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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinheit für ein Funkmodul gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Feldgerät mit einem Funkmodul und einer Energieversorgungseinheit gemäß Anspruch 12.
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Feldgeräte der Prozessautomatisierung, insbesondere zur Ermittlung einer Prozessgröße wie Füllstand oder Druck, werden meistens leitungsgebunden mit Energie versorgt. Die zur Verfügung stehende Energie ist allerdings sehr gering, so dass ein Funkmodul zur Bedienung des Feldgeräts mit zusätzlicher Energie versorgt werden sollte, um andere Leistungsdaten wie Messrate oder Datenübertragungsgeschwindigkeit nicht einzuschränken. Die üblichen Einsatzzeiten der Feldgeräte – bis zu 20 Jahre – sprechen gegen den Einsatz einer Batterie. Dazu weisen Batterien den Nachteil auf, dass sie eher nicht umweltfreundlich sind.
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In den letzten Jahren wurden Funkmodule entwickelt, bspw. sogenannte Bluetooth Low Energy Geräte, die nur einen sehr geringen Energiebedarf haben, so dass es jetzt denkbar ist, Energie aus der Sonne, dem Wind oder Bewegungen zu ernten, das sogenannte Energy-Harvesting. Beispielweise können für die Energiesammlung thermoelektrische Generatoren, Solarzellen, piezoelektrische Geräte oder Feder-Masse-Systeme verwendet werden. Diese weisen den Nachteil auf, dass sie nur unter besonderen Bedingungen funktionieren. Insbesondere benötigt beispielsweise ein thermoelektrischer Generator ein Temperaturgefälle oder eine Solarzelle ausreichend Lichteinstrahlung. Damit kann es zu Probleme kommen, wenn das Funkmodul einen erhöhten Energiebedarf hat und diese Bedingungen nicht vorliegen.
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Bekannt sind auch aus
US 7,262,693 B2 Feldgeräte mit einem Funkmodul, die mit einem Zweidraht-Prozessregelkreis zur Datenübertragung verbunden sind, wobei das Funkmodul durch die Energie aus dem Prozessregelkreis, dem sogenannten Schleifenstrom, versorgt ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine weitere Energieversorgungseinheit für ein Funkmodul sowie eine Feldgerät bereitzustellen, die den Energiebedarf des Funkgeräts bei jeder Gelegenheit erfüllen können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Feldgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit für ein Funkmodul weist eine Antenne, eine der Antenne nachgeschaltete Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit sowie eine der Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit nachgeschalteten Power-Management Einheit, die Energie an das Funkmodul weiterleiten kann, auf. Ferner ist die Antenne zur Gewinnung von Energie aus Funkwellen ausgebildet und das Funkmodul ist zumindest teilweise mit einer über die Antenne aus den Funkwellen gewonnenen Energie versorgt.
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Eine entsprechende Anordnung ermöglicht für beispielsweise Funkmodule mit geringem Energiebedarf ein Energy-Harvesting aus der frei verfügbaren Energie aus Funkwellen zu betreiben.
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Da die Anzahl der Funkgeräten und daher der Funkwellen immer größer wird, und dass es fast immer und fast überall auf der Erde solche Funkgeräten und Funkwellen gibt, kann fast ständig und fast überall Energie aus den Funkwellen gewonnen werden, so dass eine quasi dauerverfügbare Versorgung für das Funkgerät geschaffen wird. Sobald mit dem Feldgerät eine Verbindung aufgebaut wird ist auf jeden Fall ein weiteres Feldgerät in der Nähe, das Funkwellen sendet, so dass zumindest in diesem Fall eine Quelle für Funkwellen zur Verfügung steht.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Funkmodul einen insbesondere viel genutzten Frequenzbereich verwendet und die Antenne zumindest für diesen Frequenzbereich ausgelegt ist, so dass nicht nur bei Einzelfrequenzen sondern bei jeder Kommunikation in diesem Frequenzbereich ein Teil der Energie gewonnen wird.
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Der Frequenzbereich kann beispielsweise das 2,4 GHz Band umfassen. Dadurch, dass die Antenne zumindest für das 2,4 GHz Band ausgelegt ist, kann die Energie aus vielen üblichen Verbindungen, die dieses Band verwenden, bspw. von Bluetooth, WLAN, Betriebsfunk oder drahtlosen Kameras, gewonnen werden. Da solche Verbindungen sehr verbreitet sind, kann die Antenne fast ständig Energie gewinnen.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Antenne für Frequenzen der mobilen Telefonie, insbesondere aus einem Bereich zwischen 380 und 3800 MHz oder Bänder aus diesem Bereich ausgelegt sein. Damit können GSM-Bänder, UMTS, DECT und LTE-Bänder ebenfalls erfasst werden. Diese Bänder werden ebenfalls häufig genutzt und es kann daher zuverlässig Energie für das Funkmodul gewonnen werden. Insbesondere kann die Antenne für die besonders weit verbreiteten Mobilfunkfrequenzen der 700, 800, 850, 900, 1800, 1900, 2100, 2300 und/oder 2600 MHz Bänder ausgelegt sein.
