DE102015014638B4

DE102015014638B4 - Schaltungsvorrichtung und Verfahren zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung

Info

Publication number: DE102015014638B4
Application number: DE102015014638.6A
Authority: DE
Inventors: Marcel Maier; Marco Zimmer; David Maier; Nejila Parspour
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: DE102015014638A1

Abstract

Schaltungsvorrichtung (100) zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung, umfassend:- einen Auto-Resonanz-Wechselrichter (50) mit einem ersten Schwingkreisschalter (Q1), einem zweiten Schwingkreisschalter (Q2), einer Schwingkreiskapazität (C1) und einer Schwingkreisinduktivität (L1) zum induktiven Übertragen der Energie und der Daten an eine Sekundärspule (L2);- eine erste Frequenzmodulationsschalteinheit (13a), welche parallel zu dem ersten Schwingkreisschalter (Q1) geschaltet ist und einen ersten Frequenzmodulationsschalter (QM1) aufweist;- eine zweite Frequenzmodulationsschalteinheit (13b), welche parallel zu dem zweiten Schwingkreisschalter (Q2) geschaltet ist und einen zweiten Frequenzmodulationsschalter (QM2) aufweist; und- eine Logikschaltung (90) zum Ansteuern der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit (13a, 13b) auf Basis eines ersten und zweiten schaltungsinternen Steuersignals (S1, S2) sowie auf Basis zumindest eines Datensignals (E, F), welches die zu übertragenden Daten repräsentiert;wobei die Logikschaltung (90) ein erstes Flipflop (D1) zum Ansteuern des ersten Frequenzmodulationsschalters (QM1) und ein zweites Flipflop (D2) zum Ansteuern des zweiten Frequenzmodulationsschalters (QM2) umfasst,wobei die Logikschaltung (90) einen ersten Gate-Treiber (T1) zum Ansteuern eines Gate-Anschlusses des ersten Frequenzmodulationsschalters (QM1) und einen zweiten Gate-Treiber (T2) zum Ansteuern eines Gate-Anschlusses des zweiten Frequenzmodulationsschalters (QM2) aufweist, wobeidas erste Flipflop (D1) ausgelegt ist, ein erstes Datensignal (E) bei einer steigenden Flanke des ersten schaltungsinternen Steuersignals (S1) an den ersten Gate-Treiber (T1) weiterzureichen, und wobeidas zweite Flipflop (D2) ausgelegt ist, ein zweites Datensignal (F) bei einer steigenden Flanke des zweiten schaltungsinternen Steuersignals (S2) an den zweiten Gate-Treiber (T2) weiterzureichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung und ein Verfahren zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung.
Für die kontaktlose Übertragung von Energie von einem System auf ein anderes System erschließen sich mit Etablierung der Technik immer mehr Anwendungsfälle, bei denen es sinnvoll oder sogar notwendig ist, kontaktlos, das heißt ohne mechanische Verbindung, Energie zu übertragen. Oftmals muss zusätzlich zur Energieübertragung noch eine Daten- bzw. Informationsübertragung realisiert werden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine kontaktlose Energieübertragung induktiv mittels einer Energieübertragungsstrecke möglich ist. Für eine zusätzliche kontaktlose Datenübertragung wird herkömmlicherweise eine dezidierte Datenübertragungsstrecke, insbesondere eine separate Funkübertragungseinrichtung verwendet. Eine solche separate Funkübertragungseinrichtung hat jedoch den Nachteil, dass sie eine zusätzliche Komponente darstellt, welche abhängig vom Einsatzort fehleranfällig bzw. unzuverlässig sein kann und in manchen Einsatzgebieten gar nicht funktioniert.
Die Druckschrift US 2015 / 0 280 452 A1 offenbart ein System zur drahtlosen Leistungsübertragung.
Die Druckschrift US 2011 / 0 101 790 A1 offenbart ein induktives System zur Leistungsübertragung mit steuerbaren Komponenten, die es erlauben, die Resonanzfrequenz einer Primärschaltung und/oder Sekundärschaltung zu variieren.
Die Druckschrift DE 20 2007 011 745 U1 offenbart eine MOSFET/IGBT-Oszillatorschaltung für parallelgespeiste Leistungsoszillatoren.
Die Druckschrift US 5 030 928 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation eines Radiofrequenzsignals mit digitalen Daten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsvorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung bereitzustellen, welche kompakt, robust und zuverlässig ist. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsvorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung bereitzustellen, welche keine dezidierte Datenübertragungsstrecke bzw. zusätzliche Funkübertragungseinrichtung benötigt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie des nebengeordneten Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung, umfassend:

- einen Auto-Resonanz-Wechselrichter mit einem ersten Schwingkreisschalter, einem zweiten Schwingkreisschalter, einer Schwingkreiskapazität bzw. einem Schwingkreiskondensator und einer Schwingkreisinduktivität bzw. einer Schwingkreisspule zum induktiven Übertragen der Energie und der Daten an eine Sekundärspule;
- eine erste Frequenzmodulationsschalteinheit, welche parallel zu dem ersten Schwingkreisschalter geschaltet ist und einen ersten Frequenzmodulationsschalter aufweist; und
- eine zweite Frequenzmodulationsschalteinheit, welche parallel zu dem zweiten Schwingkreisschalter geschaltet ist und einen zweiten Frequenzmodulationsschalter aufweist; und
- eine Logikschaltung zum Ansteuern der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit auf Basis eines ersten und zweiten schaltungsinternen Steuersignals sowie auf Basis zumindest eines Datensignals, welches die zu übertragenden Daten repräsentiert;

Unter einem Auto-Resonanz-Wechselrichter wird im Sinne dieser Erfindung eine elektronische Vorrichtung bzw. Schaltung verstanden, die mittels eines autoresonanten Schwingkreises eine Eingangsspannung, insbesondere eine Gleichspannung, in eine Wechselspannung umrichtet. Der Auto-Resonanz-Wechselrichter kann insbesondere ein selbstangeregter Gegentaktwandler sein.
Der Auto-Resonanz-Wechselrichter umfasst eine Schwingkreisspule und einen Schwingkreiskondensator zum Ausbilden eines Schwingkreises. Die Schwingkreisspule ist vorzugsweise die Primärspule einer Übertragungsstrecke, welche von der Schaltungsvorrichtung umfasst sein kann. Diese Primärspule bzw. primäre Schwingkreisspule kann Energie sowie Daten an eine Sekundärspule der Übertragungsstrecke übertragen.
Der Auto-Resonanz-Wechselrichter umfasst ferner einen ersten Schwingkreisschalter, welcher vorzugsweise einen ersten Schwingkreistransistor bzw. einen ersten Schwingkreis-MOSFET umfasst bzw. ein solcher ist. Ferner umfasst der Auto-Resonanz-Wechselrichter einen zweiten Schwingkreisschalter, welcher vorzugsweise einen zweiten Schwingkreistransistor bzw. einen zweiten Schwingkreis-MOSFET umfasst bzw. ein solcher ist.
