer Selbstschwingung auf. Der Parallelschwingkreis ist mit einer steuerbaren Versorgungsspannung versorgt. An einen Ausgang des parallelen Schwingkreises ist ein Demodulator angeschlossen.
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Die
DE 10 2008 018 829 A1 offenbart eine induktive Ladevorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers eines elektrischen Geräts. Hierzu weist die Ladevorrichtung einen Schwingkreis auf. Auf der primären Seite der Ladevorrichtung sind ein Modulator und ein Demodulator vorgesehen. Der Modulator unterbricht mittels eines Schalters gezielt die Schwingung zur Modulation der Amplitude.
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Aus der
DE 10 2009 004 225 A1 ist eine Spannungsversorgungsvorrichtung für eine Last bekannt, welche einen Meißner-Oszillator für eine Ladeschaltung mit zwei selbstgesteuerten Schaltelementen umfasst.
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Die
US 2005/0156560 A1 offenbart eine Ladeschaltung mit Resonanzkreis und zwei selbstgesteuerten Schaltelementen.
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Aus der
WO 2009/027674 A1 ist eine induktive Ladevorrichtung bekannt, die eine Mehrzahl von Ladezellen sowie Flachspulen für den induktiven Ladevorgang eines Energiespeichers umfasst.
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Die
US 2010/0259217 A1 offenbart eine Mehrzahl von Ladezellen sowie überlappende Flachspulen für einen induktiven Ladevorgang.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladevorrichtung anzugeben, welche hinsichtlich des erzielbaren Wirkungsgradsund der Kosten verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ladevorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Ladung des Energiespeichers gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schafft eine Ladevorrichtung zur Ladung des Energiespeichers eines tragbaren elektrischen Geräts mit zumindest einer Ladezelle, welche einen steuerbaren Resonanzkreis zur induktiven Energieübertragung umfasst. Die Ladezelle umfasst einen Parallelschwingkreis mit zwei Spulen und mit zwei steuerbaren Schaltelementen für eine Selbstschwingung des Parallelschwingkreises, wobei der Parallelschwingkreis mit einer steuerbaren Versorgungsspannung versorgt ist. Insbesondere ist der Parallelschwingkreis ein selbstschwingender Gegentaktoszillator. Die Steueranschlüsse der zwei steuerbaren Schaltelemente des Parallelschwingkreises sind über je ein steuerbares Abschaltelement miteinander verbindbar, wodurch die Selbstschwingung gezielt zur Modulation der Amplitude des durch die Spulen erzeugten elektromagnetischen Felds unterbrechbar ist. Weiter ist ein Demodulator an einen Ausgang des Parallelschwingkreises angeschlossen, wobei der Ausgang durch das Spulenende eines der beiden Spulen gebildet ist, welches nicht mit einem Spulenende der anderen Flachspule verbunden ist und einen Ausgang der Ladezelle bildet.
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Die Verwendung eines Parallelschwingkreises ermöglicht den Verzicht auf Brückenschaltungen und die teuren niederohmigen Halbleiterschalter zur Wechselansteuerung. Hierdurch kann die Ladevorrichtung mit höherem Wirkungsgrad bei geringeren Kosten bereitgestellt werden. Gleichzeitig kann eine bidirektionale Kommunikation erfolgen, indem durch die Steuerung der Abschaltelemente eine Amplitudenmodulation des durch die Spulen erzeugten elektromagnetischen Felds vorgenommen wird. Da sich die Abschaltung des Parallelschwingkreises durch die Abschaltelemente in kürzester Zeit realisieren lässt, kann eine hohe Datenübertragungsrate erzielt werden. Das Vorsehen des Demodulators am Ausgang des Parallelschwingkreises ermöglicht es weiterhin, die durch Lastmodulation vorgenommene Telegrammübertragung seitens des zu ladenden elektrischen Geräts auszuwerten, indem bei frei schwingendem Parallelschwingkreis die Belastung der Amplitude durch den Demodulator ausgewertet wird.
