DE202012103800U1

DE202012103800U1 - Leuchtobjekt

Info

Publication number: DE202012103800U1
Application number: DE202012103800U
Authority: DE
Original assignee: Eesy ID GmbH
Current assignee: Gerotron Communication De GmbH; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: WO2013102491A1

Abstract

Leuchtobjekt (401), mit: – einer Empfangsantenne (403) zum drahtlosen Empfangen von Energie über ein Hochfrequenzfeld (405); und – einem Leuchtelement (407) zum Umsetzen der empfangenen Energie in Lichtenergie (409).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtobjekt.
Stand der Technik
Heutige Christbaum-Lichterketten bestehen aus Serien- und/oder Parallelschaltungen von Glühbirnen oder LEDs. Diese Leuchtmittel sind mit Kabeln verbunden, so dass häufig ein Kabelwirrwarr auftritt und bei der Anordnung und Positionierung der Leuchtmittel Sorge getragen werden muss, dass die Kabel nicht andere Dinge beschädigen oder eine Person versehentlich auf die Leuchtmittel tritt, die an der Lichterkette hängen.
Daher existieren im Stand der Technik schnurlose Christbaumkerzen, in denen eine Batterie angeordnet ist und bei denen das Ein-/Ausschalten mittels einer Funkfernsteuerung erfolgt. Des Weiteren sind im Stand der Technik beleuchtete Christbaumkugeln bekannt, die über ein separates Batteriefach, das über ein kurzes Kabel mit der Christbaumkugel verbunden ist, mit Energie versorgt werden. Bei diesen kabellosen Christbaumbeleuchtungen fällt bei einem Defekt einer Lampe nicht sogleich die ganze Kette aus, wie dies bei kabelgebundenen Serienschaltungen üblich ist.
Da bei den bisherigen kabellosen Christbaumbeleuchtungen jedes Leuchtmittel eine eigene Batterie benötigt, müssen die Batterien in regelmäßigen Abständen ersetzt und entsorgt werden. Zusätzlich weist jede dieser Batterien ein bestimmtes Gewicht auf, das das Gewicht der Christbaumkugeln zusätzlich erhöht und durch das die Zweige eines Christbaums herabgedrückt werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Leuchtobjekt anzugeben, das drahtlos mit einer elektrischen Leistung für Leuchtzwecke versorgt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Figuren, der Beschreibung und der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Leuchtobjekt mit einer Empfangsantenne zum drahtlosen Empfangen von Energie über ein Hochfrequenzfeld und einem Leuchtelement zum Umsetzen der empfangenen Energie in Lichtenergie gelöst. Durch den Gegenstand der Erfindung werden mehrere Vorteile erreicht. Da es nicht mehr erforderlich ist, dass jedes Leuchtmittel seine eigene Batterie aufweist, wird der Verbrauch von Batterien reduziert. Durch eine Integration von Antenne/Koppelspule, Leuchtmittel und eines HF-Harvesters kann eine Verkabelung der Leuchtobjekte im Christbaum vollständig vermieden werden. Durch die spezielle Verwendung des Hochfrequenzbereiches (HF-Bereich) wird der Vorteil erreicht, dass sich die Energie weit besser als in anderen Frequenzbereichen übertragen lässt und die in den Gesetzen vorgegebenen Grenzwerte in den jeweiligen Frequenzbereichen eingehalten werden. Dadurch können die einzelnen Leuchtobjekte mehr Licht ausstrahlen und eine größere Helligkeit erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Empfangsantenne eine Empfangsspule. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass sich das Hochfrequenzfeld mit besonders einfachen Mitteln und einem hohen Flächenwirkungsgrad der Antenne empfangen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Leuchtelement eine Leuchtdiode. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass sich Licht besonders effizient erzeugen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Empfangsantenne und dem Leuchtelement ein Gleichrichter angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass die Spannung zur Versorgung des Leuchtelements mit einfachen Mitteln gleichgerichtet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Leuchtobjekt eine elektrische Schaltung mit einer Ladungspumpe. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass sich die Helligkeit und die Effizienz des Leuchtobjektes steigern lassen. Die Ladungspumpe kann beispielsweise ein Spannungsvervielfacher sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ladungspumpe zumindest einen Kondensator zum Anheben der von der Empfangsantenne zugeführten Wechselspannung. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass sich die Ladungspumpe besonders einfach realisieren lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ladungspumpe zumindest einen Gleichrichter zum Laden des Kondensators durch eine gleichgerichtete Spannung. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass die Spannung geglättet wird und damit eine geringere Fluktuation aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Leuchtobjekt einen Energiespeicher zum Speichern von empfangener Energie. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass Energie für den Betrieb des Leuchtobjektes in Zeiten außerhalb des Betriebes angesammelt werden kann. Dadurch kann die Übertragungsleistung des Senders beim Betrieb des Leuchtobjektes vermindert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Leuchtobjekt angepasst, Energie über ein Hochfrequenzfeld von kleiner als 27 MHz zu empfangen. In diesem Frequenzbereich wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass sich Energie besonders wirkungsvoll übertragen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Leuchtobjekt angepasst, Energie über ein Hochfrequenzfeld von 13 MHz zu empfangen. Bei dieser Frequenz wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass sich Energie noch besser übertragen lässt und sich der Bereich vergrößert, in dem die Energie effizient übertragen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Leuchtobjekt eine Leistungssteuervorrichtung zum Steuern der von dem Leuchtelement abgegebenen Lichtleistung. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass die Lichtleistung derart gesteuert werden kann, dass keine Überlastung auftritt und eine Helligkeit der Leuchtelemente verändert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Leistungssteuervorrichtung über das Hochfrequenzfeld steuerbar. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass der zur Übertragung der Energie vorgesehene Sender gleichzeitig über das ausgesendete Feld die Lichtleistung der Leuchtobjekte steuern kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Leuchtelement mehrere Leuchtdioden unterschiedlicher Lichtfarbe. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Leuchtobjekt ein Licht einer gewünschten Farbe erzeugen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Leuchtobjekt kugelförmig und das Leuchtelement ist im Inneren des kugelförmigen Leuchtobjektes angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass das Leuchtelement vor Umgebungseinflüssen geschützt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Leuchtobjekt eine Christbaumkugel, eine Christbaumkerze, ein Dekorationsobjekt, eine Gartenbeleuchtung; eine Schaufensterbeleuchtung, eine Arbeitsbeleuchtung oder eine Objektbeleuchtung ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein System zum Umwandeln von Energie aus einem Hochfrequenzfeld in Lichtenergie gelöst, mit einem Sender zum Aussenden von Energie mittels des Hochfrequenzfeldes und einem Leuchtobjekt zum drahtlosen Empfangen der von dem Sender ausgesendeten Energie und zum Umsetzen der empfangenen Energie in Lichtenergie. Dadurch werden die gleichen Vorteile erreicht wie durch das Leuchtobjekt nach dem ersten Aspekt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Sender eine Modulationseinheit zur Modulation des gesendeten Hochfrequenzfeldes, insbesondere zur Frequenzmodulation und/oder zur Quadraturmodulation (QAM) und/oder zur kontinuierlichen Phasenmodulation (CPM). Durch Modulieren des Hochfrequenzfeldes in einer Frequenz kann der Vorteil erreicht werden, dass mehrere Leuchtelemente durch den Sender versorgt werden können, obwohl sich deren Eigenfrequenz geändert hat und deren Resonanzeigenschaften variabel sind.
Das Sendesignal kann moduliert sein um damit Steuerinformationen an die Leuchtobjekte zu übertragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Tabelle mit Grenzwerten für die magnetischen Felder;
2 eine Übersicht für Grenzwerte von elektrischen Feldern;
3 eine schematische Darstellung eines Nahfeldes und eines Fernfeldes zur Übertragung von Energie;
4 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes;
5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes in Verbindung mit einem Sender;
6 eine schematische Darstellung einer Christbaumkugel mit integrierter Empfangsantenne;
7 eine schematische Darstellung einer Christbaumkerze mit integrierter Empfangsantenne;
8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes;
9 einen Schaltplan für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes;
10 eine schematische Darstellung eines Senders in Verbindung mit dem Leuchtobjekt; und
11 einen Schaltplan für eine spannungsgesteuerte Stromquelle zur Verwendung in dem Sender.
Bei einem Energy-Harvesting (Energie-Ernten) auf einem Christbaum kann ein Sender am Fuß des Christbaums angebracht werden, der nach oben in Richtung der an dem Christbaum angeordneten Leuchtmittel Hochfrequenzleistung abstrahlt. An jedem der Leuchtmittel befinden sich jeweils eine Antenne und ein Energy-Harvester, der die Energie aus dem Wechselfeld gleichrichtet und den Leuchtmitteln zur Verfügung stellt. Als Leuchtmittel kommen vorzugsweise LEDs zum Einsatz, weil sie sich im Allgemeinen durch geringe Stromaufnahme und hohen Wirkungsgrad auszeichnen.
Für die Energieübertragung per Funk können ISM-Frequenzen (ISM – Industrial Scientific and Medical) benutzt werden, bei denen für das Aussenden keine Lizenz benötigt wird. Zur Nutzung des Funkspektrums für häuslichen Gebrauch stehen folgende Frequenzbänder zur Verfügung:

– 9 kHz bis 10 kHz
– 13,553 MHz bis 13,567 MHz
– 24,00 MHz bis 24,25 MHz
– 26,957 MHz bis 27,283 MHz
– 40,66 MHz bis 40,70 MHz
– 150 MHz
– 433,05 MHz bis 434,79 MHz
– 2400 MHz bis 2500 MHz
– 5725 MHz bis 5875 MHz

Bei niedrigen Frequenzen, beispielsweise 13,56 MHz, dominiert die magnetische Kopplung zwischen der Sendeeinheit am Fuß des Christbaums und den Leuchtmitteln. Bei höheren Frequenzen, beispielsweise 860 MHz, liegt eine elektromagnetische Kopplung vor. Je nach regulatorischen Randbedingungen und der maximal erlaubten abgestrahlten Leistung (EIRP oder ERP) ist die Verwendung der einen oder anderen Frequenz vorteilhafter.
Die Grenzwerte liegen laut Bundesnetzagentur („Funkanwendungen auf den ISM-Bändern" – Juli 2010, Bundenetzagentur) bei Frequenzen:

– bis 27,283 MHz: magnetische Feldstarke des Sendesignals bei 42 dBuA/m in 10 m Entfernung;
– zwischen 40,66 MHz und 870,0 MHz: ERP zwischen 50 nW und 500 mW, und
– zwischen 2400 MHz und 256 GHz: ERP zw. 10 mW und 10 W.

1 zeigt eine Tabelle für Grenzwerte von Feldern bei induktiven Anwendungen.
2 zeigt eine Übersicht für Grenzwerte von elektrischen Feldern.
3 zeigt ein Nahfeld 301 und ein Fernfeld 303 zur Übertragung von Energie. Im Zentrum dieser Felder ist eine Antenne 305 angeordnet.
Es gibt grundsätzlich zwei Ansätze Energie mittels elektromagnetischer Felder zu übertragen, nämlich entweder über eine Nahfeldkopplung oder eine Fernfeldkopplung.
Zum einen kann Energie mittels eines magnetischen Nahfeldes 301 (Nahfeldkopplung) übertragen werden. Bei dieser Technik ist die Beeinflussung der Übertragung durch Gegenstände gering. Auch eine Wechselwirkung auf den Menschen ist faktisch nicht vorhanden. Deshalb sind bei der Übertragung im Nahfeldbereich hohe Grenzwerte für magnetische Felder zulässig. Bei der Nahfeldübertragung werden niedrige Frequenzen vom kHz-Bereich bis zu 100 MHz eingesetzt.
Eine induktive Energieübertragung bei niedrigen MHz-Frequenzen ist über mittlere Distanzen im Meterbereich möglich, wie beispielsweise eine Energieübertragung für eine 60 W-Glühbirne in 2 m Abstand. Bei dieser Energieübertragung kann beispielsweise eine Kopplung von 2 Prozent erreicht werden. Bei einer höheren Kopplung kann die Effizienz bei 60 Prozent bei magnetischer Resonanz von zwei Antennenschleifen (Antennenloops) und deren Resonanzkapazität liegen. Bei Übertragung im Nahfeld ist die Abnahme des Feldes mit 1/D³ stärker als im Fernfeld. Allerdings kann dieser Effekt durch eine Resonanz der beiden Antennen kompensiert werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn bei magnetischer Resonanz ein Sender einen spannungsgesteuerten Sendeoszillator (Sende-VCO) umfasst, der zur Korrektur der Kopplung und Empfangsleistung in einer Frequenz verstimmbar ist.
Zum anderen ist es möglich, Energie im Fernfeld bei höheren Frequenzen durch ein elektromagnetisches Feld zu übertragen (Fernfeldkopplung). Beispielsweise kann das ISM-Band bei 868 MHz mit einer relativ hohen Sendeleistung von 2 W verwendet werden. PL = ( 4πD / λ)² (1.1)
Die resultierende Empfangsleistung kann über den Pfadverlust nach Gleichung 1.1 berechnet werden.
Da die äquivalente isotrope Sendeleistung (EIRP) gleich der effektiven Strahlungsleistung (ERP) plus dem Antennengewinn Ga ist (EIRP = ERP + Ga), kann über den Antennengewinn die Leistungsübertragung erhöht werden. Ein Gewinn Ga zwischen 3 dB (Halbraum) und 10 dB (gerichtete Antenne) ist beispielsweise vorteilhaft zur Energieübertragung in einem großen Bereich.
Betrachtet man die Grenzwerte für eine zulässige Feldstärke, so sind diese Grenzwerte bei Frequenzen f < 1 MHz und f > 2,4 GHz am größten. Die in 3 gezeigten Zonengrenzen (R₁ = λ/2 pi und R₂ = λ) können für einzelne Frequenzen berechnet werden und sind unten für drei Frequenzen angegeben. Dabei kann das Nahfeld weiter zwischen reaktivem und strahlendem Nahfeld unterschieden werden.

