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Technisches Gebiet
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Energieversorgungsvorrichtung. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Ladestation, eine Tischplatte, eine Wandverkleidung wie z. B. eine Tapete, sowie ein System mit einer Energieversorgungsvorrichtung und einem mit Energie zu versorgenden Gerät.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Energieversorgung der heute immer stärker genutzten Mobilgeräte ist immer noch ein Flaschenhals hinsichtlich der ubiquitären Verfügbarkeit. Auch ist bei heutigen Geräten die Handhabbarkeit der Energieversorgungslösungen mit Steckkontakten besonders für ältere Personen nicht sinnvoll gelöst.
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Die Versorgung von Kleingeräten mit Strom zur Aufladung der Batterien ist bislang kabelbasiert gelöst. Teillösungen auf Basis von induktiven Ladetechnologien nutzen resonant optimal aufeinander angepasste Master/Slave Spulen, um eine hohe Energieeffizient zu erzielen. Dies erfordert eine recht aufwendige Umsetzung, um Streufelder zu vermeiden.
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Beispiele solcher gekoppelter Spulen sind bei K. A. Grajski u. a., „Loosely-Coupled Wireless Power Transfer: Physics, Circuits, Standards", 2012, IEEE MTT-S International. DOI: 10.1109/IMES.2012.6215828 und bei D. von Wageningen u. a., „The Qi Wireless Power Standard", 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, IEEE 2010, 978-1-4244-7855-2/10 beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Konzept zu schaffen, welches eine effizientere Energieversorgung für mit Energie zu versorgende Geräte ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Energieversorgungsvorrichtung die einen Schichtstapel mit einer ersten (elektrisch) leitfähigen Schicht, einer zweiten (elektrisch) leitfähigen Schicht und einer zwischen der ersten leitfähigen Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht angeordneten Dielektrikumsschicht aufweist. Die erste leitfähige Schicht des Schichtstapels weist Unterbrechungen auf, die konfiguriert sind, den Durchtritt von Feldlinien eines zwischen den leitfähigen Schichten des Schichtstapels erzeugten Hochfrequenzfelds (HF-Felds) zu erlauben, um ein Nahfeld zur Energieentnahme zu erzeugen. Ferner weist die Energieversorgungsvorrichtung eine Steuerung zum Erzeugen des HF-Felds zwischen den leitfähigen Schichten auf.
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Es ist ein Gedanke von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, dass ein effizienteres Konzept zur Energieversorgung (beispielsweise mobiler) Geräte ermöglicht wird, wenn zur Energieversorgung solcher Geräte ein HF-Feld mittels zweier durch eine Dielektrikumsschicht getrennten elektrisch leitfähigen Schichten erzeugt wird. Durch die Unterbrechungen in der ersten leitfähigen Schicht wird ermöglicht, dass die Feldlinien des erzeugten HF-Felds aus dem Schichtstapel austreten können und in ein, sich in dem Nahfeld befindliches, mit Energie zu versorgendes Gerät, eingekoppelt werden können, um dort ihre Energie an das Gerät abzugeben. Ein derartiger Aufbau ist um ein Vielfaches einfacher als die im einleitenden Teil benannten Lösungen und ist außerdem hinsichtlich der Sicherheitsaspekte (beispielsweise elektromagnetische Verträglichkeit und Kurzschlussfestigkeit) intrinsisch optimal gegenüber anderen bisher bekannten Lösungen. Die Unterbrechungen in der ersten leitfähigen Schicht können beispielsweise Löcher oder Öffnungen sein, welche mit einem Dielektrikum gefüllt sind. In einer sehr einfachen Ausführung kann das Dielektrikum beispielsweise Luft sein. Jedoch ist es auch möglich, ein anderes Dielektrikum, wie beispielsweise Kunststoffe, oder Ähnliches zu verwenden. Durch die genannte einfache Konstruktion wird ermöglicht, dass eine Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung extrem preisgünstig zu fertigen ist, insbesondere im Vergleich zu bereits bekannten Lösungen.
