DE102011115721B4

DE102011115721B4 - System for wireless energy transfer

Info

Publication number: DE102011115721B4
Application number: DE102011115721.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Hedayat; Maik-Julian Büker; Dipl.-Ing. Geneiß Volker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Paderborn
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: WO2013053870A2; WO2013053870A3; DE102011115721A1

Abstract

Sender (1) eines Systems zur drahtlosen Energieübertragung von wenigstens einem Sender (1) zu wenigstens einem Empfänger (4) zur elektrischen Energieversorgung eines mit dem Empfänger (4) verbundenen elektrisch betriebenen Geräts (7), wobei der Sender (1) eine Sendespule (3) zur Energieabstrahlung und der Empfänger (4) eine Empfangsspule (5) zur Energieaufnahme aufweist, wobei der Sender (1) eine Senderschaltung (2) zur Erzeugung eines Hochfrequenzausgangssignals aufweist, das in die Sendespule (3) eingespeist ist, und die Sendespule (3) in Form von Leiterschleifen (21) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderschaltung (2) einen Leistungsverstärker aufweist, der eingangsseitig mit einem Hochfrequenz-Wechselsignal beaufschlagt ist, das als Digitalsignal von einem digitalen elektronischen Bauelement (10) erzeugt ist, wobei zwischen dem digitalen elektronischen Bauelement (10) und dem Leistungsverstärker eine Spannungspegel-Anpassungsschaltung (T4, L2, R1) angeordnet ist, wobei der Sender (1) eine Detektorschaltung hat, welche anhand eines bestimmten Oberwellen-Verhaltens das Vorhandensein eines gültigen Empfängers (4), der mit einem nichtlinearen Bauteil zur Erzeugung eines bestimmten Oberwellen-Verhaltens versehen ist, erkennt.Transmitter (1) of a system for wireless energy transmission from at least one transmitter (1) to at least one receiver (4) for supplying electrical energy to an electrically operated device (7) connected to the receiver (4), the transmitter (1) having a transmission coil ( 3) for radiating energy and the receiver (4) has a receiving coil (5) for absorbing energy, the transmitter (1) having a transmitter circuit (2) for generating a high-frequency output signal which is fed into the transmitting coil (3), and the transmitting coil ( 3) in the form of conductor loops (21), characterized in that the transmitter circuit (2) has a power amplifier to which a high-frequency alternating signal is applied on the input side, which is generated as a digital signal by a digital electronic component (10), wherein a voltage level adjustment circuit (T4, L2, R1) is arranged between the digital electronic component (10) and the power amplifier, wherein the transmitter (1) has a detector circuit which uses a specific harmonic behavior to detect the presence of a valid receiver (4) which is provided with a non-linear component for generating a specific harmonic behavior.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sender eines Systems mit wenigstens einem Sender und einem Empfänger zur drahtlosen Energieübertragung von dem Sender zu dem Empfänger zur elektrischen Energieversorgung eines mit dem Empfänger verbundenen elektrisch betriebenen Geräts gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Empfänger für ein solches System gemäß dem Anspruch 7.The invention relates to a transmitter of a system with at least one transmitter and a receiver for wireless energy transmission from the transmitter to the receiver for supplying electrical energy to an electrically operated device connected to the receiver according to claim 1. The invention also relates to a receiver for such a system the claim 7.

Eine drahtlose Energieübertragung ist in bestimmten Bereichen der Technik bereits bekannt, z. B. im Bereich der Transpondertechnologie. Allerdings werden dort nur relativ geringe elektrische Leistungen übertragen. Bei der vorliegenden Anmeldung geht es im Gegensatz dazu darum, ein elektrisch betriebenes Gerät drahtlos mit Energie zu versorgen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das elektrisch betriebene Gerät vollständig drahtlos mit Energie versorgt wird, die für den laufenden Betrieb des Geräts benötigt wird, so dass kein Akkumulator in dem elektrisch betriebenen Gerät erforderlich ist. Es kann auch vorgesehen sein, mittels der drahtlosen Energieübertragung einen in dem elektrisch betriebenen Gerät vorgesehenen Akkumulator aufzuladen. Hierbei soll eine elektrische Energieübertragung mit einer Leistung von wenigstens einem Watt möglich sein, wobei Entfernungen von mehreren Zentimetern überbrückbar sein sollen.Wireless energy transmission is already known in certain areas of technology, e.g. B. in the field of transponder technology. However, only relatively low electrical power is transmitted there. In contrast, the present application is about wirelessly supplying an electrically operated device with energy. Provision can be made here for the electrically operated device to be supplied with energy, which is required for ongoing operation of the device, completely wirelessly, so that no accumulator is required in the electrically operated device. Provision can also be made for charging an accumulator provided in the electrically operated device by means of wireless energy transmission. It should be possible to transfer electrical energy with a power of at least one watt, and it should be possible to bridge distances of several centimetres.

Aus der US 2010/0184371 A1 sind Sender für die drahtlose Energieübertragung bekannt. Aus der US 2011/0133570 A1 sind eine Einrichtung und ein Verfahren für die Implementierung eines differentiellen Treiberverstärkers und eine Spulenanordnung bekannt. Aus der US 2005/0063488 A1 ist ein induktiver Daten- und Energieübertragungslink bekannt, der für eine Integration geeignet ist. Aus der US 2004/0080364 A1 ist ein hocheffizienter modulierender Hochfrequenzverstärker bekannt. Aus der WO 2010/012035 A1 ist ein auf Harmonischen basierendes drahtloses Übertragungsgerät und ein entsprechendes Verfahren bekannt. Aus der DE 33 07 579 A1 ist eine Einrichtung zur kontaktlosen Abfrage eines zugehörigen Datenträgers bekannt.From the US 2010/0184371 A1 Transmitters for wireless energy transmission are known. From the U.S. 2011/0133570 A1 discloses an apparatus and method for implementing a differential driver amplifier and coil assembly. From the US 2005/0063488 A1 an inductive data and power transmission link suitable for integration is known. From the U.S. 2004/0080364 A1 a high-efficiency modulating high-frequency amplifier is known. From the WO 2010/012035 A1 a wireless transmission device based on harmonics and a corresponding method are known. From the DE 33 07 579 A1 a device for contactless interrogation of an associated data carrier is known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein kostengünstig realisierbares System für eine solche drahtlose Energieübertragung mit den genannten Anforderungen bereitzustellen. Insbesondere soll für das System ein Sender und ein Empfänger angegeben werden.The invention is based on the object of providing a system for such wireless energy transmission that can be implemented in a cost-effective manner and meets the stated requirements. In particular, a sender and a receiver should be specified for the system.

Es hat sich gezeigt, dass eine drahtlose Energieübertragung mit den zuvor genannten Anforderungen nicht ohne weiteres realisierbar ist und bisher zumindest einen relativ hohen Hardwareaufwand erfordert hat. Dieser Aufwand wird durch die Erfindung deutlich verringert.It has been shown that wireless power transmission with the aforementioned requirements cannot be easily implemented and has hitherto at least required a relatively high level of hardware complexity. This effort is significantly reduced by the invention.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen Sender gemäß Anspruch 1 und einen Empfänger gemäß Anspruch 7.The stated object is achieved by a transmitter according to claim 1 and a receiver according to claim 7.

Ein System mit wenigstens einem Sender und einem Empfänger eignet sich zur drahtlosen Energieübertragung von dem Sender zu dem Empfänger zur elektrischen Energieversorgung eines mit dem Empfänger verbundenen elektrisch betriebenen Geräts, wobei der Sender eine Sendespule zur Energieabstrahlung und der Empfänger eine Empfangsspule zur Energieaufnahme aufweist, Dabei hat der Sender eine Senderschaltung zur Erzeugung eines Hochfrequenzausgangssignals, das in die Sendespule eingespeist ist, und die Sendespule ist in Form von Leiterschleifen ausgebildet.A system with at least one transmitter and one receiver is suitable for wireless energy transmission from the transmitter to the receiver for supplying electrical energy to an electrically operated device connected to the receiver, with the transmitter having a transmission coil for radiating energy and the receiver having a receiving coil for absorbing energy the transmitter comprises a transmitter circuit for generating a high-frequency output signal which is fed into the transmitter coil, and the transmitter coil is in the form of conductor loops.

Der Empfänger hat eine Empfängerschaltung zur Abgabe der von der Empfangsspule aufgenommenen elektrischen Energie an das elektrisch betriebene Gerät, wobei die Empfangsspule in Form von Leiterschleifen ausgebildet ist.The receiver has a receiver circuit for delivering the electrical energy picked up by the receiver coil to the electrically operated device, with the receiver coil being designed in the form of conductor loops.