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Zweckmäßigerweise sind die Steueranschlüsse der Abschaltelemente mit dem gleichen Steuersignal beaufschlagbar, so dass die Selbstschwingung des Parallelschwingkreises in kürzester Zeit unterbrechbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Steueranschlüsse der zwei steuerbaren Schaltelemente des Parallelschwingkreises über die Laststrecken der Abschaltelemente mit einem Bezugspotential verbindbar. Hierdurch wird sichergestellt, dass durch die Schaltelemente des Parallelschwingkreises die Selbstschwingung sicher innerhalb kürzester Zeit unterbrochen wird.
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Vorzugsweise sind die Spulen Flachspulen, welche sich insbesondere zumindest teilweise überlappen. Hierdurch lässt sich im Vergleich zu einer Ladevorrichtung mit einem Serienschwingkreis eine größere Fläche für die Übertragung elektrischer Energie zur Ladung des Energiespeichers des elektrischen Geräts bereitstellen.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die einstellbare Spannung zur Versorgung des Parallelschwingkreises durch einen steuerbaren Spannungsregler bereitgestellt ist, wobei in Abhängigkeit der Höhe der Spannung die an das Endgerät übertragene Energie steuerbar ist. Insbesondere wird dies dazu verwendet, auf Basis einer vorangegangenen Kommunikation zwischen Ladevorrichtung und zu ladendem elektrischen Gerät eine Anpassung des Ladestroms in den Energiespeicher des elektrischen Geräts vorzunehmen.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn ein Mikrocontroller zur Erzeugung von Steuersignalen für den steuerbaren Spannungsregler und die Abschaltelemente vorgesehen ist. Der Mikrocontroller dient zur Steuerung der Abschaltelemente gemäß einem vorgegebenen Datenprotokoll, um die Amplitudenmodulation zur Übertragung von Daten an das elektrische Gerät durchzuführen. Ebenso dient der Mikrocontroller dazu, das von dem Demodulator erzeugte Demodulationssignal auszuwerten. Hierzu ist der Mikrocontroller zweckmäßigerweise mit einem Ausgang des Demodulators verbunden.
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Die Ladevorrichtung kann eine Mehrzahl an Ladezellen zur Ausbildung eines Ladearrays umfassen. Mit einem Ladearray kann eine große Fläche zum Auflegen des zu ladenden elektrischen Geräts bereitgestellt werden. Durch entsprechende Umschaltelemente und Steuerelektronik ist dabei sichergestellt, dass gezielt eine oder mehrere der Ladezellen zur Ladung des Energiespeichers des elektrischen Geräts verwendet wird oder werden. Hierdurch kann der Energieverbrauch des elektrischen Geräts während des Ladevorgangs gering gehalten werden. Vorzugsweise sind die Spulen einer der Ladezelle zumindest teilweise mit den Spulen angrenzender anderer der Ladezellen überlappend angeordnet.
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Bei einer Mehrzahl von Ladezellen ist weiterhin vorgesehen, dass ein jeweiliger Ausgang der Ladezellen über einen Kondensator mit dem Eingang des Demodulators gekoppelt ist. Die Demodulation wird in einer Ausgestaltung für alle Ladezellen mit einem gemeinsamen Demodulator durchgeführt, wobei die kapazitive Entkopplung aufgrund der Übertragung eines hochfrequenten Wechselsignals zum Demodulator erforderlich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind zumindest zwei Demodulatoren vorgesehen, deren Eingänge über einen zugeordneten Umschalter mit einem jeweiligen Ausgang der Ladezellen verbindbar sind, wobei eine der Ladezellen mit einem der Demodulatoren und währenddessen die anderen der Ladezellen sequentiell mit einem der anderen Demodulatoren verbunden werden. Hierdurch ist es möglich festzustellen, ob neben den elektrischen Geräten auch weitere Fremdkörper auf einer Fläche der Ladevorrichtung liegen, welche den Ladevorgang beeinflussen oder zu einem überflüssigen Energieverbrauch führen können.