Der erste Schwingkreisschalter wird vorzugsweise von einem schaltungsinternen ersten Steuersignal gesteuert bzw. geschaltet, d.h. geöffnet und/oder geschlossen. Entsprechend wird der zweite Schwingkreisschalter vorzugsweise von einem schaltungsinternen zweiten Steuersignal gesteuert bzw. geschaltet.
Unter einem schaltungsinternen Steuersignal wird allgemein ein Steuersignal und insbesondere eine Steuerspannung bzw. eine Gate-Spannung verstanden, welche von der Schaltungsvorrichtung bzw. von dem Auto-Resonanz-Wechselrichter selbst, d.h. schaltungsintern, erzeugt wird.
Insbesondere ist das erste und zweite schaltungsinterne Steuersignal jeweils ein periodisches Steuersignal, mit dem ein durch die Schwingkreisspule und den Schwingkreiskondensator ausgebildeter Schwingkreis des Auto-Resonanz-Wechselrichters über den ersten und zweiten Schwingkreisschalter angeregt werden kann. Der Schwingkreiskondensator ist vorzugsweise parallel zu der Schwingkreisspule geschaltet.
Das zweite Steuersignal ist vorzugsweise derart beschaffen, dass es sich im Gegen- bzw. Wechseltakt zum ersten Steuersignal befindet. Insbesondere ist der Auto-Resonanz-Wechselrichter ausgelegt, dass der erste Schwingkreisschalter im Gegen- bzw. Wechseltakt zum zweiten Schwingkreisschalter gesteuert bzw. geschalten wird. Mit anderen Worten ist der zweite Schwingkreisschalter offen, wenn der erste Schwingkreisschalter geschlossen ist. Entsprechend ist der zweite Schwingkreisschalter geschlossen, wenn der erste Schwingkreisschalter offen ist.
Die erste Frequenzmodulationsschalteinheit ist parallel zu dem ersten Schwingkreisschalter geschaltet. Entsprechend ist auch die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit parallel zu dem zweiten Schwingkreisschalter geschaltet.
Auf diese Weise wird erreicht, dass bei geschlossenem ersten Schwingkreisschalter, und damit bei offenem zweiten Schwingkreisschalter, die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet ist, und dass bei geschlossenem zweiten Schwingkreisschalter, und damit bei offenem ersten Schwingkreisschalter, die erste Frequenzmodulationsschalteinheit parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet ist.
Mit anderen Worten umfasst die Schaltungsvorrichtung eine erste Frequenzmodulationsschalteinheit und eine zweite Frequenzmodulationsschalteinheit, welche derart mit dem Autoresonanz-Wechselrichter verbunden sind, dass bei geschlossenem ersten Schwingkreisschalter, und damit bei offenem zweiten Schwingkreisschalter, die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet ist, und wobei bei geschlossenem zweiten Schwingkreisschalter, und damit bei offenem ersten Schwingkreisschalter, die erste Frequenzmodulationsschalteinheit parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet ist.
Mit Hilfe der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit ist es in effektiver Weise möglich, die Kapazität des Schwingkreises zu ändern. Durch die Änderung der Kapazität ändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und somit auch die Frequenz der Leistungsübertragung. Diese Frequenzänderung kann auf einer Sekundärseite der Schaltungsvorrichtung detektiert werden. Die zusätzliche Datenübertragung kann somit durch eine Modulation der Energieübertragung bzw. einer Modulation der Schwingkreis- bzw. Übertragungsfrequenz parallel bzw. simultan zur Energieübertragung erfolgen. Die Datenübertragung kann also vorteilhafterweise über die Strecke der Energieübertragung erfolgen, so dass keine dezidierte Datenübertragungsstrecke bzw. eine separate Funkübertragungseinrichtung notwendig ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung beruht insbesondere darauf, nicht direkt einen zuschaltbaren Kondensator bzw. eine zuschaltbare Kapazität parallel zum Schwingkreiskondensator bzw. zur Schwingkreiskapazität zu schalten, sondern für die positive und negative Halbwelle einer Schwingung des Schwingkreises getrennt zwei Frequenzmodulationsschalteinheiten vorzusehen. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise erreicht, dass für ein spannungsfreies Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Schwingkreiskapazitäten bzw. Resonanzfrequenzen eine halbe Schwingungsperiode Zeit bleibt. Etwaige Kurzschluss- bzw. Ausgleichsströme, die bei einem Schalten zum falschen Zeitpunkt auftreten können, können somit vorteilhafterweise vermieden werden. Dies führt unter anderem dazu, dass die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen für eine simultane Energie- und Datenübertragung bei einem relativ geringen Materialaufwand robuster und zuverlässiger ist.
Zudem kann mit Hilfe der beiden Frequenzmodulationsschalteinheiten im Vergleich zu einer einfachen parallelen Zuschaltung eines Kondensators zu dem Schwingkreiskondensator des Auto-Resonanz-Wechselrichters vorteilhafterweise eine Potentialtrennung für die Steuerung eines Schalters zum Zuschalten des zusätzlichen Kondensators vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Frequenzmodulationsschalteinheit eine erste Frequenzmodulationskapazität bzw. einen ersten Frequenzmodulationskondensator und einen zu der ersten Frequenzmodulationskapazität bzw. dem ersten Frequenzmodulationskondensator in Reihe geschalteten ersten Frequenzmodulationsschalter, insbesondere einen ersten Frequenzmodulationstransistor bzw. einen ersten Frequenzmodulations-MOSFET, auf. Weiterhin weist vorzugsweise die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit eine zweite Frequenzmodulationskapazität bzw. einen zweiten Frequenzmodulationskondensator und einen zu der zweiten Frequenzmodulationskapazität bzw. dem zweiten Frequenzmodulationskondensator in Reihe geschalteten zweiten Frequenzmodulationsschalter, insbesondere einen zweiten Frequenzmodulationstransistor bzw. einen zweiten Frequenzmodulations-MOSFET auf.
Der erste Frequenzmodulationskondensator kann durch Schließen des ersten Frequenzmodulationsschalters parallel zu dem ersten Schwingkreisschalter geschaltet werden. Ist der erste Schwingkreisschalter offen und der zweite Schwingkreisschalter geschlossen, so ist bei geschlossenem ersten Frequenzmodulationsschalter der erste Frequenzmodulationskondensator parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet. Durch diese Parallelschaltung wird die Kapazität des Schwingkreises im Vergleich zur Kapazität des Schwingkreiskondensators verändert.
Entsprechend kann durch Schließen des zweiten Frequenzmodulationsschalters der zweite Frequenzmodulationskondensator parallel zu dem zweiten Schwingkreisschalter geschaltet werden. Ist der zweite Schwingkreisschalter offen und der erste Schwingkreisschalter geschlossen, so ist bei geschlossenem zweiten Frequenzmodulationsschalter der zweite Frequenzmodulationskondensator parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet. Durch diese Parallelschaltung wird die Kapazität des Schwingkreises im Vergleich zur Kapazität des Schwingkreiskondensators verändert.