Ein solches System lässt sich besonders kostengünstig und mit einem kompakten Aufbau sowohl des Senders als auch des Empfängers realisieren. Die Sendespule bzw. die Empfangsspule kann z. B. in Form gewickelter Drahtschleifen ohne Trägermaterial realisiert sein.Such a system can be implemented particularly cost-effectively and with a compact structure for both the transmitter and the receiver. The transmitting coil and the receiving coil can, for. B. be realized in the form of wound wire loops without carrier material.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendespule in Form von Leiterschleifen auf einem Trägermaterial des Senders ausgebildet, bzw. die Empfangsspule in Form von Leiterschleifen auf einem Trägermaterial des Empfängers ausgebildet. Die Anordnung der Sendespule bzw. der Empfangsspule in Form von Leiterschleifen auf dem Trägermaterial begünstigt den kompakten Aufbau und die kostengünstige Realisierung, da keine gesonderten Bauteile für die Spule erforderlich sind. Vielmehr kann die jeweilige Spule direkt in Form von Leiterbahnen auf dem Trägermaterial realisiert werden. Eine relativ großflächige Ausgestaltung der jeweiligen Spule begünstigt die Möglichkeit, einfache und kostengünstige Trägermaterialien zu verwenden, wie z. B. elektrische Leiterplatten mit z. B. nur zwei Leiterbahnschichten. Hierdurch können teure mehrlagige Platinentechnologien vermieden werden. Zudem können auf der jeweiligen Leiterplatte auch wenigstens einige der elektronischen Bauteile der Senderschaltung bzw. der Empfängerschaltung angeordnet werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmission coil is designed in the form of conductor loops on a carrier material of the transmitter, and the receiving coil is designed in the form of conductor loops on a carrier material of the receiver. The arrangement of the transmission coil and the reception coil in the form of conductor loops on the carrier material favors the compact structure and the cost-effective implementation, since no separate components are required for the coil. Rather, the respective coil can be implemented directly in the form of conductor tracks on the carrier material. A relatively large-area design of the respective coil favors the possibility of using simple and inexpensive carrier materials such. B. electrical circuit boards with z. B. only two trace layers. As a result, expensive multi-layer circuit board technologies can be avoided. In addition, at least some of the electronic components of the transmitter circuit or the receiver circuit can also be arranged on the respective printed circuit board.

Als Trägermaterial für die Leiterschleifen kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht, z. B. konventionelle elektrische Leiterplatten (Platinen). Die Leiterschleifen können auch als auf ein beliebiges Trägermaterial aufgebrachte Leiterbahnen realisiert sein, z. B. auf Holzwerkstoffe oder Kunststoffe. Es können hierbei flächige, zweidimensionale Leiterbahn-Strukturen oder dreidimensionale Leiterbahn-Strukturen realisiert werden, z. B. direkt in vorhandene Gehäusestrukturen eingebrachte Leiterbahnen.Various options can be considered as the carrier material for the conductor loops, e.g. B. conventional electrical circuit boards (boards). The conductor loops can also be customized as desired ges carrier material applied conductors can be realized, z. B. on wooden materials or plastics. In this case, flat, two-dimensional conductor structures or three-dimensional conductor structures can be realized, e.g. B. conductor tracks introduced directly into existing housing structures.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Senderschaltung zur Erzeugung eines Hochfrequenzausgangssignals mit einer Frequenz von wenigstens 500 kHz eingerichtet, insbesondere wenigstens 1 MHz. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Empfängerschaltung zur Erzeugung eines Hochfrequenzeingangssignals mit einer Frequenz von wenigstens 500 kHz eingerichtet, insbesondere wenigstens 1 MHz. Der kompakte und kostengünstige Aufbau des Senders und des Empfängers wird weiter begünstigt durch eine Energieübertragung in einem Frequenzbereich von 0,5 MHz bzw. 1 MHz bis hin zu etwa 30 MHz. Vorteilhaft ist insbesondere ein Frequenzbereich von 6 bis 13,56 MHz oder ein Frequenzbereich bei 3 MHz. Die Energieübertragung in den genannten Frequenzbereichen hat den Vorteil, dass für die senderseitige Schaltung und die empfängerseitige Schaltung relativ kostengünstige handelsübliche Bauteile in geringer Anzahl verwendet werden können, die in diesen Frequenzbereichen betreibbar sind. Gegenüber niedrigeren Frequenzen haben die genannten Frequenzbereiche den Vorteil, dass höhere Leistungen bei gegebenem, relativ kompaktem Aufbau von Sender und/oder Empfänger realisierbar sind. Mit dem erfindungsgemäßen System ist eine Energieübertragung in einem Leistungsbereich von mehr als 1 Watt realisierbar. Auch kann ohne weiteres eine Leistung von mehr als 5 Watt übertragen werden, z. B. im Bereich von 50 Watt.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmitter circuit is set up to generate a high-frequency output signal with a frequency of at least 500 kHz, in particular at least 1 MHz. According to an advantageous embodiment of the invention, the receiver circuit is set up to generate a high-frequency input signal with a frequency of at least 500 kHz, in particular at least 1 MHz. The compact and inexpensive design of the transmitter and receiver is further enhanced by energy transmission in a frequency range from 0.5 MHz or 1 MHz up to around 30 MHz. A frequency range from 6 to 13.56 MHz or a frequency range at 3 MHz is particularly advantageous. The energy transmission in the mentioned frequency ranges has the advantage that for the transmitter-side circuit and the receiver-side circuit relatively inexpensive commercial components can be used in small numbers, which can be operated in these frequency ranges. Compared to lower frequencies, the frequency ranges mentioned have the advantage that higher powers can be achieved with a given, relatively compact design of the transmitter and/or receiver. With the system according to the invention, energy can be transmitted in a power range of more than 1 watt. A power of more than 5 watts can also be transmitted without further ado, e.g. B. in the range of 50 watts.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können einige oder alle elektronischen Bauteile der Senderschaltung in dem von den Leiterschleifen der Sendespule umgebenen Bereich auf dem Trägermaterial des Senders angeordnet und/oder einige oder alle elektronischen Bauteile der Empfängerschaltung in dem von den Leiterschleifen der Empfangsspule umgebenen Bereich auf dem Trägermaterial des Empfängers angeordnet sein. Ein solches System lässt sich besonders kostengünstig und mit einem kompakten Aufbau sowohl des Senders als auch des Empfängers realisieren. Durch die Möglichkeit der Anordnung wenigstens einiger elektronischer Bauteile in dem von der Sendespule bzw. der Empfangsspule umgebenen Bereich des Trägermaterials wird eine kompakte Anordnung bei zugleich großflächiger Ausbildung der Spule realisiert. Die Anordnung der Sendespule bzw. der Empfangsspule in Form von Leiterschleifen auf dem Trägermaterial begünstigt den kompakten Aufbau und die kostengünstige Realisierung, da keine gesonderten Bauteile für die Spule erforderlich sind. Vielmehr kann die jeweilige Spule direkt in Form von Leiterbahnen auf dem Trägermaterial, z.B. der elektrischen Leiterplatte, realisiert werden. Die relativ großflächige Ausgestaltung der jeweiligen Spule begünstigt die Möglichkeit, einfache und kostengünstige elektrische Leiterplatten mit z. B. nur zwei Leiterbahnschichten zu verwenden. Hierdurch können teure mehrlagige Platinentechnologien vermieden werden.According to an advantageous embodiment of the invention, some or all electronic components of the transmitter circuit can be arranged in the area surrounded by the conductor loops of the transmitter coil on the carrier material of the transmitter and/or some or all electronic components of the receiver circuit can be arranged in the area surrounded by the conductor loops of the receiver coil on the Support material of the recipient can be arranged. Such a system can be implemented particularly cost-effectively and with a compact structure for both the transmitter and the receiver. Due to the possibility of arranging at least some electronic components in the area of the carrier material surrounded by the transmitting coil or the receiving coil, a compact arrangement is realized with a large-area design of the coil at the same time. The arrangement of the transmission coil and the reception coil in the form of conductor loops on the carrier material favors the compact structure and the cost-effective implementation, since no separate components are required for the coil. Rather, the respective coil can be implemented directly in the form of conductor tracks on the carrier material, e.g. the electrical circuit board. The relatively large-area design of each coil favors the possibility of simple and inexpensive electrical circuit boards with z. B. to use only two conductor track layers. As a result, expensive multi-layer circuit board technologies can be avoided.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sendespule und/oder die Empfangsspule zwei bis sechs Windungen aufweisen. Vorteilhaft sind z. B. vier Windungen. Dies hat den Vorteil, dass die Sendespule bzw. die Empfangsspule gut auf einem handelsüblichen Trägermaterial, insbesondere einer zweilagigen Leiterplatte, angeordnet werden kann. Es verbleibt noch ein ausreichender Bestückungsplatz für die erforderlichen elektronischen Bauelemente. Teurere mehrlagige Leiterplattentechnologien können vermieden werden.In an advantageous embodiment, the transmission coil and/or the reception coil can have two to six turns. Are advantageous z. B. four turns. This has the advantage that the transmission coil and the reception coil can be easily arranged on a commercially available carrier material, in particular a two-layer printed circuit board. Sufficient assembly space remains for the required electronic components. More expensive multi-layer circuit board technologies can be avoided.