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Erfindungsgemäß basiert die Energieversorgung auf einem Nahfeld, dessen Feldstärke logarithmisch mit dem Abstand zu der ersten leitfähigen Schicht abfällt und das daher nur bis zu einem sehr geringen Abstand von der ersten leitfähigen Schicht reicht. Ein Abstrahlen des durch die Öffnungen in der ersten leitfähigen Schicht austretenden Feldes findet nicht statt, so dass das Konzept keiner Telekommunikationsregulierung mit den damit einhergehenden Punkten unterliegt.
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Der Schichtstapel und die leitfähigen Schichten dieses Schichtstapels können beispielsweise flexibel ausgeführt sein. Daher ist es sogar möglich, die Energieversorgungsvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in eine Wandverkleidung, wie z. B. eine Tapete, zu integrieren, um auch eine permanente Energieversorgung von Klein/Kleinstverbrauchern ohne Ladeoption, beispielsweise über solch eine Tapete, zu ermöglichen. Dabei können Abnehmer, wie z. B. ein elektronisches Bild, an der Wandverkleidung und/oder der Wand hinter der Wandverkleidung befestigt werden und durch das Nahfeld mit Energie versorgt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die leitfähigen Schichten aber auch als Platten ausgeführt werden (beispielsweise aus einem leitfähigen Metall). Die erste leitfähige Schicht kann beispielsweise aus einer Lochplatte gebildet sein, während die zweite leitfähige Schicht aus einer durchgängigen Platte gebildet ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Schichtstapel Bestandteil eines Resonators der Energieversorgungsvorrichtung sein. Ein solcher Resonator kann beispielsweise als „leaky resonator” bezeichnet werden, bei dem sich zwischen den zwei leitfähigen Schichten oder Platten ein Dielektrikum (in Form der Dielektrikumsschicht) befindet, in dem ein HF-Feld ausgebildet wird. Die obere Platte bzw. die erste leitfähige Schicht ist mit Öffnungen versehen, die einen vollständigen Durchtritt des Felds vermeiden, dennoch ein kurzreichweitiges Austreten von Feldlinien erlauben. Erst durch das Auflegen eines auf die Hochfrequenz des Hochfrequenzfelds angepassten Resonators (beispielsweise als Bestandteil einer Ladeschnittstelle eines mit Energie zu versorgenden Geräts) können die Feldlinien in diesen Resonator einkoppeln und ihre Energie in den Außenraum abgeben. Ein solcher Aufbau ist um ein Vielfaches einfacher als heute propagierte Lösungen und ist zudem hinsichtlich der Sicherheitsaspekte (beispielsweise elektromagnetische Verträglichkeit oder Kurzschlussfestigkeit) intrinsisch optimal gegenüber anderen Lösungen. Durch dieses Konzept lassen sich hohe Sicherheitsreserven erreichen, da beispielsweise nur eine schwache Kopplung an Körperstellen, wie beispielsweise Handflächen, ermöglicht wird. Ferner kann ein entsprechendes System mit geringer Energieübertragungsdichte ausgestattet sein, die auf langfristige Ladezeiten ausgelegt ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen daher auch ein System mit einer oben genannten Energieversorgungsvorrichtung, wobei der Schichtstapel Teil eines Resonators der Energieversorgungsvorrichtung ist. Ferner weist solch ein System ein mit Energie zu versorgendes Gerät (wie beispielsweise ein Mobilgerät auf). Das Gerät weist dabei eine Energieversorgungsschnittstelle zum drahtlosen Empfang von Energie auf, wobei die Energieversorgungsschnittstelle einen Resonator aufweist, der derart an den Resonator der Energieversorgungsvorrichtung angepasst ist, dass Feldlinien des von der Energieversorgungsvorrichtung erzeugten HF-Felds, welche durch die Unterbrechungen in der ersten leitfähigen Schicht hindurchtreten, in den Resonator der Energieversorgungsschnittstelle des Geräts einkoppeln, um ihre Energie an das zu versorgende Geräte abzugeben. Ein derartiges System hat unter anderem die Vorteile, dass sich einerseits die Energieversorgungsvorrichtung aufgrund ihrer Einfachheit preiswert und mit geringem Aufwand herstellen lässt und andererseits, wie bereits erwähnt, hohe Sicherheitsreserven bestehen.