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Außerdem kann die Energieversorgungseinheit einen Zwischenspeicher zur Speicherung der gewonnenen Energie aufweisen. Es kann nämlich sein, dass mehr Energie gewonnen wird, als in der Tat gebraucht wird. Die gespeicherte Energie kann dann verwendet werden, wenn der Energiebedarf später höher ist, als die Energiegewinnung. Damit ist eine ständige Energieversorgung möglich, sogar beim erhöhten Energiebedarf. Die Benutzung und die Schaltung des Speichers wird durch die Power-Management Einheit gesteuert.
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Vorzugsweise kann der Zwischenspeicher ein Kondensator sein. Kondensatoren sind üblich und einfach herzustellen. Besonders geeignet sind Kondensatoren mit hoher Kapazität und geringen Leckströmen.
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Das Funkmodul kann zusätzlich zumindest teilweise mit einem Schleifenstrom, insbesondere aus einer Zweidrahtleitung, versorgt sein. Der Schleifenstrom bildet also eine zusätzliche Energieversorgung. Das Funkmodul kann dann sowohl mit dem Schleifenstrom als auch mit der aus den Funkwellen gewonnenen Energie versorgt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Energie aus einer der beiden Energiequellen, zum Beispiel bei extremem Strombedarf, nicht ausreicht.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das Funkmodul in einem normalen Zustand nur mit der aus den Funkwellen gewonnenen Energie und ab einem Grenzstrombedarf zusätzlich mit dem Schleifenstrom versorgt. Damit kann durch den Schleifenstrom ein höherer Strombedarf gedeckt werden, wobei der Energiebedarf aus dem Schleifenstrom dennoch relativ klein bleibt, da dieser nur Abdeckung von Stromspitzen eingeschaltet wird. Damit ist die drahtlose Kommunikation einfacher zu realisieren. Die Schaltung des Schleifenstroms wird durch die Power-Management Einheit gesteuert.
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Alternativ kann das Funkmodul in einem normalen Zustand nur mit dem Schleifenstrom und ab einem Grenzstrombedarf zusätzlich mit der aus den Funkwellen gewonnenen und/oder der in dem Zwischenspeicher gespeicherten Energie versorgt sein. Damit wird ebenfalls gewährleistet, dass der Energiebedarf des Funkmoduls jederzeit gedeckt werden kann.
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Außerdem kann ein Messwiderstand zur Messung eines Strombedarfs des Funkmoduls vorgesehen sein. Damit kann festgestellt werden, wenn der Energiebedarf des Funkmoduls größer als der Grenzstrombedarf ist, so dass die Power-Management Einheit eine zusätzliche Energieversorgung einschaltet.
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Das Funkmodul kann ein Bluetooth-Low-Energy Gerät sein, das sich durch seinen besonders kleinen Energiebedarf auszeichnet und daher besonders dazu geeignet ist, fast ausschließlich durch die aus den Funkwellen gewonnenen Energie versorgt zu sein.
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Das erfindungsgemäße Feldgerät weist ein Funkmodul und eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit auf.
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Die Energieversorgungseinheit für ein Funkmodul und das Feldgerät gemäß der vorliegenden Anmeldung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
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1 Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Energieversorgungseinheit für ein Funkmodul.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Energieversorgungseinheit 1 für ein Funkmodul 2.
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Die Energieversorgungseinheit 1 weist eine erste Antenne 6, eine Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit 3, einen Zwischenspeicher 5 und eine Power-Management Einheit 4 auf und versorgt das Funkmodul 2 eines nicht näher dargestellten Feldgeräts mit Energie.
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Dem Funkmodul 2 ist eine zweite Antenne 7 nachgeschaltet, über die es kommuniziert. Ferner ist das Funkmodul 2 an einer Datenleitung angeschlossen, über die ihm beispielsweise von einem Sensor erfasste Daten zugeführt sind.
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Das Funkmodul 2 ist vorliegend ein Bluetooth Low Energy Modul für 4..20 mA Sensoren und verwendet das 2.4 GHz Band. Solche Geräte weisen einen besonders kleinen Energiebedarf auf. Der Energiebedarf des Funkmoduls 2 wird durch eine über die erste Antenne 6 aus Funkwellen gewonnenen Energie sowie durch einen Schleifenstrom gedeckt. Es ist aber auch denkbar, dass das Funkgerät 2 ausschließlich mit der aus den Funkwellen gewonnenen Energie versorgt ist oder dass zusätzliche Energiequellen beispielsweise Energy-Harvesting Solarenergie oder Windenergie verwendet werden.
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Die erste Antenne 6 gewinnt durch eine entsprechende Beschaltung Energie aus den Funkwellen. Die erste Antenne 6 kann für bestimmte Frequenzbereiche ausgelegt oder breitbandig ausgeführt sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Antenne 6 für das 2,4 GHz Band ausgelegt. Die erste Antenne 6 kann aber auch für weitere Frequenzbänder ausgelegt sein, um Energie aus elektromagnetischen Wellen weiterer Frequenzen zu gewinnen.