Das System kann auch mehrere Sender aufweisen, oder Sender mit jeweils mehreren Sendespulen. Das System kann auch mehrere Empfänger aufweisen, oder Empfänger mit jeweils mehreren Empfangsspulen.The system can also have a number of transmitters, or transmitters each with a number of transmission coils. The system can also have multiple receivers, or receivers each with multiple receiving coils.

Die nachfolgend genannten Ausgestaltungen des Senders und des Empfängers gelten ebenfalls für das zuvor beschriebene System.The configurations of the transmitter and receiver mentioned below also apply to the system described above.

Die Erfindung betrifft ferner einen Sender für ein System der zuvor beschriebenen Art.The invention also relates to a transmitter for a system of the type described above.

Die Erfindung betrifft ferner einen Sender, ggf. als vorteilhafte Ausgestaltung des zuvor erläuterten Senders, mit einer Senderschaltung, die einen Leistungsverstärker aufweist, der als Klasse E-Verstärker oder Klasse E²-Verstärker ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass für die Endstufe nur ein schaltendes Bauelement, z. B. in Form eines Leistungstransistors, erforderlich ist. Dies begünstigt einen kostengünstigen Aufbau des Senders. Der relativ einfache Aufbau des Leistungsverstärkers hat den weiteren Vorteil, dass bei der Erzeugung des hochfrequenten, abzustrahlenden Energiesignals nachteilige parasitäre Effekte durch weitere Bauteile, wie sie bei komplexeren Verstärkerschaltungen auftreten, entfallen. Die parasitären Effekte der wenigen erforderlichen Bauteile können sogar vorteilhaft genutzt werden. Die Verstärkerschaltung kann bei der vorliegenden Erfindung daher besonders zuverlässig und robust gegenüber parasitären Effekten ausgeführt werden. Der Leistungsverstärker kann auch als Klasse E²-Verstärker ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Empfängerschaltung besonders einfach aufgebaut werden kann. So ist z. B. nur eine Diode im Empfänger erforderlich. Obwohl Klasse E-Verstärker und Klasse E²-Verstärker in der Literatur beschrieben sind, bezieht sich deren Verwendung bisher nur auf den Kleinsignalbereich, z. B. für HiFi-Anwendungen. Für die hier vorgeschlagene drahtlose Energieübertragung wird der Leistungsverstärker jedoch im Großsignalbereich betrieben, d. h. mit einer derartigen Amplitude angesteuert, dass sich andere Randbedingungen hinsichtlich des Zeitverhaltens der verwendeten Schaltelemente ergeben als im üblicherweise betrachteten Kleinsignalbereich. Es hat sich gezeigt, dass eine drahtlose Energieübertragung bei Ansteuerung eines Leistungshalbleiters des Leistungsverstärkers mit gutem Wirkungsgrad und geringen Verlusten möglich ist, wenn der Leistungsverstärker als Klasse E-Verstärker oder Klasse E²-Verstärker ausgebildet ist.The invention also relates to a transmitter, possibly as an advantageous embodiment of the transmitter explained above, with a transmitter circuit that has a power amplifier that is designed as a class E amplifier or class E ² amplifier. This has the advantage that only one switching component, e.g. B. in the form of a power transistor is required. This favors a cost-effective construction of the transmitter. The relatively simple structure of the power amplifier has the additional advantage that, when generating the high-frequency energy signal to be radiated, there are no disadvantageous parasitic effects caused by other components, as they occur in more complex amplifier circuits. The parasitic effects of the few required components can even be used to advantage. In the case of the present invention, the amplifier circuit can therefore be designed to be particularly reliable and robust with respect to parasitic effects. The power amplifier can also be in the form of a class E ² amplifier. This has the advantage that the receiver circuit can be constructed in a particularly simple manner. So e.g. B. only one diode is required in the receiver. Even though Class E amplifiers and class E ² amplifiers are described in the literature, so far their use has only referred to the small-signal range, e.g. B. for hi-fi applications. However, for the wireless energy transmission proposed here, the power amplifier is operated in the large-signal range, ie driven with such an amplitude that different boundary conditions arise with regard to the time behavior of the switching elements used than in the small-signal range usually considered. It has been shown that wireless power transmission is possible when driving a power semiconductor of the power amplifier with good efficiency and low losses if the power amplifier is designed as a class E amplifier or class E ² amplifier.

Gemäß der Erfindung weist die Senderschaltung einen Leistungsverstärker auf, der z.B. als Endstufe einen Leistungstransistor aufweist. Der Leistungstransistor kann z. B. als Feldeffekttransistor ausgebildet sein.According to the invention, the transmitter circuit has a power amplifier which, for example, has a power transistor as the output stage. The power transistor can, for. B. be formed as a field effect transistor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Leistungstransistor als Treiberschaltung eine Bipolartransistorstufe in Gegentaktschaltung vorgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Leistungstransistor auch bei hohen Frequenzen verzögerungsarm zu treiben ist und Umladevorgänge in dem Leistungstransistor ausreichend schnell erfolgen können. Der Leistungstransistor kann z. B. als Feldeffekttransistor ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, a bipolar transistor stage in a push-pull circuit is connected upstream of the power transistor as the driver circuit. This has the advantage that the power transistor can be driven with little delay even at high frequencies and charge-reversal processes in the power transistor can take place sufficiently quickly. The power transistor can, for. B. be formed as a field effect transistor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Reihe zum Leistungstransistor eine Induktivität geschaltet, wobei die Sendespule mit einem ihrer Anschlüsse, ggf. unter Zwischenschaltung von einem oder mehreren Bauteilen, mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Leistungstransistor und der Induktivität verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die Flankensteilheit des von dem Leistungsverstärker an die Sendespule abgegebenen Signals auch in der Phase nach dem Abschalten des Leistungstransistors relativ hoch ist. Die Induktivität bewirkt hierbei eine Beschleunigung der Spannungsänderung beim Abschalten des Leistungstransistors. Die Induktivität ist dabei in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit einem der zum Betrieb des Leistungsverstärkers verwendeten Spannungspotentiale verbunden, z. B. mit der Versorgungsspannung oder der Masse.According to an advantageous embodiment of the invention, an inductance is connected in series with the power transistor, with the transmission coil being connected to one of its terminals, optionally with the interposition of one or more components, to the connection point between the power transistor and the inductance. This has the advantage that the edge steepness of the signal emitted by the power amplifier to the transmission coil is also relatively high in the phase after the power transistor has been switched off. In this case, the inductance causes the voltage change to accelerate when the power transistor is switched off. In an advantageous embodiment of the invention, the inductance is connected to one of the voltage potentials used to operate the power amplifier, e.g. B. with the supply voltage or the ground.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sendespule zwei Anschlüsse auf, wobei der erste Anschluss über einen ersten Kondensator mit dem Leistungstransistor verbunden ist und ein zweiter Anschluss über einen zweiten Kondensator mit dem Leistungstransistor verbunden ist. Die Verbindung mit dem Leistungstransistor kann ggf. unter Zwischenschaltung von einem oder mehreren Bauteilen vorgesehen sein. Durch diese symmetrische Anbindung der Sendespule an den Leistungstransistor ergibt sich ein von parasitären Effekten sowie Gleichspannungsanteilen befreites Signal, das in die Sendespule eingespeist wird. Durch die symmetrische Ansteuerung der Sendespule werden Störungen vermieden. Hierdurch ist das von der Sendespule abgestrahlte elektromagnetische Feld besonders homogen.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmission coil has two connections, the first connection being connected to the power transistor via a first capacitor and a second connection being connected to the power transistor via a second capacitor. The connection to the power transistor can optionally be provided with the interposition of one or more components. This symmetrical connection of the transmission coil to the power transistor results in a signal that is fed into the transmission coil and is free of parasitic effects and DC voltage components. Disturbances are avoided by the symmetrical control of the transmission coil. As a result, the electromagnetic field emitted by the transmission coil is particularly homogeneous.