Auf diese Weise können verschiedene Resonanzfrequenzen des Auto-Resonanz-Wechselrichters eingestellt werden. Die verschiedenen Resonanzfrequenzen können insbesondere als Zustände zur digitalen Kodierung von Daten bzw. Information verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Anschluss des ersten Schwingkreisschalters, ein Anschluss des zweiten Schwingkreisschalters, ein Anschluss des ersten Frequenzmodulationsschalters und ein Anschluss des zweiten Frequenzmodulationsschalters jeweils mit einem Referenzpotential bzw. mit Masse verbunden. Insbesondere ist ein Drain oder Source Anschluss der jeweiligen Schalter bzw. Transistoren mit dem Referenzpotential verbunden. Somit kann vorteilhafterweise eine aufwendige Potentialtrennung vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Auto-Resonanz-Wechselrichter eine Royer-Schaltungstruktur auf. Insbesondere ist der Auto-Resonanz-Wechselrichter ein selbstangeregter Gegentaktwandler mit einer Royer-Schaltungsstruktur. Vorzugsweise ist der Auto-Resonanz-Wechselrichter eine Royer-Schaltung bzw. ein Royer-Converter. Folglich kann die Schaltungsvorrichtung bzw. der Auto-Resonanz-Wechselrichter sämtliche weitere Bauteile und/oder Schalteinheiten bzw. Schaltkreise einer klassischen oder weiterentwickelten Royer-Schaltung aufweisen. Beispielsweise kann die Schaltungsvorrichtung bzw. der Auto-Resonanz-Wechselrichter ferner eine Drosselspule bzw. einen gedämpften Induktor aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die Kapazität des ersten Frequenzmodulationskondensators im Wesentlichen der Kapazität des zweiten Frequenzmodulationskondensators. Somit können im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwingkreiskapazitäten bzw. Resonanzfrequenzen realisiert werden, nämlich eine erste Schwingkreiskapazität, welche der Kapazität des Schwingkreiskondensators entspricht und einer zweiten Schwingkreiskapazität, welche sich aus einer Parallelschaltung des Schwingkreiskondensators mit dem ersten Frequenzmodulationskondensator bzw. aus einer Parallelschaltung des Schwingkreiskondensators mit dem zweiten Frequenzmodulationskondensator ergibt.
Diese zwei unterschiedlichen Schwingkreiskapazitäten bzw. Resonanzfrequenzen können zwei Zustände repräsentieren, so dass damit eine digitale Datenübertragung über die induktiv gekoppelte Energieübertragungsstrecke genutzt werden kann. Dabei bietet, wie bereits erwähnt, die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung den Vorteil, dass für die positive und negative Halbwelle getrennt zwei Kondensatoren, nämlich der erste und der zweite Frequenzmodulationskondensator, vorgesehen sind. Somit bleibt vorteilhafterwiese zur spannungsfreien Umschaltung der Schwingkreiskapazität jeweils eine halbe Periode Zeit.
Vorzugsweise ist die Kapazität des ersten und/oder zweiten Frequenzmodulationskondensators kleiner als die Kapazität des Schwingkreiskondensators. Besonders bevorzugt beträgt die Kapazität des ersten und/oder zweiten Frequenzmodulationskondensators etwa 1% bis 5% der Kapazität des Schwingkreiskondensators. Somit ist die Änderung der Resonanzfrequenz und damit der Übertragungsfrequenz nur gering, was sich insbesondere positiv hinsichtlich der Blindleistung auswirkt. Dennoch ist die Änderung der Resonanzfrequenz ausreichend groß, um sie zum Zwecke der Datenübertragung auf der Sekundärseite zu detektieren. Beispielsweise hat der Schwingkreiskondensator eine Kapazität von 110 nF und der erste und/oder zweite Frequenzmodulationskondensator eine Kapazität von 5 nF. Somit kann durch Zuschalten des ersten oder zweiten Frequenzmodulationskondensators die Schwingkreiskapazität von 110 nF auf 115 nF ansteigen. Die Induktivität der Schwingkreisspule kann z.B. 20 µH betragen. Somit ergibt sich eine Resonanz- bzw. Übertragungsfrequenz in der Größenordnung von 100 kHz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist sowohl der erste als auch der zweite Frequenzmodulationsschalter ausgelegt, um auf Basis zumindest eines Datensignals bzw. Zustandssignals geschaltet, d.h. geöffnet oder geschlossen, zu werden. Das zumindest eine Datensignal repräsentiert, beinhaltet oder generiert die zu übertragenden Daten. Vorzugsweise kann das zumindest eine Datensignal zwei Zustände repräsentieren, wovon einer z.B. einer digitalen Null und der andere einer digitalen Eins zugeordnet ist. Insbesondere umfasst das zumindest eine Datensignal eine zeitliche Abfolge bzw. eine Sequenz von Zustandssignalen, welche die Frequenzmodulationsschalter steuern bzw. schalten.
Die Sequenz von Zustandssignalen kann die zu übertragenen Daten bzw. die zu übertragende Information repräsentieren. Vorzugsweise ist bzw. umfasst das zumindest eine Daten- bzw. Zustandssignal ein Spannungssignal, insbesondere eine Steuerspannung bzw. eine Gate-Spannung, mit der der erste und zweite Frequenzmodulationsschalter gesteuert bzw. geschalten werden kann.
Die Schaltungsvorrichtung umfasst ferner eine Logikschaltung zum Ansteuern der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit bzw. des ersten und des zweiten Frequenzmodulationsschalters auf Basis des ersten und zweiten schaltungsinternen Steuersignals sowie auf Basis des zumindest einen Datensignals.
Das erste und zweite schaltungsinterne Steuersignal werden, wie bereits weiter oben beschrieben, von der Schaltungsvorrichtung bzw. von dem Auto-Resonanz-Wechselrichter selbst, d.h. schaltungsintern, erzeugt. Insbesondere dient das erste schaltungsinterne Steuersignal zum Steuern des ersten Schwingkreisschalters, während das zweite schaltungsinterne Steuersignal zum Steuern des zweiten Schwingkreisschalters dient. Das zumindest eine Datensignal repräsentiert die zu übertragenen Daten. Vorzugsweise umfasst das zumindest eine Datensignal ein erstes und ein zweites Datensignal.
Die Logikschaltung umfasst ein erstes Flipflop, insbesondere ein D-Flipflop, zum Ansteuern des ersten Frequenzmodulationsschalters und ein zweites Flipflop, insbesondere ein D-Flipflop, zum Ansteuern des zweiten Frequenzmodulationsschalters.
Die Logikschaltung weist einen ersten Gate-Treiber zum Ansteuern eines Gate-Anschlusses des ersten Frequenzmodulationsschalters und einen zweiten Gate-Treiber zum Ansteuern eines Gate-Anschlusses des zweiten Frequenzmodulationsschalters auf. Ferner ist das erste Flipflop ausgelegt, ein erstes Datensignal bei einer steigenden Flanke des ersten schaltungsinternen Steuersignals an den ersten Gate-Treiber weiterzureichen. Entsprechend ist das zweite Flipflop ausgelegt, ein zweites Datensignal bei einer steigenden Flanke des zweiten schaltungsinternen Steuersignals an den zweiten Gate-Treiber weiterzureichen.