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Die gewonnene Energie, die als Wechselsignal ausgebildet ist, wird durch die der ersten Antenne 6 nachgeschalteten Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit 3 gleichgerichtet und auf die Betriebsspannung des Funkmoduls 2 angepasst zur Verfügung gestellt. Diese Spannung wird der der Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit 3 nachgeschalteten Power-Management Einheit 4 zugeführt.
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Zwischen der Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit 3 und der Power-Management Einheit 4 ist ein Zwischenspeicher 5 angeordnet, der als Kondensator ausgebildet ist. Ist die aus den Funkwellen gewonnene Energie größer als der Energiebedarf des Funkmoduls 2, dann kann die gewonnene Energie in dem Zwischenspeicher 5 gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden. Dafür ist ein in 1 nicht näher dargestellter Messwiderstand vorgesehen, der einen Energiebedarf des Funkgeräts 2 messen kann. Abhängig von dem Energiebedarf kann dann die Power-Management Einheit 4 die Speicherung der gewonnenen Energie, deren Weiterleitung oder die Zuschaltung des Zwischenspeichers veranlassen.
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Die Power-Management Einheit 4 ist ferner an den Schleifenstrom angeschlossen, der zum Beispiel aus einer Zweidrahtleitung kommt. Das Feldgerät wird durch die Zweidrahtleitung mit einer Spannung versorgt. Vorliegend liegt die Spannung zwischen 9,6 und 35 V. Zur Übermittlung des Messwerts wird dem Stromkreis ein Strom von 4–20 mA eingeprägt, der einem Messwert von 0 bis 100% entspricht. Durch die Messung der anliegenden Spannung kann anhand des Messwerts die zur Verfügung stehende Leistung berechnet werden. Der kritischste Fall tritt bei einer geringen Versorgungsspannung und Störstromausgabe von 3,55 mA auf. Die effektiv zur Verfügung stehende Leistung beträgt dann lediglich 20 mW.
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Die im Zwischenspeicher 5 gespeicherte Energie kann ebenfalls über eine Spannungsmessung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Zwischenspeichers 5 erfasst werden.
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Die Power-Management Einheit 4 besitzt also Informationen über die verfügbare Leistung, die gespeicherte Energie sowie den aktuellen Leistungsbedarf des Funkmoduls 2. Die Power-Management Einheit 4 kann auf diese Weise entscheiden, wie das Funkmodul 2 versorgt wird und schaltet ggf. den Zwischenspeicher 5 zu. Erkennt die Power-Management Einheit 4, dass der Zwischenspeicher 5 nicht ausreichend Energie zur Verfügung hat, kann dieser weggeschaltet werden und dem Funkgerät und/oder einer Sensoreinheit mitgeteilt werden, dass nicht mehr ausreichend Energie zur Verfügung steht.
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Denkbar ist, dass eine Grundversorgung des Funkmoduls 2 durch die aus den Funkwellen gewonnene Energie bis zu einem Grenzstrombedarf des Funkgeräts 2 erfolgt. Über dem Grenzstrombedarf wird zusätzlich der Schleifenstrom für die Versorgung des Funkgeräts 2 verwendet.
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Alternativ kann die Grundversorgung des Funkmoduls 2 aus dem Schleifenstrom kommen und der erhöhte Energiebedarf des Funkmoduls 2 durch die aus den Funkwellen gewonnene, insbesondere in dem Zwischenspeicher 5 gespeicherte Energie erfolgen. Dazu kann auch die in dem Zwischenspeicher 5 gespeicherte Energie im Fall eines großen Energiebedarfs des Funkmoduls 2 zusätzlich verwendet werden. Wichtig ist, dass das Funkmodul 2 immer in Höhe seines Strombedarfs versorgt ist, wobei der Schleifenstrom so wenig wie möglich für die Versorgung des Funkmoduls 2 verwendet wird.
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Die alternative Ausführung hat den Vorteil, dass Stromspitzen nicht aus dem Schleifenstrom entnommen werden müssen. Dadurch kann die Stromregelung den eingestellten Messwert besser ausregeln und die Messwertstabilität bleibt auch beim Einsatz des Funkmoduls 2 gegeben.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich die Energieversorgung des Funkmoduls 2 explizit genannt ist. Davon und im Rahmen der Erfindung umfasst sind selbstverständlich auch die zum Betrieb des Funkmoduls beispielsweise zur Aufbereitung der Messdaten notwendigen Elektronikkomponenten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieversorgungseinheit
- 2
- Funkmodul
- 3
- Gleichrichtungs- und Spannungswandlungseinheit
- 4
- Power-Management Einheit
- 5
- Zwischenspeicher
- 6
- erste Antenne
- 7
- zweite Antenne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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