Durch die Sendespule sowie den zuvor genannten ersten und zweiten Kondensator kann zugleich das Lastnetzwerk für den Klasse-E-Verstärker gebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauteile für die Bildung des Lastnetzwerks erforderlich sind. Hierdurch kann der Schaltungsaufbau der Senderschaltung einfach gehalten werden, was Vorteile hinsichtlich der Kosten für die zu verwendenden Komponenten als auch hinsichtlich der Baugröße hat.At the same time, the load network for the class E amplifier can be formed by the transmission coil and the aforementioned first and second capacitors. This has the advantage that no additional components are required to form the load network. As a result, the circuit structure of the transmitter circuit can be kept simple, which has advantages in terms of the costs for the components to be used and in terms of size.

Gemäß der Erfindung ist der Leistungsverstärker eingangsseitig mit einem Hochfrequenz-Wechselsignal beaufschlagt, das als Digitalsignal von einem digitalen elektronischen Bauelement erzeugt ist, wobei zwischen dem digitalen elektronischen Bauelement und dem Leistungsverstärker eine Spannungspegel-Anpassungsschaltung angeordnet ist. Die Beaufschlagung mit einem Hochfrequenz-Wechselsignal in Form eines Digitalsignals hat den Vorteil, dass das Signal auf einfache Weise in einer digitalen elektronischen Schaltung erzeugt werden kann, z. B. von einem entsprechend programmierten Mikroprozessor. Aufwendig abzustimmende Analogschaltungen können damit vermieden werden. Zudem wird durch das Digitalsignal ein maximaler Signalhub ausgenutzt, was eine drahtlose Energieübertragung mit hoher Leistung begünstigt. Die Spannungspegel-Anpassungsschaltung hat den Vorteil, dass im Bereich der Endstufe des Leistungsverstärkers mit höheren Spannungspotentialen gearbeitet werden kann als im Bereich der Erzeugung des Digitalsignals. Hierdurch kann je nach Bedarf eine entsprechend hohe Sendeleistung erzeugt werden.According to the invention, the power amplifier has a high-frequency alternating signal applied to it on the input side, which is generated as a digital signal by a digital electronic component, with a voltage level adjustment circuit being arranged between the digital electronic component and the power amplifier. The application of a high-frequency alternating signal in the form of a digital signal has the advantage that the signal can easily be generated in a digital electronic circuit, e.g. B. by an appropriately programmed microprocessor. Analog circuits that are difficult to coordinate can thus be avoided. In addition, the digital signal uses a maximum signal swing, which promotes wireless energy transmission with high performance. The voltage level adjustment circuit has the advantage that higher voltage potentials can be used in the area of the output stage of the power amplifier than in the area where the digital signal is generated. As a result, a correspondingly high transmission power can be generated as required.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendespule mit einer Detektorschaltung verbunden, die eingerichtet ist zur Auskopplung eines von dem Empfänger als Rückwirkung erzeugten, in die Sendespule eingekoppelten Signals. Die Detektorschaltung ist mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die zur Auswertung des durch die Auskopplung gewonnen Signals eingerichtet ist. Dies erlaubt eine zuverlässige Erkennung, ob ein Empfänger sich im Sendebereich der Sendespule befindet, z. B. durch Ausnutzung einer Mit- oder Gegenkopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule. Die Sendespule und die Empfangsspule bilden dabei eine Art Transformator, so dass von der Empfangsspule wiederum Signale in die Sendespule rückgekoppelt werden. Diese können vorteilhaft zur Erkennung benutzt werden, ob ein Empfänger im Sendebereich der Sendespule ist, und ggf. zur Identifikation eines gültigen Empfängers. Die Detektorschaltung kann z.B. einen Bandpassfilter zur Herausfilterung einer bestimmten Oberwellenfrequenz aufweisen.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmission coil is connected to a detector circuit, which is set up for decoupling a signal generated by the receiver as a reaction and coupled into the transmission coil. The detector circuit is connected to an evaluation device which is set up to evaluate the signal obtained by the decoupling. This allows reliable detection of whether a receiver is in the transmission range of the transmission coil, e.g. B. by utilizing positive or negative feedback between the transmitting coil and the receiving coil. The transmitting coil and the receiving coil form a kind of transformer, see above that in turn signals from the receiving coil are fed back into the transmitting coil. These can advantageously be used to detect whether a receiver is in the transmission range of the transmitter coil and, if necessary, to identify a valid receiver. The detector circuit can, for example, have a bandpass filter for filtering out a certain harmonic frequency.

Der Sender kann dazu eingerichtet sein, nicht permanent drahtlos Energie abzustrahlen, sondern nur in den gewünschten Fällen, nämlich wenn sich ein gültiger Empfänger in einem Abstand zur Sendespule befindet, dass eine drahtlose Energieübertragung durchführbar ist. Wenn sich kein gültiger Empfänger dort befindet, kann die Sendespule ganz abgeschaltet werden oder nur geringfügig beaufschlagt werden, z. B. mit einer Art Testsignal. Dies hat den Vorteil, dass nicht permanent und ohne Bedarf Energie in die Umgebung abgestrahlt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass nur als gültige Empfänger erkannte Geräte mit drahtlos mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass z. B. eine unbeabsichtigte Beaufschlagung von hierfür nicht eingerichteten elektrischen Geräten vermieden wird. Hierdurch kann insbesondere einer Beschädigung von Geräten vorgebeugt werden, die nicht zur drahtlosen Energieübertragung eingerichtet sind.The transmitter can be set up not to emit wireless energy permanently, but only in the desired cases, namely when a valid receiver is at a distance from the transmitter coil that wireless energy transmission can be carried out. If there is no valid receiver there, the transmitter coil can be switched off completely or only slightly loaded, e.g. B. with a kind of test signal. This has the advantage that energy is not permanently emitted into the environment without being required. Another advantage is that only devices recognized as valid recipients are supplied with electrical energy wirelessly, so that e.g. B. an unintentional application of electrical devices not set up for this purpose is avoided. This can in particular prevent damage to devices that are not set up for wireless energy transmission.

Eine Erkennung eines gültigen, mit elektrischer Energie drahtlos zu versorgenden Empfängers kann z. B. nach einem der folgenden Verfahren erfolgen.A detection of a valid receiver to be supplied wirelessly with electrical energy can, for. B. be done by one of the following methods.

Im Empfänger kann eine Lastmodulation durchgeführt werden, z. B. durch definiertes Ein- und Ausschalten einer Last, z. B. eines Widerstands. Dies kann im Sender daran erkannt werden, dass die Sendespule bei gleich bleibender Beaufschlagung durch den Leistungsverstärker einen höheren Strom aufnimmt. Es kann z. B. vorgesehen sein, dass im Empfänger die Lastmodulation nach einem bestimmten zeitlichen Schema oder nach einem Code erfolgt. Der Sender überwacht, ob die Lastmodulation nach dem Schema oder dem Code erfolgt und erkennt daran, ob sich ein gültiger Empfänger im Sendebereich der Sendespule befindet oder nicht. In Abhängigkeit hiervon kann der Sender die Abstrahlung der Energie beenden bzw. bei einer noch nicht mit voller Leistung durchgeführten Energieabstrahlung keine Umschaltung auf eine höhere Leistung durchführen. Zur Differenzierung zwischen verschiedenen Empfängern bzw. verschiedenen jeweils mit einem Empfänger verbundenen elektrischen Geräten kann die Lastmodulation z.B. mit einem jeweils charakteristischen, von Gerät zu Gerät unterschiedlichen Modulationshub, einer unterschiedlichen Modulationsfrequenz oder einer unterschiedlichen Bitfrequenz durchgeführt werden.Load modulation can be carried out in the receiver, e.g. B. by switching a load on and off in a defined manner, e.g. B. a resistor. This can be recognized in the transmitter by the fact that the transmitter coil draws a higher current when the power amplifier acts on it the same way. It can e.g. B. be provided that the load modulation takes place in the receiver according to a specific time pattern or a code. The transmitter monitors whether the load modulation is carried out according to the scheme or the code and recognizes whether there is a valid receiver in the transmission range of the transmitter coil or not. Depending on this, the transmitter can end the emission of the energy or, if the energy has not yet been emitted at full power, cannot switch to a higher power. To differentiate between different receivers or different electrical devices each connected to a receiver, the load modulation can be carried out, for example, with a characteristic modulation deviation that differs from device to device, a different modulation frequency or a different bit frequency.