Feldgrenze 13 MHz 27 MHz 868 MHz

Grenze reaktives/strahlendes Nahfeld 3,67 m 1,77 m 5,5 cm

Grenze strahlendes Nahfeld/Fernfeld 23 m 11,1 m 34,6 cm
Das strahlende Nahfeld weist keine reaktiven Feldkomponenten auf (Energiespeicherung), die auf die Antenne selbst rückwirken könnten. Im strahlenden Nahfeld kann noch nicht von einer Strahlungspunktquelle ausgegangen werden, was im Fernfeld zulässig ist.
Verwendet man ein reaktives Nahfeld mit magnetischer Kopplung zum Übertragen der Leistung, ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz des Hochfrequenzfeldes unter 27 MHz liegt. Bei der Nahfeldkopplung ist der Einfluss von Gegenständen auf die Übertragung gering. Ein Einfluss auf den Organismus eines Menschen ist faktisch nicht vorhanden und es sind hohe Grenzwerte für magnetische Felder zulässig.
In besonders geeigneter Weise liegt die Frequenz des Hochfrequenzfeldes bei 13 MHz. Diese Frequenz ermöglicht eine Nahfeldkopplung von ca. 4 m, so dass in diesem räumlichen Bereich eine effiziente Übertragung von Energie möglich ist. Bei einer Christbaumkugel als Leuchtobjekt kann somit typischerweise der gesamte räumliche Bereich des Christbaumes abdeckt werden.
Aufgrund unterschiedlicher Abstände und einer möglichen Koaxialität der Empfangsspulen können verschiedene Empfangsleistungen berücksichtigt werden. Daneben benötigen mehrere Christbaumkugeln oder Empfänger entsprechend mehr Leistung. Daher ist es vorteilhaft, eine Leistungsregulierung im Sender und Empfänger vorzusehen, mit der gleichzeitig eine Helligkeitsregulierung möglich ist. Da durch unterschiedliche Abstände der Leuchtobjekte zum Sender die Resonanz verstimmt wird, ist es vorteilhaft, im Empfänger die Resonanzkapazität verstimmbar zu gestalten.
Besonders vorteilhaft ist es, für die Sende- und Empfangsantenne eine einfache Spule mit mehreren Windungen zu verwenden.
Die Kopplung der Spulen ist durch Gleichung 1.2 und der Gegeninduktivität mit N₁ = 15, N₂ = 20, r₁ = 50 cm, r₂ = 3 cm und D = 2.5 m gegeben. Der Koppelfaktor k kann, wie in Gleichung 1.3 angegeben, berechnet werden.
Dabei kann L durch eine Näherungsformel für eine kurze Zylinderspule berechnet werden.
Dieser Koppelfaktor ist ausreichend, um im Resonanzfall bei Betrieb mit Kapazitäten an Empfangsantennen (Sink- und Source-Loops) genügend Leistung zu übertragen. Ein einfaches Übertragungsmodell kann zur ersten Dimensionierung verwendet werden, wobei je nach simuliertem Wirkungsgrad die benötigte Leistung minimiert werden kann.
Eine Transmissionsdämpfung von 17 dB (entspricht 2%) ist über 2 Meter realisierbar. Verwendet man eine Leuchtdiode mit einem Stromverbrauch von 10 mA bei 1,9 V und 20 mA bei 2 V, so kann eine Empfangsleistung von 19 mW bzw. 40 mW erreicht werden. Geht man von einer Effizienz von 1% aus und berechnet man die nötige Sendeleistung, so erhält man 4 W. Diese Sendeleistung kann verwendet werden, ohne die zulässigen Grenzwerte des magnetischen Feldes zu überschreiten.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes 401. Das Leuchtobjekt 401, beispielsweise eine Christbaumkugel, umfasst eine Empfangsantenne 403 zum drahtlosen Empfangen von Energie über ein Hochfrequenzfeld 405 und ein Leuchtelement 407 zum Umsetzen der empfangenen Energie in Lichtenergie 409. Daneben umfasst das Leuchtobjekt 401 eine Aufhängvorrichtung 411 zum Aufhängen des Leuchtobjektes 401. Die Aufhängvorrichtung 411 kann beispielsweise aus einem gebogenen Draht oder einer Klammer bestehen.