Das erste und zweite Datensignal können identisch sein. Mit anderen Worten können die Flipflops ein und dasselbe Datensignal an die jeweiligen Gate-Treiber weiterreichen.
Vorzugsweise unterscheidet sich jedoch das erste Datensignal von dem zweiten Datensignal. Weiter vorzugsweise sind das erste und zweite Datensignal voneinander unabhängig. Somit kann eine stabilere Datenübertragung, selbst bei leistungsbedingten Schwankungen der Resonanzfrequenz, erreicht werden.
Mit Hilfe der Logikschaltung ist es in einfacher Weise möglich, dass der erste und zweite Frequenzmodulationskondensator mit Hilfe des ersten und zweiten Datensignals jederzeit zugeschaltet oder abgeschaltet werden kann. Folglich können mit Hilfe des ersten und zweiten Datensignals zusätzlich zur Energieübertragung auch Daten bzw. Information induktiv von der primären Schwingkreisspule auf eine sekundäre Spule, d.h. von der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung, welche einen Primärkreis darstellt, zu einem Sekundärkreis, übertragen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste Frequenzmodulationsschalteinheit eine Kaskade, d.h. eine Vielzahl, von ersten Frequenzmodulationskondensatoren mit jeweils zugehörigen ersten Frequenzmodulationsschaltern auf. Entsprechend weist die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit eine Kaskade, d.h. eine Vielzahl, von zweiten Frequenzmodulationskondensatoren mit jeweils zugehörigen zweiten Frequenzmodulationsschaltern auf.
Vorzugsweise sind die ersten Frequenzmodulationsschalter erste Frequenzmodulationstransistoren bzw. erste Frequenzmodulations-MOSFETs. Weiter vorzugsweise sind die zweiten Frequenzmodulationsschalter zweite Frequenzmodulationstransistoren bzw. zweite Frequenzmodulations-MOSFETs.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung;
- Bereitstellen zumindest eines Datensignals, welches die zu übertragenen Daten repräsentiert; und
- Ansteuern der ersten Frequenzmodulationsschalteinheit und der zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit auf Basis des zumindest einen Datensignals.

Vorzugsweise werden der erste und der zweite Frequenzmodulationsschalter auf Basis des zumindest einen Datensignals angesteuert. Besonders bevorzugt werden der erste Frequenzmodulationsschalter auf Basis eines ersten Datensignals und der zweite Frequenzmodulationsschalter auf Basis eines zweiten Datensignals angesteuert. Insbesondere werden die erste Frequenzmodulationskapazität bzw. der erste Frequenzmodulationskondensator über den ersten Frequenzmodulationsschalter und die zweite Frequenzmodulationskapazität bzw. der zweite Frequenzmodulationskondensator über den zweiten Frequenzmodulationsschalter aktiviert bzw. deaktiviert, d.h. parallel zu dem ersten bzw. zweiten Schwingkreisschalter geschaltet oder vom ersten bzw. zweiten Schwingkreisschalter weggeschaltet.
Für den oben genannten weiteren unabhängigen Aspekt und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen des ersten Aspekts. Insbesondere gelten auch für den ersten unabhängigen Aspekt der vorliegenden Erfindung und für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen auch die vor- und nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen des oben genannten weiteren unabhängigen Aspekts.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
Figurenliste

1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen Royer-Converters;
2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines modifizierten Royer-Converters mit einstellbarer Schwingkreiskapazität;
3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4a zeigt ein Schaltbild einer Logikschaltung zur Ansteuerung der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
4b zeigt ein Schaltbild einer Logikschaltung zur Ansteuerung der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
5 zeigt ein beispielhaftes Übertragungssignal, welches durch zwei unabhängige Datensignale erzeugt wurde;
6a zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf der Spannung U_D1 über den ersten Schwingkreisschalter Q1;
6b zeigt einen idealen zeitlichen Verlauf der ersten Steuer- bzw. Gate-Spannung U_GS1 zur Steuerung des ersten Schwingkreisschalters Q1;
6c zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf der Spannung U_D2 über den zweiten Schwingkreisschalter Q2;
6d zeigt den idealen zeitlichen Verlauf der zweiten Steuer- bzw. Gate-Spannung U_GS2 zur Steuerung des zweiten Schwingkreisschalters Q2;
7 zeigt gemessene Spannungsverläufe der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung für einen typischen Umschaltvorgang mit Frequenzänderung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen Royer-Converters 50. Der Royer-Converter 50 ist ein selbstgesteuerter Wechselrichter bzw. ein Auto-Resonanz-Wechselrichter, welcher 1954 von Howard Royer entwickelt wurde.
Der Royer-Converter 50 weist eine Schwingkreisspule L1 und einen Schwingkreiskondensator C1 auf, welche parallel zueinander geschaltet sind und zusammen einen Schwingkreis ausbilden. Die Schwingkreisspule L1 ist Bestandteil einer Übertragungsstrecke 10 und nimmt die Funktion einer Primärspule ein. Die Übertragungsstrecke 10 weist zusätzlich zur primären Schwingkreisspule L1 noch eine weitere Spule, die Sekundärspule L2, auf. Mit Hilfe der Übertragungsstrecke 10 kann Energie von der Primärspule L1 auf die Sekundärspule L2, d.h. von einem Primärkreis auf einen Sekundärkreis, übertragen werden.
Ferner weist der Royer-Converter 50 zwei Schalter bzw. Transistoren Q1 und Q2 auf, die wechselseitig, d.h. im Gegentaktbetrieb, geschaltet sind, so dass abwechselnd die eine und die andere Spulenhälfte der Schwingkreisspule L1 von Strom durchflossen wird. Die Royer-Schaltung ist selbstschwingend, d.h. die Steuersignale bzw. Gate-Signale S1 und S2 für die Transistoren Q1 und Q2 werden direkt aus der Schaltung bzw. der Übertragungsstrecke 10 der Schaltung zurückgewonnen. Die Steuersignale S1 und S2 werden also schaltungsintern, insbesondere über die weiteren Transistoren Q3 und Q4, die Widerstände R0 bis R4, dem Kondensator C0 und der Zenerdiode R_ZD, erzeugt. Damit schwingt die Schaltung immer optimal auf Resonanz, ohne Abgleich von Bauteiltoleranzen und auch bei Alterung oder Temperaturänderung.
Da der Schwingkreis mit Hilfe der Schalter bzw. Transistoren Q1 und Q2 angeregt wird, werden die Schalter Q1 und Q2 im Sinne dieser Erfindung auch als erster und zweiter Schwingkreisschalter bezeichnet. Vorzugsweise sind diese Schwingkreisschalter MOSFETs mit einem Source-, Drain- und Gate-Anschluss, wobei die Steuersignale bzw. Gate-Spannungen S1 und S2 jeweils zu dem Gate-Anschluss des zugehörigen MOSFETs geführt sind bzw. daran anliegen.