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Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht nur eine extrem preisgünstige Fertigung, sondern auch eine großflächige Fertigung und eine Skalierung ohne erhöhte Komplexität. So schaffen beispielsweise weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Tischplatte mit einer oben genannten Energieversorgungsvorrichtung. Die erste leitfähige Schicht (welche die Unterbrechungen aufweist) ist dabei einer Nutzseite (oder einer Oberseite) der Tischplatte zugewandt und die zweite leitfähige Schicht ist einer der Nutzseite gegenüberliegenden Bodenseite (oder Unterseite) der Tischplatte zugewandt. Die beiden leitfähigen Schichten können sich dabei beispielsweise über die gesamte Fläche der Tischplatte erstrecken, so dass die gesamte Tischplatte als Ladevorrichtung für ein mit Energie zu versorgendes Gerät oder sogar für mehrere (gleichzeitig) mit Energie zu versorgende Geräte dienen kann.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1a eine Schrägansicht auf eine Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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1b die Energieversorgungsvorrichtung aus 1a mit einem zusätzlichen mit Energie zu versorgenden Gerät, welches sich im Nahfeld der Energieversorgungsvorrichtung befindet; und
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2 eine Seitenansicht der in 1a gezeigten Energieversorgungsvorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
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Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren Elemente oder Elemente mit gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1a zeigt eine Energieversorgungsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 100 weist einen Schichtstapel 101 auf. Dieser Schichtstapel 101 weist eine erste (elektrisch) leitfähige Schicht 103, eine Dielektrikumsschicht (oder dielektrische Schicht) 105 und eine zweite (elektrisch) leitfähige Schicht 107 auf. Die Dielektrikumsschicht 105 bzw. das Dielektrikum 105 ist zwischen der ersten leitfähigen Schicht 103 und der zweiten leitfähigen Schicht 107 angeordnet. Ferner weist die erste leitfähige Schicht 103 Unterbrechungen 109 auf. Die Unterbrechungen 109 sind konfiguriert, um den Durchtritt von Feldlinien 113 eines zwischen den leitfähigen Schichten 103, 107 erzeugten HF-Felds zu erlauben, um (an einer Außenseite der ersten leitfähigen Schicht 103) ein Nahfeld zur Energieentnahme zu erzeugen. Ferner weist die Energieversorgungsvorrichtung 100 eine Steuerung 111 auf. Die Steuerung 111 ist ausgebildet, um das Hochfrequenzfeld zwischen den leitfähigen Schichten 103, 107 zu erzeugen.
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Das HF-Feld kann in seiner Stärke und die Unterbrechungen (beispielweise Anzahl und Größe) können beispielsweise so gewählt werden, dass eine Feldstärke des Nahfelds in einem Abstand von z. B. 1 cm zu der nicht der Dielektrikumsschicht 105 zugewandten Seite der ersten leitfähigen Schicht 103 nicht größer als 1/e der im typischen Ladeabstand von 0,1 cm vorliegenden Feldstärke ist.
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Wie bereits im einleitenden Teil beschrieben, ermöglicht die Energieversorgungsvorrichtung 100 eine einfache Energieversorgung (beispielsweise zur Permanentversorgung oder zum Laden von Energiespeichern) von mit Energie zu versorgenden Geräten. Die Energieversorgung erfolgt drahtlos. So kann beispielsweise ein auf die Energieversorgungsvorrichtung 100 angepasstes Gerät ausgebildet sein, um aus dem von der Energieversorgungsvorrichtung 100 generierten HF-Feld Energie zur Versorgung dieses Geräts zu entnehmen. Dabei ermöglichen die Unterbrechungen 109 in der ersten leitfähigen Schicht 103, dass die Feldlinien 113 des HF-Felds zwischen den (elektrisch) leitfähigen Schichten 103, 107 aus dem Schichtstapel 101 austreten können und ihre Energie in den Außenraum des Schichtstapels 101 an ein Gerät zur Energieversorgung abgeben können.