Die Empfangsantenne 403 ist beispielsweise derart ausgestaltet, dass die Empfangsantenne 403 ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld 405 aus einem Hochfrequenzband empfangen kann (HF-Frequenzband). Vorzugsweise weist das verwendete Hochfrequenzfeld eine Frequenz aus einem Bereich zwischen 300 kHz und 30 MHz, hochvorzugsweise eine Frequenz aus einem Bereich zwischen 1 MHz und 27 MHz und höchstvorzugsweise eine Frequenz aus einem Bereich zwischen 12 MHz und 14 MHz auf.
5 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes 401 in Verbindung mit einem Sender 505. Der Sender 505 umfasst eine Antenne 503, über die das Hochfrequenzfeld abgestrahlt wird. Das abgestrahlte Hochfrequenzfeld wird von der Antenne 403 empfangen und durch eine Harvester-Schaltung 501 dem Leuchtelement 407 zugeführt. Die Harvester-Schaltung 501 kann zu diesem Zweck einen Gleichrichter und/oder einen Kondensator und/oder eine Spannungsvervielfacherschaltung umfassen.
Die Empfangsantenne 403 kann beispielsweise aus einer Spule mit einer geeigneten Anzahl von Wicklungen und einem geeigneten Durchmesser bestehen.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Christbaumkugel 601 mit integrierter Empfangsantenne 603. In dieser Ausführungsform ist die Empfangsantenne 603 in der Oberfläche der Christbaumkugel 601 integriert. Zu diesem Zweck kann die Oberfläche der Christbaumkugel 601 eine oder mehrere Spiralen oder andere Strukturen als Empfangsantenne 603 umfassen. Der Harvester 501 und das Leuchtelement 407 befinden sich im Inneren der Christbaumkugel 601. Durch diese Maßnahme kann auf ein nach Außen verlaufendes Kabel zum Empfang der ausgesendeten Felder verzichtet werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Christbaumkerze 701 mit integrierter Empfangsantenne 703. In dieser Ausführungsform ist die Empfangsantenne 703 in der Christbaumkerze 701 integriert. Beispielsweise kann im Hals der Christbaumkerze 701 eine Helixstruktur/Spule mit hoher Windungszahl eingebracht werden. Der Harvester 501 und das Leuchtelement 407 befinden sich im Inneren der Christbaumkerze 701. Am Fuß der Christbaumkerze 701 ist eine Klammer 705 angeordnet, durch die sich die Christbaumkerze 701 an einem Zweig befestigen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Empfangsantenne 403 durch eine Schleifen- oder Rahmenantenne (Loop-Antenne) gebildet sein, die beispielsweise durch 20 Zylinderwicklungen mit einem Radius von 3 cm aufgebaut ist. Die Längsausdehnung der Spule kann 2 cm und der Drahtdurchmesser 1 mm betragen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine sehr gute Kopplung mit der Sendespule erreicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Spule durch eine Leiterbahn auf einem gedruckten Schaltungsbrett gebildet sein. In noch einer alternativen Ausführungsform kann eine Stabantenne verwendet werden. Im Allgemeinen ist die Empfangsantenne nicht auf eine bestimmte Vorrichtung beschränkt, solange diese geeignet ist, elektromagnetische Wellen aus dem verwendeten Hochfrequenzfeldbereich zu empfangen.