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Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Ladung des Energiespeichers eines tragbaren elektrischen Geräts mit einer Ladevorrichtung der oben beschriebenen Art. Bei dem Verfahren schalten die Abschaltelemente den selbstschwingenden Parallelschwingkreis gemäß eines vorgegebenen Datenprotokolls ein oder aus, während der Spannungsregler die Versorgungsspannung der Ladezelle bereitstellt, wodurch die Selbstschwingung des Parallelschwingkreises unterbrochen und die Amplitude des durch die Spulen erzeugten elektromagnetischen Felds moduliert wird.
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Insbesondere kann in einer Abwandlung des Verfahrens vorgesehen sein, dass durch das Datenprotokoll eine, aber auch mehrere Ladezellen, welche zugleich eingeschaltet werden, in ihrer Amplitude durch entsprechende Ansteuerung der Abschaltelemente moduliert werden. Hierdurch kann von mehreren der Ladezellen gleichzeitig eine Nachricht an das zu ladende elektrische Gerät übertragen werden. Ebenso kann die Amplitude durch Veränderung der Spannungsversorgung geändert werden, um beispielsweise den Ladestrom in dem Energiespeicher des zu ladenden elektrischen Geräts zu reduzieren.
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Die Demodulation der Ladezellen wird vorzugsweise mit einem gemeinsamen Demodulator durchgeführt. Sind mehrere Demodulatoren vorgesehen, so wird jeder der Demodulatoren mit einem Demodulationsausgang über einen Umschalter umgeschaltet.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 die Schaltungsanordnung eines aus dem Stand der Technik bekannten Gegentaktoszillators,
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2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung mit einer einzigen Ladezelle,
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3 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung mit beispielhaft drei Ladezellen,
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4 eine schematische Darstellung der Verbindung der beispielhaft drei Ladezellen aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit einem einzigen Demodulator,
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5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung mit beispielhaft fünf Ladezellen, welche beispielhaft mit zwei Demodulatoren gekoppelt sind, und
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6 eine Ausführungsform der Verbindung von fünf Ladezellen mit zwei unabhängig steuerbaren Umschaltern, die mit jeweils zugeordneten Demodulatoren verbunden sind.
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1 zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung eines selbstschwingenden Oszillators (OSZ). Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist als Gegentaktoszillator bekannt. Dieser besteht aus zwei Meißner-Oszillatoren. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Parallelschwingkreis mit zwei Spulen L1, L2 und einem Kondensator C. An dem Knotenpunkt K3 zwischen den beiden Spulen ist eine Versorgungsspannung UB angelegt. Ein Knotenpunkt K1 zwischen der Spule L1 und dem Kondensator C ist über ein Halbleiterschaltelement T3 mit einem Bezugspotential BP verbunden. In entsprechender Weise ist ein Knotenpunkt K2 zwischen der Spule L2 und dem Kondensator C über ein Halbleiterschaltelement T4 mit einem Bezugspotential BP gekoppelt. Das Bezugspotential BP wird vorzugsweise durch einen Maseanschluss bereitgestellt. Die Halbleiterschaltelemente sind als Bipolartransistoren ausgebildet. Der Basisanschluss des Transistors T3 ist mit einem aus den Widerständen R1, R2 gebildeten ohmschen Spannungsteiler und mit einem aus den Kondensatoren C1, C2 gebildeten kapazitiven Spannungsteiler verbunden. Die beiden Spannungsteiler sind zwischen dem Knotenpunkt K1 der Spule L2 und dem Kondensator C des Parallelschwingkreises und dem Bezugspotential BP verschaltet. Analog hierzu ist der Basisanschluss des Transistors T4 mit einem ohmschen Spannungsteiler R3, R4 und einem kapazitiven Spannungsteiler C3, C4 verbunden. Die beiden Spannungsteiler sind zwischen dem Knotenpunkt K2 der Spule L1 und dem Kondensator C des Parallelschwingkreises und dem Bezugspotential BP verschaltet.