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In 1a sind schematisch einige Feldlinien 113 des erzeugten HF-Felds dargestellt, welche durch die Unterbrechungen 109 der ersten leitfähigen Schicht 103 hindurchtreten. Diese dargestellten Feldlinien 113 können, wenn sich ein mit Energie zu versorgendes Gerät in dem Nahfeld der Energieversorgungsvorrichtung 100 befindet, ihre Energie an das mit Energie zu versorgende Gerät abgeben.
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Aus 1a wird ferner der einfache Aufbau der Energieversorgungsvorrichtung 100 ersichtlich, so dass eine großflächige Fertigung und Skalierung ohne eine erhöhte Komplexität ermöglicht wird und damit beispielsweise auch eine permanente Energieversorgung von Klein/Kleinstverbrauchern ohne eine Ladeoption, wie beispielsweise über eine Tapete ermöglicht wird.
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Wie aus 1a ersichtlich ist, sind die Unterbrechungen 109 in der ersten leitfähigen Schicht 103 gleichmäßig verteilt angeordnet. Dadurch wird ermöglicht, dass ein gleichmäßig verteiltes Nahfeld außerhalb des Schichtstapels 101 generiert wird, so dass beispielsweise die Feldstärke dieses Nahfelds über die gesamte Fläche der ersten leitfähigen Schicht hinweg (nahezu) gleichbleibt.
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Ferner können die Unterbrechungen 109 der ersten leitfähigen Schicht 103 Öffnungen 109 sein, welche mit einem Dielektrikum gefüllt sind. Als Dielektrikum kann hier beispielsweise einfach Luft verwendet werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch ein anderes Material als Dielektrikum verwendet werden (beispielsweise Kunststoff), welches in die Öffnungen 109 der ersten leitfähigen Schicht 103 gefüllt ist.
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Ein Flächenverhältnis zwischen einer Gesamtfläche der Unterbrechungen 109 und einer Gesamtfläche der Bereiche der ersten leitfähigen Schicht 103, die zwischen den Unterbrechungen 109 liegen, kann beispielsweise in einem Bereich von 1:0,5 bis 1:5 gewählt werden. Im Allgemeinen sollte dieses Verhältnis derart gewählt werden, dass einerseits ein genügend starkes Hochfrequenzfeld zwischen den leitfähigen Schichten 103, 107 aufgebaut wird und andererseits genügend Unterbrechungen 109 vorhanden sind, um eine ausreichende Anzahl an Feldlinien 113 in den Außenbereich des Schichtstapels 101 passieren zu lassen, welche das Nahfeld der Energieversorgungsvorrichtung 100 bilden, aus dem die mit Energie zu versorgenden Geräte ihre Energie entnehmen können.
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Wie in 1a dargestellt, ist die Steuerung 111 ausgebildet, um das HF-Feld zu erzeugen. Die Steuerung 111 kann beispielsweise ausgebildet sein, um das HF-Feld durch Einkoppeln eines Hochfrequenzsignals (beispielsweise einer Wechselspannung) in das Dielektrikum zwischen den leitfähigen Schichten 103, 107 zu erzeugen. Eine Frequenz der Wechselspannung kann dabei beispielsweise in einem Bereich von 10 kHz bis 5 GHZ gewählt werden. Beispielsweise kann die Wechselspannung durch einen koaxialen Leiter, dessen Innenleiter von den leitfähigen Schichten isoliert ist und in das Dielektrikum ragt, eingekoppelt werden. Die leitfähigen Schichten können wie der Außenleiter des koaxialen Leiters dabei auf Masse liegen. Selbstverständlich sind auch andere Arten einer Einkopplung möglich, wobei das Hochfrequenzsignal z. B. über eine Antennenstruktur eingekoppelt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen können mehrere Einkoppelpunkte vorgesehen sein.