Die Frequenz der Energieübertragung wird durch die Induktivität der Schwingkreisspule L1 und die Kapazität des Schwingkreiskondensators C1 bestimmt. Die Drosselspule L_DR sorgt dafür, dass die Eingangs- bzw. Betriebsspannung U_IN,DC von der Mittelanzapfung der Schwingkreisspule L1 entkoppelt wird. Die Drosselspule L_DR wirkt als Konstantstromquelle.
Um die primärseitige Kapazität zu ändern, kann ein zusätzlicher Kondensator parallel zu dem Schwingkreiskondensator C1 zugeschaltet werden. Dies ist in der 2 illustriert, welche ein vereinfachtes Schaltbild eines modifizierten Royer-Converters 80 zeigt. Zur Vereinfachung wurde in dem Schaltbild der interne Schaltkreis, mit dem die Steuersignale S1 und S2 erzeugt werden und welcher in einer beispielhaften Ausführung in der 1 gezeigt ist, weggelassen.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, weist die modifizierte Royer-Schaltung 80 zusätzlich zu dem Schwingkreiskondensator C1 noch einen weiteren Kondensator CM1 auf. Dieser weitere Kondensator CM1, welcher vorzugsweise eine kleinere Kapazität als der Schwingkreiskondensator aufweist, ist über einen zusätzlichen Schalter bzw. Transistor QM1 parallel zum Schwingkreiskondensator C1 zuschaltbar.
Wird der Schalter QM1 geschlossen und somit der Kondensator CM1 parallel zum Schwingkreiskondensator C1 geschaltet, so ändert sich die Schwingkreiskapazität und damit auch die Resonanzfrequenz des autoresonanten Schwingkreises des Wechselrichters bzw. Royer-Converters 80. Der zusätzliche Kondensator CM1 wird daher im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als Frequenzmodulationskondensator bezeichnet. Entsprechend wir der zugehörige Schalter QM1 als Frequenzmodulationsschalter bezeichnet.
Ein Nachteil der in der 2 dargestellten modifizierten Royer-Schaltung zur Energie- und Datenübertragung, besteht jedoch darin, dass das Gate des Leistungsschalters QM1 gegenüber einem springenden bzw. das Vorzeichen wechselnden Source-Drain-Potential wirkt und somit potentialgetrennt angesteuert werden muss. Außerdem muss der Leistungsschalter immer genau im Nulldurchgang der Spannung an den Kondensatoren geschaltet werden, um Ausgleichs- bzw. Kurzschlussströme zu vermeiden. Dies erfordert eine sehr komplizierte und aufwändige Ansteuerung und somit insgesamt eine sehr komplizierte und aufwändige Schaltungsanordnung.
Um diese Nachteile zu überwinden, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine andere Lösung vorgeschlagen, welche in der 3 veranschaulicht ist.
Die 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungsvorrichtung 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der 2 wurde auch in dem Schaltbild der 3 der interne Schaltkreis, mit dem die Steuersignale S1 und S2 erzeugt werden und welcher in einer beispielhaften Ausführung in der 1 gezeigt ist, weggelassen.
Im Vergleich zu der modifizierten Royer-Schaltung der 2, in der lediglich ein zusätzlicher Kondensator unmittelbar parallel zum Schwingkreiskondensator geschaltet werden kann, weist die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung der 3 eine erste Frequenzmodulationsschalteinheit 13a und eine zweite Frequenzmodulationsschalteinheit 13b auf.
Die erste Frequenzmodulationsschalteinheit 13a, welche einen ersten Frequenzmodulationskondensator CM1 und einen dazu in Reihe geschalteten zugehörigen ersten Frequenzmodulationsschalter QM1 umfasst, ist parallel zum Schwingkreisschalter Q1 geschaltet. Entsprechend ist die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit 13b, welche einen zweiten Frequenzmodulationskondensator CM2 und einen dazu in Reihe geschalteten zugehörigen zweiten Frequenzmodulationsschalter QM2 umfasst, parallel zum Schwingkreisschalter Q2 geschaltet.
Somit kann durch Schließen bzw. Öffnen des ersten Frequenzmodulationsschalters QM1 der ersten Frequenzmodulationskondensator CM1 parallel zu dem ersten Schwingkreisschalter Q1 hinzugeschaltet bzw. weggeschaltet werden. Entsprechend kann durch Schließen bzw. Öffnen des zweiten Frequenzmodulationsschalters QM2 der zweite Frequenzmodulationskondensator CM2 parallel zu dem zweiten Schwingkreisschalter Q2 hinzugeschaltet bzw. weggeschaltet werden.
Wie aus der 3 hervorgeht, ist ein Anschluss des ersten Schwingkreisschalters Q1, ein Anschluss des zweiten Schwingkreisschalters Q2, ein Anschluss des ersten Frequenzmodulationsschalters QM1 und ein Anschluss des zweiten Frequenzmodulationsschalters QM2 mit einem Referenzpotential bzw. mit Masse verbunden. Insbesondere ist jeweils ein Source- oder Drain-Anschluss der jeweiligen Schalter mit Masse verbunden.
Die Eingangsspannung U_IN der Schaltungsvorrichtung liegt zwischen einem Mittelabgriff der Schwingkreisspule L1 und dem Referenzpotential an. Dabei ist eine Drosselspule L_DR zwischen dem Eingangsspannungspotential und dem Mittelabgriff der Schwingkreisspule L1 geschaltet.
Der erste Frequenzmodulationskondensator CM1 ist zwischen dem ersten Frequenzmodulationsschalter QM1 und einem ersten Anschluss bzw. einer ersten Wicklung der Schwingkreisspule L1 geschaltet. Entsprechend ist der zweite Frequenzmodulationskondensator CM1 zwischen dem zweiten Frequenzmodulationsschalter QM2 und einem zweiten Anschluss bzw. einer zweiten Wicklung der Schwingkreisspule L1 geschaltet. Mit anderen Worten ist ein erster Anschluss des ersten Frequenzmodulationskondensators CM1 mit einem Anschluss, insbesondere einem Source- oder Drain-Anschluss, des ersten Frequenzmodulationsschalters QM1 verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Frequenzmodulationskondensators CM1 ist mit dem ersten Anschluss der Schwingkreisspule L1 bzw. mit der ersten Wicklung der Schwingkreisspule L2 verbunden. Entsprechend ist ein erster Anschluss des zweiten Frequenzmodulationskondensators CM1 mit einem Anschluss, insbesondere einem Source- oder Drain-Anschluss, des zweiten Frequenzmodulationsschalters QM1 verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Frequenzmodulationskondensators CM1 ist mit dem zweiten Anschluss der Schwingkreisspule L1 bzw. mit der zweiten Wicklung der Schwingkreisspule L2 verbunden.