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Im Moment des Anschließens der Versorgungsspannung UB sind alle Kondensatoren C, C1, C2, C3, C4 ungeladen, wodurch ein pulsförmiger Gesamtstrom durch die Schaltungsanordnung fließt. Dieser Gesamtstrom setzt sich aus Stromanteilen der Kollektorströme der Gegentakt-Transistoren T3, T4 und der Stromanteile der kapazitiven Spannungsteiler C1, C2 bzw. C3, C4 zusammen. Eine stets vorhandene geringfügige Unsymmetrie der Zweige des Gegentaktoszillators führt dazu, dass das Spannungspotential, entweder des Knotens K1 oder K2 der Spulenanordnung L1, L2 über die Transistoren T3, T4 zum Bezugspotential BP absinkt und gleichzeitig der Gegenzweig zunehmend weniger Strom führt. Der Gegenzweig bewirkt damit ein positives Potential am zugehörigen Spulenanschluss. Hierdurch wird der Schwingkreiskondensator C geladen. Durch die anliegende Versorgungsspannung UB wird gleichfalls in der Spulenanordnung L1, L2 ein Stromfluss hervorgerufen, der den Kondensator entlädt.
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Die Stärke dieses Entladestroms steigt zunächst stärker, dann langsamer an. Der ansteigende Strom erhöht den Fluss in der Spulenanordnung L1, L2. Hierdurch induziert die Spulenanordnung L1, L2 eine Spannung, die ihrer Ursache entgegenwirkt. Während sich die Spannung immer stärker verringert, bis sie schließlich Null wird, erreicht die Stromstärke ein Maximum. Gleichzeitig ist die magnetische Feldstärke der Spulenanordnung L1, L2 maximal und der Kondensator ist völlig entladen. Die gesamte Energie ist damit als Energie des magnetischen Felds in der Spulenanordnung L1, L2 in der Spule gespeichert.
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Sobald der Strom den Höhepunkt erreicht hat, nimmt er ab, was dazu führt, dass die magnetische Flussdichte in der Spulenanordnung L1, L2 absinkt. Es entsteht eine Induktionsspannung, die ihrer Ursache entgegenwirkt, so dass die Stromstärke zunächst nur langsam abnimmt und der Schwingkreiskondensator C entgegengesetzt aufgeladen wird. Die Spannung am Schwingkreiskondensator C nimmt nun wieder zu, jedoch nun mit entgegengesetzter Polung. Während die Stromstärke im Schwingkreiskondensator C wieder absinkt, erhält der Schwingkreiskondensator C erneute Ladung, d. h. elektrische Energie aus dem magnetischen Feld der Spule. Dem Parallelschwingkreis wird somit ein Teil seiner verlorenen Energie ausgleichend durch die Gegentakttransistoren T3, T4 zugeführt.
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In den nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Ladevorrichtungen zur Ladung des Energiespeichers eines tragbaren elektrischen Geräts, wie z. B. eines Mobilfunktelefons, eines Audio- und/oder Videoplayers, eines Smartphones, eines Tablet-PCs, usw., wird der oben beschriebene Gegentaktoszillator verwendet, wobei durch dessen Modifikation neben der Übertragung induktiver Energie gleichzeitig eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung und dem zu ladenden elektrischen Gerät möglich ist.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Ladevorrichtungen, welche gemäß dem Standard des Wireless Power Konsortium WPC aufgebaut sind, verwendet die vorliegende Ladevorrichtung keinen Serienresonanzkreis primärer Spulen zur induktiven Energieübertragung, sondern den in Verbindung mit 1 beschriebenen Parallelschwingkreis. Hierdurch lässt sich die Ladevorrichtung kostengünstiger bereitstellen, da zur Steuerung des Schwingkreises auf niederohmige Spulenstromumschalter, in der Regel Halb- oder Vollbrücken unter Verwendung von MOSFETs, verzichtet werden kann. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden wird, zeichnet sich eine Ladevorrichtung mit einem Parallelschwingkreis durch einen höheren Wirkungsgrad in Folge der Prinzip-bedingten Eigenerregung aus. Ferner kann ein verbessertes EMC-Verhalten durch die ebenfalls Prinzip-bedingte Bildung eines harmonischen Spulenstroms, der sinusförmig ist, erzielt werden.