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Die Verwendung einer höheren Frequenz beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 5 GHz kann vorteilhaft sein, da dann die Unterbrechungen bzw. Öffnungen so klein gemacht werden können, dass sie visuell kaum oder nicht mehr wahrnehmbar sind.
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Ferner kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Schichtstapel 101 Teil eines Resonators der Energieversorgungsvorrichtung 100 sein. So kann beispielsweise der Schichtstapel 101 mit seinen beiden elektrisch leitfähigen Schichten 103, 107 und der dielektrischen Schicht 105 einen ersten Energiespeicher des Resonators (oder des Schwingkreises) bilden, welcher beispielsweise als kapazitives Element wirkt. Solch ein Resonator kann ferner noch ein zweites Speicherelement aufweisen, welches beispielsweise als induktives Element wirkt. Diese beiden Speicherelemente können miteinander verbunden sein, um den Resonator der Energieversorgungsvorrichtung 100 zu bilden. Eine Resonanzfrequenz des Resonators kann beispielsweise in einem Bereich von 10 kHz bis 5 GHz liegen. Erst durch das Auflegen eines auf die Hochfrequenz des generierten HF-Felds angepassten Resonators eines mit Energie zu versorgenden Geräts können die Feldlinien in diesen Resonator des mit Energie zu versorgenden Geräts einkoppeln und ihre Energie in den Außenraum (an das Gerät) abgeben.
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Ferner wird aus 1a ersichtlich, dass die Unterbrechungen 109 jeweils kreisförmige Öffnungen sind. Jedoch ist es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch möglich, dass die Unterbrechungen 109 eine andere Form haben (beispielsweise mehreckig, um von Streufeldeffekten zu profitieren).
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Die Unterbrechungen 109 sind durchgängig durch die erste elektrisch leitfähige Schicht 103. D. h., die Unterbrechungen 109 (welche beispielsweise Öffnungen sind) erstrecken sich von einer ersten Seite der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103. Die zweite Seite der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 grenzt an die Dielektrikumsschicht 105 an.
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Eine Länge und eine Breite der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 (und damit eine Fläche senkrecht zu den Feldlinien 113 der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103) kann identisch zu einer Länge und einer Breite der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 107 gewählt werden. Ferner kann auch eine Länge und eine Breite der dielektrischen Schicht 105 identisch zu der Länge und der Breite der ersten elektrischen leitfähigen Schicht 103 gewählt werden.
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1b zeigt die Energieversorgungsvorrichtung 100 von 1a mit einem zusätzlichen, oberhalb der ersten leitfähigen Schicht 103 platzierten, mit Energie zu versorgenden Gerät (im Folgenden nur als Gerät bezeichnet) 115. Aus 1b wird ersichtlich, dass keine zusätzlichen Steckverbindungen mehr benötigt werden, um das Gerät 115 mit Energie zu versorgen. Es ist ausreichend, dass sich das Gerät 115 in dem von den Feldlinien 113, welche durch die Unterbrechungen 109 durchtreten, erzeugten Nahfeld befindet, um aus diesem Nahfeld Energie zu entnehmen.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energieversorgungsvorrichtung 100 eine zusätzliche Schutzschicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 aufweisen. Eine solche Schutzschicht kann beispielsweise elektrisch nicht leitfähig sein, jedoch die Feldlinien 113 (mit möglichst wenig Dämpfung) durchlassen.
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Wie bereits in Verbindung mit 1a beschrieben, kann der Schichtstapel 101 Bestandteil eines Resonators der Energieversorgungsvorrichtung 100 sein. Das Gerät 115 kann ferner einen auf diesen Resonator des Schichtstapels 101 angepassten weiteren Resonator aufweisen. Wenn nun das Gerät 115 in das Nahfeld der Energieversorgungsvorrichtung 100 gebracht wird, so können die Feldlinien 113, welche durch die Unterbrechungen 109 hindurchtreten, in den Resonator des Geräts 115 einkoppeln, um dort ihre Energie an das Gerät 115 (beispielsweise zur Permanentversorgung oder zum Laden von Energiespeichern des Geräts 115) abzugeben.