Eine Erkennung eines gültigen Empfängers wird erfindungsgemäß durch Vorsehen eines nicht linearen Bauteils im Empfänger realisiert, z. B. eine Diode oder ein Gleichrichter. Durch das nicht lineare Bauteil werden im Empfänger Oberwellen erzeugt, die wiederum Oberwellen in der Sendespule erzeugen oder verstärken. Diese werden durch eine geeignete Detektorschaltung im Sender erfasst, so dass anhand eines bestimmten Oberwellen-Verhaltens das Vorhandensein eines gültigen Empfängers erkannt wird. So kann z. B. die erste Harmonische der Oberwellen ausgewertet und zur Empfängererkennung verwendet werden.According to the invention, a valid receiver is recognized by providing a non-linear component in the receiver, e.g. B. a diode or a rectifier. The non-linear component generates harmonics in the receiver, which in turn generate or amplify harmonics in the transmitter coil. These are detected by a suitable detector circuit in the transmitter, so that the presence of a valid receiver is recognized based on a specific harmonic behavior. So e.g. B. the first harmonic of the harmonics can be evaluated and used for receiver detection.

Wie bereits erwähnt, kann der Sender dazu eingerichtet sein, nicht permanent drahtlos elektrische Energie abzustrahlen, bzw. die Energieabstrahlung nicht immer mit voller Leistung durchzuführen. Vielmehr kann eine Energieabstrahlung mit der für eine Versorgung des Empfängers bzw. des damit verbundenen elektrisch betriebenen Geräts erst nach Erkennung eines gültigen Empfängers begonnen werden. Hierfür kann vorgesehen sein, dass die Sendespule in einem Erkennungsmodus zunächst nur kurz von dem Leistungsverstärker mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt wird, und zwar nach Art von Testpulsen. Die Beaufschlagungszeit kann z. B. bei 20 Mikrosekunden liegen. In dem Sender wird ausgewertet, ob durch einen anwesenden Empfänger eine entsprechende Rückkopplung erfolgt ist, z. B. ob im Empfänger eine gezielte Lastmodulation durchgeführt wurde oder ob der Empfänger bestimmte Oberwellen erzeugt oder verstärkt hat. Die Testpulse haben den Vorteil, dass die Sendespule bei entsprechend kurzer Dauer der Testpulse noch nicht ihre maximale Abstrahlungsleistung erreicht, sondern sich noch in einem aufsteigenden Zweig der zeitlichen Kennlinie befindet, so dass mit einer relativ geringen Abstrahlung der Erkennungsmodus durchgeführt werden kann.As already mentioned, the transmitter can be set up not to permanently emit electrical energy in a wireless manner, or not always to emit energy at full power. Rather, an energy emission with the power supply for the receiver or the electrically operated device connected to it can only be started after a valid receiver has been identified. For this purpose, it can be provided that in a detection mode, the transmission coil is initially only briefly subjected to an AC voltage signal by the power amplifier, specifically in the manner of test pulses. The application time can, for. B. be at 20 microseconds. In the transmitter it is evaluated whether a corresponding feedback has taken place through a present receiver, e.g. B. whether a targeted load modulation was carried out in the receiver or whether the receiver generated or amplified certain harmonics. The test pulses have the advantage that the transmission coil has not yet reached its maximum emission power if the duration of the test pulses is correspondingly short, but is still in an ascending branch of the time characteristic, so that the detection mode can be carried out with a relatively low emission.

Der Erkennungsmodus kann auch derart realisiert werden, dass die Spannungsversorgung der Endstufe des Leistungsverstärkers des Senders auf einen geringeren Wert eingestellt wird als im Normalbetrieb, so dass die Sendespule eine geringere Leistung abstrahlt. Es können wiederum die zuvor genannten Erkennungsmodi zur Erkennung eines gültigen Empfängers durchgeführt werden.The detection mode can also be implemented in such a way that the voltage supply of the output stage of the transmitter's power amplifier is set to a lower value than in normal operation, so that the transmitter coil emits less power. Again, the previously mentioned detection modes can be used to detect a valid recipient.

Die beiden zuvor genannten Erkennungsmodi, nämlich die Testpulse und die verringerte Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers, können auch kombiniert miteinander realisiert werden.The two detection modes mentioned above, namely the test pulses and the reduced supply voltage of the power amplifier, can also be implemented in combination with one another.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sender dazu eingerichtet, zwischen unterschiedlichen Arten bzw. Größen von mit dem Empfänger verbundenen elektrisch betriebenen Geräten zu unterscheiden und in Abhängigkeit von einer detektierten Geräteart bzw. Gerätegröße die abgestrahlte Sendeleistung einzustellen. Hierzu kann der Sender einen Rechner, z.B. einen Mikroprozessor, aufweisen, der durch entsprechende Programmierung diese Detektion ausführt. Die Detektion der Geräteart bzw. der Gerätegröße kann z.B. durch die mittels der Detektorschaltung im Sender gewonnenen Signale bzw. die zuvor genannten Erkennungsmodi durchgeführt werden. Als unterschiedliche Gerätearten können z.B. elektrische Kleingeräte mit geringem Leistungsbedarf, wie z.B. Mobiltelefone und Smartphones, und größere elektrische Geräte mit höherem Leistungsbedarf, wie z.B. Laptops, voneinander unterschieden werden. Es kann auch eine Unterscheidung nach Gerätegröße vorgesehen sein, wobei hierbei die geometrische Gerätegröße im Hinblick auf die Standfläche des Gerätes verstanden wird. So ist bei einem Gerät mit kleiner Standfläche davon auszugehen, dass dieses eine Sendespule nicht vollständig überdeckt, wenn es z.B. auf einer Tischfläche abgestellt wird, ein Gerät mit größerer Standfläche aber eine Sendespule zumindest weitgehend vollständig abdeckt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sender dazu eingerichtet, bei Detektion eines Geräts mit geringem Leistungsbedarf bzw. geringerer Gerätegröße Energie in einer ersten Leistungsstufe abzustrahlen und bei Detektion eines Gerätes mit höherem Leistungsbedarf bzw. mit höherer geometrischer Größe Energie mit einer zweiten Leistungsstufe, die größer ist als die erste Leistungsstufe, abzustrahlen. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Energieversorgung je nach Gerätegröße bzw. Leistungsbedarf angepasst erfolgen kann und nicht unnötig Energie verbraucht und in die Umgebung abgestrahlt wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmitter is set up to distinguish between different types or sizes of connected to the receiver electrically operated devices and depending on set the emitted transmission power for a detected device type or device size. For this purpose, the transmitter can have a computer, for example a microprocessor, which carries out this detection through appropriate programming. The type of device or the size of the device can be detected, for example, by the signals obtained by means of the detector circuit in the transmitter or by the previously mentioned detection modes. Small electrical devices with a low power requirement, such as mobile phones and smartphones, for example, and larger electrical devices with a higher power requirement, such as laptops, can be distinguished from one another as different types of devices. A distinction according to device size can also be provided, in which case the geometric device size is understood with regard to the footprint of the device. It can be assumed that a device with a small footprint will not completely cover a transmitter coil if it is placed on a table, for example, but a device with a larger footprint will at least largely completely cover a transmitter coil. According to an advantageous embodiment of the invention, the transmitter is set up to emit energy in a first power level when a device with a low power requirement or a smaller device size is detected, and to emit energy with a second power level when a device with a higher power requirement or a larger geometric size is detected is greater than the first power level to radiate. This has the advantage that the electrical energy supply can be adjusted depending on the size of the device or power requirement and energy is not consumed unnecessarily and radiated into the environment.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sender oder eine damit verbundene Steuereinrichtung dazu eingerichtet, dass Vorhandensein eines Empfängers im Sendebereich der Sendespule zu erkennen und erst nach Erkennung eines gültigen Empfängers die Sendespule mit einer Sendeleistung zu beaufschlagen, die zur elektrischen Energieversorgung des Empfängers geeignet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmitter or a control device connected to it is set up to detect the presence of a receiver in the transmission range of the transmission coil and only after detection of a valid receiver to apply a transmission power to the transmission coil that is suitable for supplying electrical energy to the receiver .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sender dazu eingerichtet, zur Erkennung eines gültigen Empfängers Oberwellen in dem durch die Sendespule fließenden elektrischen Strom und/oder der an der Sendespule anliegenden elektrischen Spannung zu detektieren und bei Erkennung eines vorbestimmten Oberwellengehalts einen gültigen Empfänger zu detektieren.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmitter is set up to detect harmonics in the electrical current flowing through the transmitting coil and/or the electrical voltage present at the transmitting coil in order to identify a valid receiver and to detect a valid receiver when a predetermined harmonic content is detected.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beaufschlagt der Sender vor Erkennung eines gültigen Empfängers die Sendespule mit einem Testsignal, das keine ausreichende Leistung zur elektrischen Energieversorgung eines gültigen Empfängers bzw. eines damit verbundenen elektrisch betriebenen Geräts aufweist. Nach Erkennung eines gültigen Empfängers wird eine für die elektrische Energieversorgung des Empfängers bzw. des damit verbundenen elektrisch betriebenen Geräts ausreichende Leistung von der Sendespule abgestrahlt.According to an advantageous embodiment of the invention, before a valid receiver is recognized, the transmitter applies a test signal to the transmission coil that does not have sufficient power to supply electrical energy to a valid receiver or an electrically operated device connected to it. After a valid receiver has been detected, a power sufficient for the electrical energy supply of the receiver or the electrically operated device connected to it is radiated from the transmitter coil.