Ferner ist in der erfindungsgemäßen Schaltung der 3 ein Anschluss, insbesondere ein Source- oder Drain-Anschluss, des ersten Schwingkreisschalters Q1 sowohl mit dem zweiten Anschluss des ersten Frequenzmodulationskondensators CM1 als auch mit dem ersten Anschluss der Schwingkreisspule L1 und zusätzlich mit einem ersten Anschluss des Schwingkreiskondensators C1 verbunden. Entsprechend ist ein Anschluss, insbesondere ein Source- oder Drain-Anschluss, des zweiten Schwingkreisschalters Q2 sowohl mit dem zweiten Anschluss des zweiten Frequenzmodulationskondensators CM2 als auch mit dem zweiten Anschluss der Schwingkreisspule L1 und zusätzlich mit einem zweiten Anschluss des Schwingkreiskondensators C1 verbunden.
Wie aus dem Schaltbild der 3 ersichtlich ist, ist für den Fall, dass der erste Schwingkreisschalter Q1 offen und damit der zweite Schwingkreisschalter Q2 geschlossen ist, die erste Frequenzmodulationseinheit 13a parallel zum Schwingkreiskondensator C1 geschaltet. Ist dazu auch noch der erste Frequenzmodulationsschalter QM1 geschlossen, so ist der erste Frequenzmodulationskondensator CM1 parallel zum Schwingkreiskondensator C1 geschaltet. Entsprechend ist für den Fall, dass der erste Schwingkreisschalter Q1 geschlossen und damit der zweite Schwingkreisschalter Q2 offen ist, die zweite Frequenzmodulationseinheit 13b parallel zum Schwingkreiskondensator C1 geschaltet. Ist dazu auch noch der zweite Frequenzmodulationsschalter QM2 geschlossen, so ist der zweite Frequenzmodulationskondensator CM2 parallel zum Schwingkreiskondensator C1 geschaltet.
Auf diese Weise ist es möglich, in jeder Halbperiode der Schwingung die Schwingkreiskapazität und damit die Resonanzfrequenz durch Hinzuschalten bzw. Wegschalten des ersten und zweiten Frequenzmodulationskondensators QM1 und QM2 zu ändern.
Die vorliegende Erfindung beruht also insbesondere darauf, die zuschaltbare Kapazität nicht direkt parallel zur Haupt-Kapazität zu schalten, wie es in der 2 gezeigt ist, sondern für die positive und negative Halbwelle getrennt zwei Kapazitäten vorzusehen. Damit bleibt zur Umschaltung der Kapazität jeweils eine halbe Periode Zeit, um spannungsfrei umzuschalten. Eine detailliertere Beschreibung des Umschaltvorgangs findet sich weiter unten in Verbindung mit den 6 und 7.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung der 3 im Vergleich zu der einfacheren Schaltung der 2 ist, dass der Source- oder Drain-Anschluss der Leistungsschalter QM1 und QM2 auf dem Null-Potential bzw. auf Masse liegt. Somit kann vorteilhafterweise für die Gate-Ansteuerung eine Potentialtrennung, wie es in der Schaltung der 2 erforderlich ist, entfallen.
Die Steuerung bzw. das Umschalten des ersten bzw. zweiten Frequenzmodulationsschalters QM1 und QM2 kann auf Basis des schaltungsintern erzeugten Steuersignals S1 bzw. S2 und auf Basis zumindest eines Datensignals erfolgen, wobei mit Hilfe des zumindest einen Datensignals Daten bzw. Informationen von der Schwingkreisspule L1 zu der Sekundärspule L2 (in der 3 nicht gezeigt) induktiv übertragen werden können.
Um zu gewährleisten, dass der Umschaltzeitpunkt der Schalter spannungsfrei erfolgt kann eine in der 4a dargestellte Logikschaltung 90 verwendet werden. Damit können die Frequenzmodulationskondensatoren CM1 und CM2 mit Hilfe eines Datensignals E jederzeit zugeschaltet oder weggeschaltet werden, ohne dass Ausgleichsströme auftreten. Es können also im dargestellten Fall zwei Zustände und somit eine digitale Übertragung von Daten realisiert werden. Es ist auch möglich, eine Vielzahl bzw. eine Kaskade von Kondensatoren zuschaltbar anzubringen, um mehr als zwei Zustände zu ermöglichen.
Die Logikschaltung 90 umfasst zur Ansteuerung des ersten Frequenzmodulationsschalters QM1 ein erstes D-Flipflop D1 und einen ersten Gate-Treiber T1. Zur Ansteuerung des zweiten Frequenzmodulationsschalters QM2 umfasst die Logikschaltung 90 ferner ein zweites D-Flipflop D2 und einen zweiten Gate-Treiber T2. Die D-Flipflops D1 und D2 weisen jeweils einen Dateneingang D und einen Takteingang auf, der in der 4 durch das Symbol „<“ gekennzeichnet ist.
Am Dateneingang D liegt bei beiden Flipflops D1 und D2 jeweils das Datensignal E an. Das Datensignal E bestimmt jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt, ob der Frequenzmodulationskondensator CM1 bzw. der Frequenzmodulationskondensator CM2 zu dem Schwingkreiskondensator C1 zugeschaltet werden soll oder nicht. Das Datensignal definiert somit zu einem bestimmten Zeitpunkt über die sich durch die jeweilige Schwingkreiskapazität einstellende Resonanzfrequenz einen bestimmten Zustand. Eine zeitliche Abfolge bzw. Sequenz solcher Zustände bzw. Resonanzfrequenzen kann eine Information darstellen, welche von der Schwingkreisspule L1 zu der Sekundärspule L2 induktiv übertragen werden kann. Auf der Sekundärseite können die Resonanzfrequenzen und damit die übermittelten Zustände detektiert bzw. ausgelesen werden.
Am Takteingang des ersten Flipflops D1 liegt das erste Steuersignal S1 bzw. die Gate-Spannung U_GS1 für den ersten Schwingkreisschalter Q1 an. Am Takteingang des zweiten Flipflops D2 liegt das zweite Steuersignal S2 bzw. die Gate-Spannung U_GS2 für den zweiten Schwingkreisschalter Q2 an. Insbesondere ist der Gate-Anschluss des ersten Schwingkreisschalters bzw. Schwingkreis-MOSFETs Q1 mit dem Takteingang D des ersten Flipflops D1 verbunden. Entsprechend ist der Gate-Anschluss des zweiten Schwingkreisschalters bzw. Schwingkreis-MOSFETs Q2 mit dem Takteingang D des zweiten Flipflops D2 verbunden.
Der Ausgang Q des ersten Flipflops D1 ist über den ersten Gate-Treiber T1 mit dem ersten Frequenzmodulationsschalter QM1 bzw. mit dessen Gate-Anschluss verbunden. Entsprechend ist auch der Ausgang Q des zweiten Flipflops D2 über den zweiten Gate-Treiber T2 mit dem zweiten Frequenzmodulationsschalter QM2 bzw. mit dessen Gate-Anschluss verbunden.