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Eine Gesamtfläche eines Oberflächenbereichs der ersten leitfähigen Schicht 103, durch den die Feldlinien 113 hindurchtreten und oberhalb von dem das Gerät 115 platziert werden kann, kann dabei wenigstens so groß gewählt sein, wie eine Einkoppelfläche des entsprechenden Resonators des Geräts 115.
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Grundsätzlich kann das Nahfeld unabhängig davon erzeugt werden, ob ein mit Energie zu versorgendes (beispielsweise zu ladendes) Gerät sich im Bereich des Nahfelds befindet oder nicht. Um jedoch einen Leistungsverbrauch zu reduzieren, kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Steuerung 111 ausgebildet sein, um auf der Grundlage von dem Feld entnommener Energie ein sich im Bereich des Nahfelds befindliches Gerät zu detektieren und/oder auf den Ladungszustand eines zu ladenden Geräts zu schließen. Ferner kann zusätzlich oder alternativ ein Nähesensor vorgesehen sein, der ausgebildet ist, um zu detektieren, ob sich ein mit Energie zu versorgendes Gerät (wie beispielsweise das Gerät 115) in einem Bereich des Nahfelds befindet. Die Steuerung 111 kann ausgebildet sein, um ansprechend auf eine Detektion eines sich im Bereich des Nahfelds befindlichen Geräts (beispielsweise des Geräts 115) bzw. des Ladungszustands des Geräts das HF-Feld einzustellen. Beispielsweise kann die Energie des HF-Felds reduziert oder ausgeschaltet werden, wenn kein Gerät, das mit Energie versorgt (aufgeladen) werden muss, detektiert wird, und kann erhöht oder eingeschaltet werden, wenn ein Gerät detektiert wird, das mit Energie versorgt (aufgeladen) werden muss.
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So wird bei Ausführungsbeispielen ermöglicht, dass das HF-Feld von der Steuerung 111 nur erzeugt wird, wenn sich auch ein Gerät 115 in dem Nahfeld der Energieversorgungsvorrichtung 100 befindet. Dadurch werden Energieverluste minimiert, da das HF-Feld wirklich nur eingeschaltet ist, wenn es auch benötigt wird.
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Ferner kann die Steuerung 111 ausgebildet sein, um bei Detektion einer Entfernung des Geräts 115 aus dem Bereich des Nahfelds das HF-Feld abzuschalten (beispielsweise durch Abschalten der Wechselspannung).
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht 103 und die zweite elektrisch leitfähige Schicht 107 in mehrere Teilbereiche unterteilt sind. Die Steuerung 111 kann dann beispielsweise ausgebildet sein, um ansprechend auf eine Detektion eines Geräts 115 in dem Bereich des Nahfelds nur in den Teilbereichen der elektrisch leitfähigen Schichten 103 und 107 ein Hochfrequenzsignal einzukoppeln, in deren Bereich sich das Gerät 115 befindet. So kann beispielsweise bei einer Verwendung der Energieversorgungsvorrichtung 100 in einer Tischplatte das HF-Feld nur in dem Bereich der Tischplatte aktiviert werden, in dem sich ein mobiles Gerät 115 befindet oder es können nur die Bereiche aktiviert werden, in denen sich derartige mobile Geräte 115 befinden. So wird einerseits ermöglicht, dass die Energieversorgungsvorrichtung 100 großflächig herstellbar ist aber andererseits der Stromverbrauch für eine großflächige Energieversorgungsvorrichtung 100 nicht (oder nur geringfügig) höher ist als für eine flächenmäßig kleinere Energieversorgungsvorrichtung 100, welche zur Energieversorgung der gleichen mobilen Geräte 115 verwendet werden kann, wie die flächenmäßig größere Energieversorgungsvorrichtung 100.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Steuerung 111 einen Ladezustandsensor aufweisen, der ausgebildet ist, um einen Ladezustand des sich im Bereich des Nahfelds befindlichen Geräts 115 zu bestimmen. Die Steuerung 111 kann ferner ausgebildet sein, um das Hochfrequenzfeld in Abhängigkeit des Ladezustands des Geräts 115 zu erzeugen. So kann die Steuerung 111 beispielsweise ausgebildet sein, um bei einer vollen Batterie oder einem vollen Akku des Geräts 115 das HF-Feld abzustellen oder zumindest eine Leistung des HF-Felds zu reduzieren.