Die Erfindung betrifft ferner einen Empfänger für ein System der eingangs beschriebenen Art.The invention also relates to a receiver for a system of the type described in the opening paragraph.

Die Erfindung betrifft ferner einen Empfänger, ggf. als vorteilhafte Ausgestaltung des zuvor erläuterten Empfängers, mit einer Empfängerschaltung, die eine Gleichrichterschaltung aufweist, die nur zwei Dioden aufweist. Hierdurch ist die Gleichrichterschaltung besonders einfach und kostengünstig zu realisieren. Dadurch, dass nicht vier Dioden in Vollbrückenschaltung wie bei konventionellen Gleichrichtern vorgesehen werden, können nachteilige parasitäre Effekte, die bei den für die Energieübertragung vorgesehenen relativ hohen Frequenzen auftreten können, vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Gegensatz zu anderen Lösungen, z. B. mit einer Mittelpunktanzapfung, bei der hier vorgeschlagenen Gleichrichterschaltung die gesamte Empfangsspule bei jeder Halbwelle von einem Strom durchflossen wird. Hierdurch können gleichmäßigere Ausgangssignale von der Empfängerschaltung abgegeben werden und Störungen minimiert werden.The invention also relates to a receiver, possibly as an advantageous embodiment of the receiver explained above, with a receiver circuit that has a rectifier circuit that has only two diodes. As a result, the rectifier circuit can be implemented in a particularly simple and cost-effective manner. Because four diodes are not provided in a full-bridge circuit, as is the case with conventional rectifiers, disadvantageous parasitic effects that can occur at the relatively high frequencies provided for energy transmission can be avoided. Another advantage is that in contrast to other solutions, e.g. B. with a center tap, in the rectifier circuit proposed here, the entire receiving coil is traversed by a current at each half-wave. As a result, more even output signals can be emitted from the receiver circuit and interference can be minimized.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Empfangsspule eine Glättungsschaltung nachgeschaltet, die zur Glättung des Energieversorgungssignals eingerichtet ist, wobei die Glättungsschaltung nur zwei Kondensatoren aufweist. Dies begünstigt den einfachen und kostengünstigen Aufbau des Empfängers weiter. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die zwei Dioden in Form einer Halbbrücke mit einem Anschluss der Empfangsspule verbunden sind und die zwei Kondensatoren ebenfalls in Form einer Halbbrücke mit dem anderen Anschluss der Empfangsspule verbunden sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Dioden der Gleichrichterschaltung und die Kondensatoren der Glättungsschaltung miteinander zu einer Brückenschaltung verschaltet. Hierdurch kann mit wenigen Bauteilen eine effiziente Gleichrichtung mit sehr geringer Restwelligkeit des Spannungssignals realisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch eine solche Schaltung zugleich eine Spannungsverdopplung der Ausgangsspannung im Vergleich zu anderen Gleichrichterschaltungen erzielt wird. Für die Spannungsverdopplung sind keine zusätzlichen Bauteile erforderlich. Somit kann mit äußerst geringem schaltungstechnischen Aufwand eine erhöhte Ausgangsspannung mit sehr geringer Restwelligkeit zur Verfügung gestellt werden. Die Brückenschaltung kann insbesondere als Delon-Schaltung ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, the receiving coil is followed by a smoothing circuit which is set up to smooth the energy supply signal, the smoothing circuit having only two capacitors. This further favors the simple and inexpensive construction of the receiver. In particular, it can be provided that the two diodes are connected to one terminal of the receiving coil in the form of a half bridge and the two capacitors are also connected to the other terminal of the receiving coil in the form of a half bridge. According to an advantageous embodiment of the invention, the diodes of the rectifier circuit and the capacitors of the smoothing circuit are interconnected to form a bridge circuit. As a result, efficient rectification with very little residual ripple in the voltage signal can be implemented with just a few components. A further advantage is that such a circuit doubles the output voltage compared to other rectifier circuits. No additional components are required for voltage doubling. This means that an increased output voltage with very little residual ripple can be made available with extremely little outlay in terms of circuitry be asked. The bridge circuit can be designed in particular as a Delon circuit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Empfänger eine Lastmodulationseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, nach einem vorgegebenen Schema die vom Empfänger aufgenommene elektrische Leistung zu modulieren. Dies erlaubt in dem Sender eine Erkennung eines gültigen Empfängers.According to an advantageous embodiment of the invention, the receiver has a load modulation device that is set up to modulate the electrical power consumed by the receiver according to a predetermined scheme. This allows a valid receiver to be recognized in the transmitter.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Dioden der Gleichrichterschaltung als Siliziumkarbiddioden ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine verlustarme drahtlose Energieübertragung und Gleichrichtung des empfangenen Signals auch bei höheren Frequenzen, zum Beispiel oberhalb von 1 MHz, realisiert werden kann. Insbesondere sind Siliziumkarbiddioden wegen ihrer im Vergleich zu anderen Diodentechnologien sehr geringen Rückwärtserholzeit vorteilhaft.According to an advantageous embodiment of the invention, the diodes of the rectifier circuit are designed as silicon carbide diodes. This has the advantage that low-loss, wireless energy transmission and rectification of the received signal can also be implemented at higher frequencies, for example above 1 MHz. In particular, silicon carbide diodes are advantageous because of their very low reverse recovery time compared to other diode technologies.

Gemäß der Erfindung weist der Empfänger ein mit der Empfangsspule verbundenes nicht lineares elektronisches Bauteil auf, das als Identifikationsmittel für einen gültigen Empfänger eingerichtet ist. In einer Ausgestaltung können die Dioden der Gleichrichterschaltung zugleich als das genannte nicht lineare elektronische Bauteil fungieren. Es kann auch ein zusätzliches nicht lineares Bauteil vorgesehen sein, wie zum Beispiel eine weitere Diode, ein Transistor oder ein Mikroprozessor.According to the invention, the receiver has a non-linear electronic component which is connected to the receiving coil and is set up as an identification means for a valid receiver. In one configuration, the diodes of the rectifier circuit can also function as the non-linear electronic component mentioned. An additional non-linear component can also be provided, such as another diode, a transistor or a microprocessor.

Das elektrisch betriebene Gerät, das mit dem Empfänger verbunden ist oder damit verbindbar ist, kann zum Beispiel ein tragbarer Computer, ein Mobiltelefon oder ein elektrisch betriebenes Werkzeug sein.The powered device connected or connectable to the receiver may be, for example, a portable computer, a cell phone, or a powered tool.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - ein System mit einem Sender und einem Empfänger und
2 - einen Empfänger mit einem daran angeschlossenen elektrisch betriebenen Gerät und
3 - einen Sender und
4 - eine elektrische Leiterplatte.

The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments using drawings. Show it:

1 - a system with a transmitter and a receiver and
2 - a receiver with an electrically operated device connected to it and
3 - a transmitter and
4 - an electrical circuit board.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, the same reference numbers are used for corresponding elements.