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Die bidirektionale Datenkommunikation erfolgt, wie auch bei den Serienresonanzkreisen verwendenden Ladevorrichtungen, auf Seite der Ladevorrichtung durch eine Amplitudenmodulation des elektromagnetischen Felds der Ladeenergie und auf Seiten des Energieempfängers, d. h. des zu ladenden elektrischen Geräts, durch Lastmodulation. Die bidirektionale Kommunikation wird unter anderem für die Steuerung des Ladevorgangs verwendet.
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2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, welche auf einem modifizierten Gegentaktoszillator gemäß 1 basiert. Der modifizierte Gegentaktoszillator ist in einer Ladezelle LZ umfasst. Die Ladezelle besitzt einen Eingang für die Versorgungsspannung UB, welche von einem Spannungsregler R bereitgestellt wird. Durch den Spannungsregler R wird die Feldenergie der Ladezelle gesteuert. Der Spannungsregler R kann beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation gesteuert sein. Mit G ist ein Stelleingang des Spannungsreglers R gekennzeichnet. Mit V ist eine Versorgungsspannung des Spannungsreglers R bezeichnet.
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Durch den Spannungsregler R ist die Versorgungsspannung UB ein- bzw. ausschaltbar sowie in ihrer Höhe veränderbar. Durch die Höhe der Versorgungsspannung UB kann die von der Ladezelle LZ bereitgestellte Energie zur Übertragung an den zu ladenden elektrischen Energiespeicher beeinflusst werden. Insbesondere ist es möglich, die Energie zum Ende des Ladevorgangs in vorbestimmter Weise zu reduzieren. Der Steuerungsvorgang basiert dabei auf der zwischen der Ladevorrichtung und dem zu ladenden elektrischen Gerät geführten Kommunikation.
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Ein Ausgang A der Ladezelle LZ ist mit einem Demodulator D verbunden. Der Ausgang A der Ladezelle wird durch den Knotenpunkt K2 des modifizierten Gegentaktoszillators gebildet. Am Ausgang des Demodulators wird ein demoduliertes Signal M bereitgestellt, welches einem Mikrorechner für die weitere Verarbeitung zuführbar ist.
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Die Ladezelle LZ entsteht durch den Anschluss zusätzlicher Abschaltelemente T1, T2 an den Basen der Gegentakttransistoren T3, T4 des Gegentaktoszillators. Die Abschaltelemente T1, T2 sind beispielhaft als Bipolartransistoren ausgebildet, wobei ebenso MOSFETs verwendet werden könnten. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kollektoren der Transistoren T1, T2 mit Basen der Gegentakttransistoren T3, T4 verbunden. Die jeweiligen Emitter sind mit Bezugspotential BP, vorzugsweise Masse, verbunden. Die Basen der Abschalttransistoren T1, T2 sind über Vorwiderstände Rb gemeinsam mit einem Steuereingang S der Ladezelle LZ verbunden.
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Durch Ansteuerung mit einem positiven Potential am Steuereingang S werden die Gegentakttransistoren T3, T4 stromlos geschaltet, da deren Basen mit dem Bezugspotential BP verbunden sind.
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Hierdurch unterbleibt eine aktive Energie-Nachversorgung des Parallelschwingkreises durch das abwechselnde Durchschalten der Transistoren T3, T4 des Gegentaktoszillators nach Bezugspotential BP. Hierdurch verliert der Schwingkreis Energie und seine Amplitude schwingt ab. Der Abschwingvorgang kann dabei innerhalb kürzester Zeit erreicht werden, so dass durch das Schalten der Abschalttransistoren T1, T2 eine 100%-Amplitudenmodulation erzeugt werden kann. Der beschriebene Schwingungsvorgang des Gegentaktoszillators wird durch ein entsprechendes Signal am Steuereingang S wieder freigegeben, indem dort niedriges Potential angelegt wird. Dieses verhindert Basisströme in den Bipolartransistoren T1 und T2 und dadurch das Einschalten der Abschalttransistoren. Aufgrund der natürlichen Unsymmetrie des Gegentaktoszillators startet dieser wieder sofort, solange die Versorgungsspannung UB angelegt ist.