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Wie aus 1b ersichtlich wird, kann die Energieversorgungsvorrichtung 100 daher Bestandteil einer Ladestation für Mobilgeräte sein. Eine solche Ladestation kann dabei vollständig ohne Stecker zur Verbindung mit einem zu ladenden Mobilgerät auskommen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen daher auch (wie in 1b gezeigt) eine Ladestation für Mobilgeräte mit einer Energieversorgungsvorrichtung 100.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Steuerung 111 auch ausgebildet sein, um ein Datensignal auf das HF-Feld zu modulieren (beispielsweise durch Variation des eingekoppelten Hochfrequenzsignals). So wird beispielsweise ermöglicht, dass das Gerät 115 nicht nur mit Energie versorgt wird, sondern ferner auch Daten an das Gerät 115 übertragen werden können.
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Ferner kann die in 1b gezeigte Energieversorgungsvorrichtung 100 auch Bestandteil einer Tischplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein. Die erste leitfähige Schicht 103 kann dabei einer Nutzseite der Tischplatte (oder einer Oberseite) zugewandt sein und die zweite leitfähige Schicht einer der Nutzseite gegenüberliegenden Bodenseite der Tischplatte zugewandt sein. Die 1a und 1b zeigen daher zumindest einen Teil einer solchen Tischplatte. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass bei einer solchen Tischplatte sich sowohl oberhalb der ersten elektrischen leitfähigen Schicht 103 als auch unterhalb der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 107 mindestens eine weitere (Schutz-)Schicht befindet. Hierbei ist darauf zu achten, dass die an die erste leitfähige Schicht 103 angrenzende Schutzschicht derart gewählt sein sollte, dass sie die Feldlinien 113 hindurchlässt.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Energieversorgungsvorrichtung 100, aus der der Aufbau des Schichtstapels 101 ersichtlich wird. Aus 2 wird ersichtlich, dass die zweite leitfähige Schicht 107 und die dielektrische Schicht 105 eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen. Ferner weisen die erste leitfähige Schicht 103 und die dielektrische Schicht 105 eine Grenzfläche auf. Die dielektrische Schicht 105 beabstandet damit die erste elektrisch leitfähige Schicht 103 von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 107 und isoliert diese beiden elektrischen Schichten 103, 107 voneinander.
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Eine Höhe der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 107 kann dabei mindestens um einen Faktor 5 größer gewählt sein, als eine Höhe der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103. Ferner kann die Höhe der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 107 mindestens um einen Faktor 2 größer gewählt sein als eine Höhe der dielektrischen Schicht 105.
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Zusammenfassend basiert die in den 1a bis 2 gezeigte Energieversorgungsvorrichtung 100 auf einem sogenannten „leaky resonator”, bei dem sich zwischen zwei leitfähigen Schichten 103 und 107 (beispielsweise gebildet durch leitfähige Platten) ein Dielektrikum 105 (in Form der dielektrischen Schicht 105) befindet, in dem ein HF-Feld ausgebildet wird. Die obere leitfähige Schicht 103 ist mit den Öffnungen 109 versehen, die einen vollständigen Durchtritt des HF-Felds vermeiden, dennoch ein kurzreichweitiges Auftreten von Feldlinien 113 erlauben. Erst durch das Auflegen eines auf die Hochfrequenz angepassten Resonators (beispielsweise in dem Gerät 115) können die Feldlinien 113 in diesen Resonator des Geräts 115 einkoppeln und ihre Energie in den Außenraum abgeben. Dieser Aufbau ist um ein Vielfaches einfacher als heute propagierte Lösungen und zudem hinsichtlich der Sicherheitsaspekte (elektromagnetische Verträglichkeit, Kurzschlussfestigkeit) intrinsisch optimal gegenüber anderen Lösungen.