Die 1 zeigt einen Sender 1 und einen Empfänger 4. Der Empfänger 4 befindet sich in der Nähe des Senders 1, so dass drahtlos elektrische Energie von dem Sender 1 zu dem Empfänger 4 übertragen werden kann, wie durch die Pfeile angedeutet. Der Sender 1 weist eine Sendespule 3 auf, die an eine Senderschaltung 2 angeschlossen ist. Die Senderschaltung 2 erzeugt die zur Abstrahlung der drahtlos zu übertragenden Energie notwendigen hochfrequenten Beaufschlagungssignale für die Sendespule 3. Der Empfänger weist eine Empfangsspule 5, eine an die Empfangsspule 5 angeschlossene Empfängerschaltung 6 und eine damit verbundene Last 7 auf. Die Last 7 kann zum Beispiel ein elektrisch betriebenes Gerät der zuvor erläuterten Art sein, das über die Empfängerschaltung 6 mit der zum Betrieb des Gerätes erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird.the 1 shows a transmitter 1 and a receiver 4. The receiver 4 is located in the vicinity of the transmitter 1, so that electrical energy can be transmitted wirelessly from the transmitter 1 to the receiver 4, as indicated by the arrows. The transmitter 1 has a transmitter coil 3 which is connected to a transmitter circuit 2 . The transmitter circuit 2 generates the high-frequency application signals for the transmitter coil 3 that are necessary for radiating the energy to be transmitted wirelessly. The receiver has a receiver coil 5, a receiver circuit 6 connected to the receiver coil 5 and a load 7 connected thereto. The load 7 can be, for example, an electrically operated device of the type explained above, which is supplied with the electrical energy required for operating the device via the receiver circuit 6 .

Die 2 zeigt den Empfänger 4 mit weiteren Details. Erkennbar ist, dass die Empfangsspule 5 über eine Kapazität C_E mit einer Halbbrücke aus zwei Dioden D₁, D₂ verbunden ist. Mit der Kapazität C_E kann die Schaltung auf Resonanz abgestimmt werden. Die Kapazität C_E kann dabei als gesondertes Bauteil vorgesehen sein oder durch einen gegebenenfalls ausreichenden kapazitiven Anteil der Empfangsspule 5 gebildet sein. Über die Diode D₁ werden die positiven Halbwellen des von der Empfangsspule 5 abgegebenen Signals an das elektrisch betriebene Gerät 7 abgegeben. Über die Diode D₂ werden die negativen Halbwellen dieses Signals an das elektrisch betriebene Gerät 7 abgegeben. Somit ist die Empfangsspule 5 bei jeder Halbwelle von einem Strom durchflossen. Die Empfangsspule 5 ist mit ihrem zweiten Anschluss an eine Halbbrückenschaltung aus zwei Kondensatoren C₁, C₂ angeschlossen. Die Kondensatoren C₁, C₂ sind mit den Dioden D₁, D₂ zu einer Brückenschaltung verschaltet. Mittels der Kondensatoren C₁, C₂ wird das an das elektrisch betriebene Gerät 7 abgegebene Spannungssignal geglättet. Zugleich erfolgt eine Spannungsverdoppelung.the 2 shows the receiver 4 with further details. It can be seen that the receiving coil 5 is connected to a half-bridge made up of two diodes D ₁ , D ₂ via a capacitance C _E . The circuit can be tuned to resonance with the capacitance C _E . In this case, the capacitance C _E can be provided as a separate component or can be formed by an optionally sufficient capacitive component of the receiving coil 5 . The positive half-waves of the signal emitted by the receiving coil 5 are emitted to the electrically operated device 7 via the diode D ₁ . The negative half-waves of this signal are delivered to the electrically operated device 7 via the diode D ₂ . A current thus flows through the receiving coil 5 during each half-wave. The receiving coil 5 is connected with its second connection to a half-bridge circuit made up of two capacitors C ₁ , C ₂ . The capacitors C ₁ , C ₂ are connected to the diodes D ₁ , D ₂ to form a bridge circuit. The voltage signal delivered to the electrically operated device 7 is smoothed by means of the capacitors C ₁ , C ₂ . At the same time, the voltage doubles.

Die 2 zeigt als Teile des Empfängers 4 ferner eine Lastmodulationseinrichtung, die eine Lastimpedanz C_L und einen damit in Reihe geschalteten Schalter 9 zeigt. Der Schalter 9 ist über eine Steuereinrichtung 8 betätigbar. Der Schalter 9 kann zum Beispiel als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Bei geschlossenem Schalter 9 ist die Lastimpedanz C_L parallel zur Empfangsspule 5 geschaltet, so dass die Gesamtlast, die mit der Empfangsspule 5 verbunden ist, erhöht werden kann. Die Lastimpedanz kann auch als ohmsche Last ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 8 betätigt den Schalter 9 nach einem vorgegebenen zeitlichen Schema oder einem Code, sobald der Empfänger 4 eingeschaltet wird oder mit Spannung versorgt wird. Diese Lastmodulation kann im Sender 1 ausgewertet werden.the 2 FIG. 12 also shows, as parts of the receiver 4, a load modulator device which has a load impedance C _L and a switch 9 connected in series therewith. The switch 9 can be actuated via a control device 8 . The switch 9 can be designed as a semiconductor switch, for example. When the switch 9 is closed, the load impedance C _L is connected in parallel with the receiving coil 5, so that the total load connected to the receiving coil 5 can be increased. The load impedance can also be in the form of a resistive load. The control device 8 actuates the switch 9 according to a predetermined schedule or a code as soon as the receiver 4 is switched on or is supplied with voltage. This load modulation can be evaluated in transmitter 1.

Die 3 zeigt den Sender 1 mit weiteren Details. Der Sender 1 weist einen digitalen Signalerzeuger 10 auf, zum Beispiel einen entsprechend programmierten Mikroprozessor. Der digitale Signalerzeuger 10 gibt ein Digitalsignal, zum Beispiel ein Rechtecksignal, an einen Transistor T₄ ab. Der Transistor T₄ bildet zusammen mit einem zu dem Transistor T₄ in Reihe geschalteten Widerstand R₁ und einer Induktivität L₂ eine Spannungspegel-Anpassungsschaltung, durch die ein von dem digitalen Signalerzeuger abgegebener Spannungspegel des Digitalsignals, zum Beispiel 5 Volt, auf ein anderes Spannungsniveau gewandelt wird, in der Regel auf ein höheres Spannungsniveau. So kann zum Beispiel die Betriebsspannung U₁ des digitalen Signalerzeugers 10 fünf Volt betragen. Die Spannung U₂, an die die Spannungspegel-Anpassungsschaltung angeschlossen ist, kann zum Beispiel 12 Volt betragen. Die Spannungspegel-Anpassungsschaltung kann z. B. in Form eines N-Inverters realisiert werden. Hierbei kann die Induktivität L₂ eine Induktivität im Inverter sein. Die Induktivität L₂ kompensiert die Energie, die beim Querstrom verloren gehen würde. Durch die hohe Induktionsspannung wird der Schaltvorgang beschleunigt, d. h. die Flankensteilheit des Signals wird erhöht.the 3 shows the transmitter 1 with further details. The transmitter 1 has a digital signal generator 10, for example an appropriately programmed microprocessor. The digital signa Oil generator 10 outputs a digital signal, for example a square-wave signal, to a transistor T ₄ . The transistor T ₄ forms, together with a resistor R ₁ connected in series with the transistor T ₄ and an inductor L ₂ , a voltage level adjustment circuit through which a voltage level of the digital signal emitted by the digital signal generator, for example 5 volts, is adjusted to a different voltage level is converted, usually to a higher voltage level. For example, the operating voltage U ₁ of the digital signal generator 10 can be five volts. The voltage U ₂ to which the voltage level adjustment circuit is connected can be 12 volts, for example. The voltage level adjustment circuit can e.g. B. be realized in the form of an N-inverter. In this case, the inductance L ₂ can be an inductance in the inverter. The inductance L ₂ compensates for the energy that would be lost in the cross current. The switching process is accelerated by the high induction voltage, ie the edge steepness of the signal is increased.

Der Transistor T₄ ist über einen Koppelkondensator C₁₃, der zur Auskopplung von Gleichspannungsanteilen dient, mit einer aus zwei Bipolar-Transistoren T₂, T₂ gebildeten Treiberschaltung verbunden. Die Transistoren T₂, T₃ sind in Gegentaktschaltung miteinander verbunden. Die Transistoren T₂, T₃ werden mit der Spannung U₂ versorgt.The transistor T ₄ is connected to a driver circuit formed from two bipolar transistors T ₂ , T ₂ via a coupling capacitor C ₁₃ , which serves to decouple DC voltage components. The transistors T ₂ , T ₃ are connected to one another in a push-pull circuit. The transistors T ₂ , T ₃ are supplied with the voltage U ₂ .