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Die zwischen den Emittern der Gegentaktoszillatoren T3, T4 und dem Bezugspotential vorgesehenen Emitterwiderstände Re verbessern die Symmetrie der Zweige des Gegentaktoszillators. Durch diese werden Streuungen, Stromverstärkung und Basis-Emitterspannung ausgeglichen.
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Für einen Fachmann ist klar, dass die Anordnung auch mit vertauschter Versorgungsspannungspolarität und angepasster Transistoren (pnp-Transistoren anstelle der dargestellten npn-Transistoren) realisiert werden könnte.
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Das Senden von Nachrichten von der Ladevorrichtung zu dem zu ladenden Gerät erfolgt somit durch das Schalten der Abschalttransistoren T1, T2 der Ladezelle. Hierdurch wird die beschriebene Amplitudenmodulation erzeugt. Sollen andererseits Nachrichten von dem zu ladenden elektrischen Gerät durch die Ladevorrichtung empfangen werden, so sind die Abschalttransistoren T1, T2 hochohmig geschaltet, so dass der Gegentaktoszillator frei schwingen kann. In diesem Fall wird durch eine von dem Gerät vorgenommene Lastmodulation die Amplitude der Schwingung des Gegentaktoszillators belastet, wobei diese Belastung durch den Demodulator D detektierbar und auswertbar ist.
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Der in 2 dargestellte Demodulator D ist kapazitiv mit dem Ausgang A der Ladezelle verbunden, wobei ein hierzu erforderlicher Kondensator in bekannter Weise in dem Demodulator vorgesehen ist. Der Demodualtor umfasst in ebenfalls bekannter Weise einen Filter, einen Verstärker und einen Schwellwertkomparator. Das demodulierte Signal M wird als Nutzsignal dem bereits erwähnten Mikrorechner zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Ein Vorteil der Verwendung eines Parallelschwingkreises der beschriebenen Art besteht weiterhin darin, dass durch die Ladezelle der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung im Vergleich zu bekannten Serienschwingkreisen eine größere Fläche für den Ladevorgang bereitgestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die als Flachspulen ausgebildeten Spulen L1, L2 des Gegentaktoszillators vorzugsweise teilweise überlappend angeordnet sind. Ebenso ist es möglich, die Spulen L1, L2 vollständig überlappen zu lassen. Der Grad der Überlappung hängt unter anderem davon ab, wie stark die Schwingung des Gegentaktoszillators einer Sinusschwingung ähneln soll.
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Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann prinzipiell mit eine beliebigen Anzahl an Ladezellen, wie diese in 2 beschrieben wurde, ausgestattet werden. 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung, welche drei Ladezellen LZ1, LZ2, LZ3 umfasst, die gemeinsam von einer einstellbaren Versorgungsspannung UB versorgt werden. Jede der Ladezellen weist einen Steuereingang S1, S2, S3 auf, an das ein jeweiliges Steuersignal zur Amplitudenmodulation des von dem Gegentaktoszillator erzeugten elektromagnetischen Felds angelegt werden kann. Wird nur eine der Ladezellen LZ1, LZ2, LZ3 eingeschaltet (indem zwei der Ladezellen LZ1, LZ2, LZ3 durch ein entsprechendes Steuersignal an ihrem Steuereingang deaktiviert werden), so kann am jeweils zugehörigen Demodulations-Ausgang A1, A2, A3 das Demodulationssignal abgenommen werden.