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Das Gerät 115 in Mobilkommunikationsgerät 115 sein, welches ausgebildet ist, um eine Sprach- und/oder Datenkommunikation (gemäß einem Mobilfunkstandard) mit einem anderen (tragbaren) Mobilkommunikationsgerät und/oder einer Mobilkommunikationsbasisstation durchzuführen. Solch ein Mobilkommunikationsgerät 115 kann beispielsweise ein Mobiltelefon sein, ein sogenanntes Smartphone, ein Tablet-PC, ein Breitbandmodem, ein Notebook oder ein Laptop oder auch ein Router oder ein PC.
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Im Allgemeinen kann das Gerät 115 kann ein tragbares Gerät sein.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben unter anderem die folgenden Vorteile:
Es wird eine großflächige Fertigung und Skalierung ohne erhöhte Komplexität ermöglicht, und damit wird auch eine permanente Energieversorgung von Klein- und/oder Kleinstverbrauchern ohne eine Ladeoption möglich.
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Ferner lässt sich der Schichtstapel 101 (beispielsweise in Form einer Ladeplatte) extrem preisgünstig fertigen, so dass die Energieversorgungsvorrichtung 100 quasi eine komplette Tischplatte bilden kann.
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Bei Ausführungsbeispielen sind die Unterbrechungen durch Öffnungen in der ersten leitfähigen Schicht gebildet, deren Rand vollständig von der leitfähigen Schicht umgeben ist, wie dies in den 1a und 1b zu erkennen ist. Die Größe der Öffnungen hängt von der Frequenz ab und ist eingestellt, um zu ermöglichen, dass bei der verwendeten Frequenz ein Nahfeld mit einer gewünschten Energieverteilung nahe der Oberfläche der ersten leitfähigen Schicht erzeugt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen ist eine Vielzahl von 50 oder mehr von entsprechenden Öffnungen verteilt in der ersten leitfähigen Schicht angeordnet, wobei die Größe der Öffnungen und der Abstand zwischen denselben eingestellt ist, um ein gewünschtes Nahfeld zu erhalten. Bei Ausführungsbeispielen können die Öffnungen in einem regelmäßigen Raster von in einer ersten Richtung angeordneten Zeilen und in einer zweiten Richtung angeordneten Spalten angeordnet sein.
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Ferner weisen Ausführungsbeispiele hohe Sicherheitsreserven auf, da beispielsweise eine schwache Kopplung an Körperstellen, wie z. B. Handflächen, ermöglicht wird. Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele eine geringe Energieübertragungsdichte, die auf langfristige Ladezeiten ausgelegt ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ihre Anwendung in allen Bereichen finden, bei denen kleine Energiemengen über einen längeren Zeitraum in einen Energiespeicher überführt sollen bzw. nur geringe Energiemengen pro Zeit benötigt werden. Ferner lassen sich Ausführungsbeispiele nicht nur zum Laden von Geräten benutzen, sondern auch für Permanentversorgung und sogar zur Datenübertragung, da, wie bereits oben beschrieben, es möglich ist auf das HF-Signal auch eine digitale Information aufzuprägen, wodurch eine niedrigbitratige Datenübertragung ermöglicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K. A. Grajski u. a., „Loosely-Coupled Wireless Power Transfer: Physics, Circuits, Standards”, 2012, IEEE MTT-S International. DOI: 10.1109/IMES.2012.6215828 [0004]
- D. von Wageningen u. a., „The Qi Wireless Power Standard”, 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, IEEE 2010, 978-1-4244-7855-2/10 [0004]