Im Ersatzschaltbild der 4 liegt zwischen den Punkten A und B die in der 3 dargestellte Spannung U1 an. U_D1 kennzeichnet die Spannung über den ersten Schwingkreisschalter Q1 und U_D2 kennzeichnet die Spannung über den zweiten Schwingkreisschalter Q2. Die Flipflops D1 und D2 reichen das anliegende Zustandssignal E bei steigender Taktflanke der Steuerspannung S1 bzw. S2 an die Treiber T1 bzw. T2 weiter. Die Treiber T1 bzw. T2 steuern die in der 3 dargestellten Schalter QM1 und QM2 an.
Die 4b zeigt eine Logikschaltung zur Ansteuerung der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Dabei unterscheidet sich die in der 4b dargestellte Logikschaltung von der Logikschaltung der 4a lediglich dadurch, dass anstelle eines einzigen Datensignals E zwei voneinander unabhängige Datensignale E und F verwendet werden. Dabei liegt am Dateneingang D des ersten Flipflops D1 ein erstes Datensignal E an, während am Dateneingang D des zweiten Flipflops D2 ein zweites Datensignal F anliegt.
Eine Datenübertragung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Steuersignale S1 und S2 ausgelesen werden. Mit dem Wissen, dass das Datensignal E bzw. F immer bei einer positiven Flanke von S1 bzw. S2 an den jeweiligen Gate-Treiber K1 bzw. K2 weitergeleitet wird, wird das Datensignal E bzw. F immer eine viertel Periode vor der steigenden Flanke von S1 bzw. S2 geändert (sofern es geändert werden soll). Damit ist gewährleistet, dass sich das Datensignal E bzw. F für jede Periode ändern kann. Das Datensignal F wird um 180° zum Datensignal E verschoben eingelesen und damit auch um 180° verschoben geändert.
Um die Daten auch wieder auslesen zu können, können z.B. die Datensignale E und F derart gewählt werden, dass ein Bit immer eine positive und eine negative Halbwelle umfasst. Zwei unterschiedliche Zustände können nun dadurch bestimmt sein, dass entweder die positive Halbwelle länger als die negative Halbwelle ist oder umgekehrt. In der 5 ist ein beispielhaftes Übertragungssignal dargestellt, welches durch zwei unabhängige Datensignale erzeugt wurde. In diesem Beispiel sind der Zustand „0“ durch eine längere positive Halbwelle und der Zustand „1“ durch eine längere negative Halbwelle definiert.
Eine derartige Kodierung der Daten mittels zwei unabhängigen Datensignalen führt zu einer stabilen Datenübertragung, auch bei leistungsbedingten Schwankungen der Resonanzfrequenz. Es muss lediglich festgelegt bzw. definiert werden, welche Halbwelle auf der Sekundärseite positiv oder negativ ist.
In den 6a bis 6d sind die für die Royer-Schaltung typischen Spannungsverläufe U_D1 und U_D2 über den MOSFETs Q1 und Q2, sowie die idealisierten Gate-Spannungen U_GS1 und U_GS2 dargestellt. T bezeichnet dabei eine Schwingungsperiode und U_IH eine Schwellspannung, bei der der jeweilige Schalter bzw. Transistor umschaltet.
Wie aus den 6a bis 6d hervorgeht, werden der erste und der zweite Schwingkreisschalter Q1 und Q2 im Wechsel- bzw. Gegentakt betrieben. Während z.B. zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ die Gate-Spannung U_GS1 jeweils eine steigende Flanke aufweist, so weist zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ die Gate-Spannung U_GS2 jeweils eine fallende Flanke auf. Weist z.B. die Gate-Spannung U_GS1 einen maximalen Wert auf, so weist die Gate-Spannung U_GS2 einen minimalen Wert, d.h. den Spannungswert 0V, auf, und umgekehrt. Entsprechend befinden sich auch die Source-Drain-Spannungen U_D1 und U_D2 über den ersten und zweiten Schwingkreisschalter Q1 und Q2 im Gegentakt.
Für ein spannungsfreies Schalten darf der gesamte Schaltvorgang maximal eine halbe Periodendauer (T/2) dauern. Die theoretisch maximale Übertragungsfrequenz von Daten ist reziprok zu T/2 und entspricht somit der doppelten Frequenz der klassischen Royer-Schaltung. Es ist anzumerken, dass sich die Frequenz und damit die Periodendauer T durch den Schaltvorgang in Abhängigkeit der Kapazitäten von CM1 bzw. CM2 unmittelbar ändern.
Die 7 zeigt gemessene Spannungsverläufe der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung für einen typischen Umschaltvorgang mit Frequenzänderung. Insbesondere repräsentiert die Kurve K1 die in den 3 und 4a bzw. 4b eingezeichnete Spannung U1, welche über der Schwingkreisspule L1 abfällt. Die Kurve K2 repräsentiert die Gate-Spannung U_GS1, welche am Gate des ersten Schwingkreisschalters Q1 anliegt, und entspricht der Kurve von der 6b. Die Kurve K3 repräsentiert die am zweiten Frequenzmodulationsschalter anliegende Source-Drain-Spannung U_QM2 und entspricht der Kurve von der 6c. Die Kurve K4 repräsentiert das Daten- bzw. Zustandssignal E bzw. U_Data.
Nach Umschalten des Zustandssignals K4 bei etwa 2·10^-5 s wird der Frequenzmodulationskondensator CM1 zugeschaltet, wodurch sich die Frequenz der Schaltung um ca. 15 kHz verkleinert, wie am Verlauf der Kurve K1 deutlich erkennbar ist. Insbesondere nimmt die Periodendauer der Schwingung bei etwa 2,8 · 10^-5 s erkennbar zu.
Es ist anzumerken, dass in der 7 lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht auch noch die Gate-Spannung U_GS2 des zweiten Schwingkreisschalters Q2 und die Source-Drain-Spannung U_QM1 des ersten Frequenzmodulationsschalters QM1 gezeigt ist. Der in der 7 ebenfalls ersichtliche Spannungseinbruch tritt in diesem Maße nur auf, weil die gezeigten Messungen an einem Demonstrationsaufbau durchgeführt wurden, bei dem zu Demonstrationszwecken eine sehr große Frequenzänderung gewünscht ist.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung somit eine Lösung für die kontaktlose Energieübertragung mit zusätzlicher induktiver Datenübertragung bereit. Die Lösung basiert auf einer Modifikation des Primärkreises eines Auto-Resonanz-Wechselrichters bzw. eines Royer-Converters. Insbesondere basiert die vorliegende Erfindung darauf, dass eine primärseitige Kapazität des autoresonanten Schwingkreises geändert wird. Durch die Änderung der Kapazität ändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und somit die Frequenz der Leistungsübertragung. Diese Änderung kann auf der Sekundärseite detektiert werden. Somit wird eine Datenübertragung mit dem energieübertragenden Schaltkreis parallel zur Energieübertragung ohne den zusätzlichen Aufbau einer separaten Datenübertragungsstrecke möglich. Insbesondere können durch eine Modulation der Energieübertragung auf der Sekundärseite zwei Zustände, d.h. zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, detektiert werden, so dass neben der Übertragung von Energie auch eine digitale Datenübertragung induktiv möglich ist.
Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung sind unter anderem eine hohe Robustheit, eine damit verbundene Langlebigkeit, ein niedriger Materialaufwand, eine hohe Zuverlässigkeit sowie die Möglichkeit, die Schaltungsvorrichtung auch an Orten einzusetzen, an denen bekannte Funktechnologien für eine Datenübertragung nicht funktionieren.
Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung existieren z.B. in elektrischen Motoren oder allgemein in Feldanwendungen, bei denen robuste Lösungen benötigt werden.
Bezugszeichenliste

10: Übertragungsstrecke
13a: erste Frequenzmodulationsschalteinheit
13b: zweite Frequenzmodulationsschalteinheit
50: Royer-Schaltung / Royer-Converter
80: Modifizierte Royer-Schaltung
90: Logikschaltung
100: Schaltungsvorrichtung
R0: Widerstand
R1: Widerstand
R2: Widerstand
R3: Widerstand
R4: Widerstand
RZD: Zenerdiode
L1: Schwingkreisinduktivität bzw. Schwingkreisspule / Primärspule
L2: Sekundärspule
LDR: Drosselspule
C0: Kapazität bzw. Kondensator
C1: Schwingkreiskapazität bzw. Schwingkreiskondensator
CM1: erste Frequenzmodulationskapazität bzw. erster Frequenzmodulationskondensator
CM2: zweite Frequenzmodulationskapazität bzw. zweiter Frequenzmodulationskondensator
Q1: erster Schwingkreisschalter / Transistor bzw. MOSFET
Q2: zweiter Schwingkreisschalter / Transistor bzw. MOSFET
Q3: Schalter / Transistor bzw. MOSFET
Q4: Schalter / Transistor bzw. MOSFET
QM1: erster Frequenzmodulationsschalter / Transistor bzw. MOSFET
QM2: zweiter Frequenzmodulationsschalter / Transistor bzw. MOSFET
S1: erstes Steuersignal
S2: zweites Steuersignal
UIN: Eingangsspannung
IIN: Eingangsstrom
I1: Spulenstrom
U1: Spannung an der Schwingkreisspule
UD1: Source-Drain-Spannung des ersten Schwingkreisschalters
UD2: Source-Drain-Spannung des zweiten Schwingkreisschalters
UGS1: Gate-Spannung des ersten Schwingkreisschalters
UGS2: Gate-Spannung des zweiten Schwingkreisschalters
UIH: Schwellenspannung
D1: erstes D-Flipflop
D2: zweites D-Flipflop
D: Dateneingang
E: Datensignal / Zustandssignal
UData: Datensignal / Zustandssignal
Q: Ausgang des Flipflops
T1: erster Gate-Treiber
T2: zweiter Gate-Treiber
T: Schwingungsdauer / Periodendauer
K1: Messkurve
K2: Messkurve
K3: Messkurve
K4: Messkurve

Claims

Schaltungsvorrichtung (100) zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung, umfassend: - einen Auto-Resonanz-Wechselrichter (50) mit einem ersten Schwingkreisschalter (Q1), einem zweiten Schwingkreisschalter (Q2), einer Schwingkreiskapazität (C1) und einer Schwingkreisinduktivität (L1) zum induktiven Übertragen der Energie und der Daten an eine Sekundärspule (L2); - eine erste Frequenzmodulationsschalteinheit (13a), welche parallel zu dem ersten Schwingkreisschalter (Q1) geschaltet ist und einen ersten Frequenzmodulationsschalter (QM1) aufweist; - eine zweite Frequenzmodulationsschalteinheit (13b), welche parallel zu dem zweiten Schwingkreisschalter (Q2) geschaltet ist und einen zweiten Frequenzmodulationsschalter (QM2) aufweist; und - eine Logikschaltung (90) zum Ansteuern der ersten und zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit (13a, 13b) auf Basis eines ersten und zweiten schaltungsinternen Steuersignals (S1, S2) sowie auf Basis zumindest eines Datensignals (E, F), welches die zu übertragenden Daten repräsentiert; wobei die Logikschaltung (90) ein erstes Flipflop (D1) zum Ansteuern des ersten Frequenzmodulationsschalters (QM1) und ein zweites Flipflop (D2) zum Ansteuern des zweiten Frequenzmodulationsschalters (QM2) umfasst, wobei die Logikschaltung (90) einen ersten Gate-Treiber (T1) zum Ansteuern eines Gate-Anschlusses des ersten Frequenzmodulationsschalters (QM1) und einen zweiten Gate-Treiber (T2) zum Ansteuern eines Gate-Anschlusses des zweiten Frequenzmodulationsschalters (QM2) aufweist, wobei das erste Flipflop (D1) ausgelegt ist, ein erstes Datensignal (E) bei einer steigenden Flanke des ersten schaltungsinternen Steuersignals (S1) an den ersten Gate-Treiber (T1) weiterzureichen, und wobei das zweite Flipflop (D2) ausgelegt ist, ein zweites Datensignal (F) bei einer steigenden Flanke des zweiten schaltungsinternen Steuersignals (S2) an den zweiten Gate-Treiber (T2) weiterzureichen.
Schaltungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Frequenzmodulationsschalteinheit (13a) eine zu dem ersten Frequenzmodulationsschalter (QM1) in Reihe geschaltete erste Frequenzmodulationskapazität (CM1) aufweist, und wobei die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit (13b) eine zu dem zweiten Frequenzmodulationsschalter (QM1) in Reihe geschaltete zweite Frequenzmodulationskapazität (CM2) aufweist.
Schaltungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Anschluss des ersten Schwingkreisschalters (Q1), ein Anschluss des zweiten Schwingkreisschalters (Q2), ein Anschluss des ersten Frequenzmodulationsschalters (QM1) und ein Anschluss des zweiten Frequenzmodulationsschalters (QM2) jeweils mit einem Referenzpotential verbunden sind.
Schaltungsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Auto-Resonanz-Wechselrichter (50) eine Royer-Schaltungstruktur aufweist.
Schaltungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Frequenzmodulationskapazität (CM1) im Wesentlichen der zweiten Frequenzmodulationskapazität (CM2) entspricht.
Schaltungsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Frequenzmodulationsschalteinheit (13a) eine Kaskade von ersten Frequenzmodulationskondensatoren mit jeweils zugehörigen ersten Frequenzmodulationsschaltern aufweist, und wobei die zweite Frequenzmodulationsschalteinheit (13b) eine Kaskade von zweiten Frequenzmodulationskondensatoren mit jeweils zugehörigen zweiten Frequenzmodulationsschaltern aufweist.
Verfahren zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Schaltungsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche; - Bereitstellen zumindest eines Datensignals (E, F), welches die zu übertragenen Daten repräsentiert; und - Ansteuern der ersten Frequenzmodulationsschalteinheit (13a) und der zweiten Frequenzmodulationsschalteinheit (13b) auf Basis des zumindest einen Datensignals (E, F).