Die Treiberschaltung ist mit einem Leistungstransistor T₁ verbunden, der zum Beispiel als Feldeffekttransistor ausgebildet sein kann. Der Leistungstransistor T₁ ist über eine in Reihe dazu geschaltete Induktivität L₁ mit einer Endstufenversorgungsspannung U₃ verbunden. Die Endstufenversorgungsspannung U₃ kann deutlich größer gewählt werden als die Spannungen U₁, U₂, zum Beispiel bei 48 Volt.The driver circuit is connected to a power transistor T ₁ , which can be in the form of a field effect transistor, for example. The power transistor T ₁ is connected to an output stage supply voltage U ₃ via an inductance L ₁ connected in series with it. The output stage supply voltage U ₃ can be chosen to be significantly higher than the voltages U ₁ , U ₂ , for example at 48 volts.

Die Sendespule 3 ist über einen ersten Kondensator C₁₁ mit dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität L₁ und dem Leistungstransistor T₁ verbunden. Über einen zweiten Kondensator C₁₂ ist die Sendespule 3 mit einem dritten Anschluss des Leistungstransistors T₁ verbunden, wobei diesbezüglich gemäß 3 zur Verbindung das Massepotential vorgesehen ist.The transmission coil 3 is connected to the connection point between the inductance L ₁ and the power transistor T ₁ via a first capacitor C ₁₁ . The transmission coil 3 is connected to a third terminal of the power transistor T ₁ via a second capacitor C ₁₂ , with reference to FIG 3 the ground potential is provided for the connection.

Ein Anschluss der Sendespule 3 ist mit einer Detektorschaltung 11 verbunden, über die von einem Empfänger 4 als Rückwirkung erzeugte Signale aus der Sendespule 3 ausgekoppelt und einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Hierdurch kann festgestellt werden, ob sich ein gültiger Empfänger 4 im Sendebereich der Sendespule 3 befindet.One connection of the transmission coil 3 is connected to a detector circuit 11, via which signals generated by a receiver 4 as feedback are decoupled from the transmission coil 3 and fed to an evaluation device (not shown). This makes it possible to determine whether there is a valid receiver 4 in the transmission range of the transmission coil 3 .

Die 4 zeigt beispielhaft für die elektrische Leiterplatte des Senders 1 und die elektrische Leiterplatte des Empfängers 4 eine elektrische Leiterplatte 20, auf der elektronische Bauteile 22, 23, 24, 25, 26 angeordnet sind. Die diese elektronischen Bauteile 22, 23, 24, 25, 26 gegebenenfalls untereinander verbindenden elektrischen Leiterbahnen auf der elektrischen Leiterplatte 20 sind der besseren Übersicht halber nicht dargestellt. Die 4 zeigt eine Spule 21 mit zwei Windungen, die in Form von Leiterschleifen auf der Leiterplatte 20 vorgesehen sind. Die Leiterschleifen sind direkt in Form von Leiterbahnen der Leiterplatte 20 ausgebildet. Wie erkennbar ist, befinden sich einige der elektronischen Bauteile in dem von der Spule 21 umgebenen Bereich der elektrischen Leiterplatte 20. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich sämtliche elektronischen Bauteile in diesem Bereich befinden. Bei Verwendung der elektrischen Leiterplatte 20 gemäß 4 in einem Sender bildet die Spule 21 die Sendespule, bei Verwendung in einem Empfänger die Empfangsspule.the 4 shows an example of the electrical circuit board of the transmitter 1 and the electrical circuit board of the receiver 4, an electrical circuit board 20 on which electronic components 22, 23, 24, 25, 26 are arranged. The electrical conductor tracks on the electrical printed circuit board 20 that possibly connect these electronic components 22, 23, 24, 25, 26 to one another are not shown for the sake of a better overview. the 4 shows a coil 21 with two turns, which are provided on the circuit board 20 in the form of conductor loops. The conductor loops are designed directly in the form of conductor tracks on the printed circuit board 20 . As can be seen, some of the electronic components are located in the area of the electrical circuit board 20 surrounded by the coil 21. It can also be provided that all the electronic components are located in this area. When using the electrical circuit board 20 according to 4 in a transmitter the coil 21 forms the transmitting coil, when used in a receiver the receiving coil.

Claims

Transmitter (1) of a system for wireless energy transmission from at least one transmitter (1) to at least one receiver (4) for supplying electrical energy to an electrically operated device (7) connected to the receiver (4), the transmitter (1) having a transmission coil ( 3) for radiating energy and the receiver (4) has a receiving coil (5) for absorbing energy, the transmitter (1) having a transmitter circuit (2) for generating a high-frequency output signal which is fed into the transmitting coil (3), and the transmitting coil ( 3) is designed in the form of conductor loops (21), characterized in that the transmitter circuit (2) has a power amplifier to which a high-frequency alternating signal is applied on the input side, which is generated as a digital signal by a digital electronic component (10), wherein a voltage level adjustment circuit (T ₄ , L ₂ , R ₁ ) is arranged between the digital electronic component (10) and the power amplifier t, the transmitter (1) having a detector circuit which uses a specific harmonic behavior to detect the presence of a valid receiver (4) which is provided with a non-linear component for generating a specific harmonic behavior.

transmitter after claim 1 , characterized in that the transmitter circuit (2) has a power amplifier, which is designed as a class E amplifier or class E ² amplifier.

transmitter after claim 1 or 2 , characterized in that the transmitter circuit (2) has a power amplifier, which as an output stage has a power transistor (T ₁ ), which is preceded by a bipolar transistor stage (T ₂ , T ₃ ) in a push-pull circuit as a driver circuit.

Sender after one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the transmitter circuit (2) has a power amplifier which has a power transistor (T ₁ ) as the output stage, and an inductance (L ₁ ) is connected in series with the power transistor (T ₁ ), the transmission coil (3) having one of its terminals, possibly with the interposition of one or more components (C ₁₁ ), with the connection point between the power transistor (T ₁ ) and the inductance (L ₁ ) is connected.

Sender after one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the transmission coil (3) is connected to a detector circuit (11) which is set up for decoupling a signal generated as a reaction by a receiver (4) and coupled into the transmission coil (3), the detector circuit (11) is connected to an evaluation device which is set up to evaluate the signal obtained by the decoupling.

Sender after one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the transmitter circuit (2) has a power amplifier which has a power transistor (T ₁ ) as the output stage, and the transmission coil (3) has two terminals, a first terminal connected via a first capacitor (C ₁₁ ) to the power transistor (T ₁ ) and a second terminal is connected to the power transistor (T ₁ ) via a second capacitor (C ₁₂ ).

Receiver (4) of a system for wireless energy transmission from at least one transmitter (1) to at least one receiver (4) for supplying electrical energy to an electrically operated device (7) connected to the receiver (4), the transmitter (1) having a transmission coil ( 3) for radiating energy and the receiver (4) has a receiving coil (5) for receiving energy, the receiver (4) having a receiver circuit (6) for delivering the electrical energy received from the receiving coil (5) to the electrically operated device (7) and the receiving coil (5) is designed in the form of conductor loops (21), characterized in that the receiver (4) has a non-linear electronic component which is connected to the receiving coil (5) for absorbing energy and which serves as identification means for a valid receiver (4) is set up, being generated by the non-linear component in the receiving coil (5) for energy absorption harmonics in the transmitter on the Transmitting coil (3) can be received and detected by a detector circuit in order to detect the presence of a valid receiver based on a specific harmonic behavior.

receiver after claim 7 , characterized in that the receiver circuit (6) has a rectifier circuit which has only two diodes (D ₁ , D ₂ ).

receiver after claim 7 or 8th , characterized in that the receiver circuit (6) has a smoothing circuit which is connected downstream of the receiving coil (5) and which is set up to smooth the energy supply signal emitted to the electrically operated device (7), the smoothing circuit having only two capacitors (C ₁ , C ₂ ).

receiver after claim 9 , characterized in that the diodes (D ₁ , D ₂ ) of the rectifier circuit and the capacitors (C ₁ , C ₂ ) of the smoothing circuit are interconnected to form a bridge circuit.

Recipient after one of Claims 7 until 10 , characterized in that the receiver circuit (6) has a load modulation device (9, CL) which is set up to modulate the electrical power consumed by the receiver (4) according to a predetermined scheme.

Recipient after one of Claims 8 until 11 , characterized in that the diodes (D1, D2) are designed as silicon carbide diodes.