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4 zeigt die dann notwendige kapazitive Verbindung der drei Demodulations-Ausgänge A1, A2, A3, wobei lediglich ein einziger Demodulator D vorgesehen ist. Um einen Kurzschluss der Ausgänge A1, A2, A3 zu verhindern, darf die kapazitive Kopplung nicht mehr innerhalb des Demodulators erfolgen. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Kondensatoren C11, C12, C13 als externe Bauelemente vorgesehen.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für insgesamt fünf Ladezellen LZ1, ..., LZ5, die mit einer gemeinsamen stellbaren, steuerbaren Spannungsquelle R zur Bereitstellung der Versorgungsspannung UB verbunden sind. Deren Demodulations-Ausgänge A1, ..., A5 sind über Umschalter U1 und U2 mit zwei Demodulatoren D1, D2 verbunden. Mit C ist ein Mikrorechner (z. B. ein Mikrocontroller) gekennzeichnet, der mit den Ausgängen der Demodulatoren D1, D2 verbunden ist, so dass dem Mikrorechner C die Demodulationssignale M1, M2 zuführbar sind. Die Ausgänge des Mikrocontrollers C sind mit den Steuereingängen S1, ..., S5 der jeweiligen Ladezellen LZ1, ..., LZ5 verbunden. Darüber hinaus dient der Mikrocontroller zur Steuerung der Umschalter U1, U2, deren Steuereingänge mit Steuerausgängen P1, P2 verbunden sind. Die gemeinsame Versorgungsspannung UB der Ladezellen LZ1, ..., LZ5 wird durch das Stellsignal G vom Mikrocontroller vorgegeben.
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Sind alle Ladezellen LZ1, ..., LZ5 abgeschaltet, so verbleibt eine Reststrom-Aufnahme, die sich weiter reduziert, wenn die Versorgungsspannung UB auf 0 V geschaltet wird. Alternativ kann über einen zusätzlichen Schalttransistor den Ladezellen die gemeinsame Versorgungsspannung UB bzw. das gemeinsame Massepotential zur Ruhestromminderung entzogen werden.
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Die vom Mikrorechner C eingestellte Pulsweite bestimmt den Spulenstrom der jeweiligen Gegentaktoszillatoren, indem der Spannungsregler in seiner einfachsten Ausführung aus einem Stellglied mit Pulsweitensteuerung, angesteuert durch das Signal G, besteht.
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Hierdurch sind Voraussetzungen geschaffen, das Laden externer Geräte gemäß den Vorschriften des Datenaustauschs nach WPC durchzuführen.
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6 zeigt die Umschaltvorrichtung für die fünf Demodulations-Ausgänge A1, ..., A5, die über die Umschalter U1, U2 wahlweise mit den zwei Demodulatoren D1, D2 verbunden werden. Dabei werden die Umschalter U1 und U2 durch Signale an den Steuerausgngen P1 und P2 geschaltet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ladezelle LZ2 mit dem Demodulator D1 verbunden. Über den Umschalter U2 werden die übrigen Ladezellen LZ1, LZ3, LZ4, LZ5 selektiv nacheinander über den Umschalter U2 mit dem Demodulator D2 verbunden. Hierdurch kann festgestellt werden, ob neben dem zu ladenden elektrischen Gerät auch weitere, Energieverbrauch verursachende Gegenstände, wie z. B. Münzen oder Schlüssel, auf der Ladevorrichtung im Bereich der anderen Ladezellen liegen. Liegen keine solchen Fremdgegenstände auf der Ladevorrichtung auf, so liegt eine bekannte Kopplung vor. Im Falle aufliegender Fremdgegenstände findet eine Überkopplung statt, welche durch eine Feldveränderung sich bemerkbar macht und durch Demodulation und Verarbeitung des Demodulationssignals durch den Mikrorechner erkennbar ist.
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Eine Anordnung aus einer Mehrzahl an Ladezellen wird auch als Ladearray bezeichnet, wobei die Spulen nebeneinanderliegender Ladezellen dann zumindest teilweise überlappen. Derartige Ladearrays sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Je größer die Anzahl der Ladezellen in einem Ladearray ist, desto größer ist die für eine Ladung zur Verfügung stehende Fläche. Durch die bidirektionale Kommunikation zwischen dem zu ladenden elektrischen Gerät und der Ladevorrichtung sowie das Vorsehen der Umschalter und mehrerer Demodulatoren kann einerseits die Position des zu ladenden elektrischen Geräts festgestellt werden, so dass dann die hierfür geeignetste Ladezelle oder -zellen zur Ladung aktiviert wird oder werden. Fremdgegenstände im Bereich einzelner Ladezellen können durch die oben beschriebene Ausgestaltung detektiert werden, so dass die räumlich nächsten Ladezellen nicht aktiviert werden.