Im Allgemeinen kann durch die Verwendung der Empfangsantenne 403 dem Hochfrequenzfeld elektrische Leistung entzogen werden, die von dem Leuchtelement 407 in sichtbares Licht 409 umgewandelt wird. Das Leuchtelement 407 kann hierbei beispielsweise durch eine Leuchtdiode gebildet sein. Im Allgemeinen können jedoch auch andere Leuchtvorrichtungen als Leuchtelement verwendet werden, solange diese geeignet sind, die von der Empfangsantenne 403 bereitgestellte Leistung in Licht umzuwandeln. Vorteilhaft ist die Verwendung von Leuchtdioden mit einer Lichtstärke größer als 500 mcd (Ultra-Bright-LEDs), da diese in der Lage sind eine hohe Lichtstärke bei geringer Leistungsaufnahme zu erzeugen. Vorteilhafterweise beträgt aufgrund der begrenzten Empfangsleistung die maximale Leistungsaufnahme des Leuchtelements 407 300 mW.
In besonders geeigneter Weise liegt die Frequenz des Hochfrequenzfeldes bei 13 MHz. Diese Frequenz ermöglicht eine Nahfeldkopplung von ca. 4 m, so dass in diesem räumlichen Bereich eine effiziente Übertragung von Energie möglich ist. Bei einer Christbaumkugel als Leuchtobjekt kann somit typischerweise der gesamte räumliche Bereich des Christbaumes abdeckt werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes 401. Neben der Empfangsantenne 403 und dem Leuchtelement 407 umfasst das Leuchtobjekt 401 eine elektrische Schaltung 801. Die elektrische Schaltung 801 kann dabei mehrere Funktionsblöcke 803, 805, 807 und 809 umfassen.
Der Funktionsblock 803 stellt eine Ladungspumpe dar und dient dazu, eine Effizienz des Empfängers zu erhöhen. Als Ladungspumpe 803 werden im Allgemeinen elektrische Schaltungen bezeichnet, die in der Lage sind, elektrische Spannungen in ihrem Wert zu vergrößern bzw. vervielfachen. Ladungspumpen transportieren die elektrische Ladung mit Hilfe von elektrischen Kondensatoren und durch periodische Umschaltung mit Schaltern, womit unterschiedlich hohe elektrische Ausgangsspannungen erzeugt werden können.
Eine Ladungspumpe 803 kann beispielsweise einen Spannungsvervielfacher oder einen Spannungsverdoppler umfassen, die mit Hilfe von Kondensatoren und Dioden eine Spannungsvervielfachung oder Spannungsverdopplung erzielen. Aus einer über die Empfangsantenne 403 zugeführten Wechselspannung kann daher durch die Ladungspumpe 803 eine betragsmäßig höhere Gleichspannung erzeugt werden, als beispielsweise lediglich mit einem Gleichrichter erreicht werden kann. Derartige Spannungsvervielfacher- oder Spannungsverdoppler-Schaltungen können beispielsweise eine Villard-Schaltung, eine Greinacher-Schaltung oder eine Delon-Schaltung sein. Insbesondere können diese Schaltungen auch kaskadierend verschaltet werden, um eine größere Vervielfachung zu erreichen.
Der Funktionsblock 805 stellt einen Energiespeicher dar, der dazu dient, empfangene Energie zwischenzuspeichern, so dass das Leuchtobjekt 401 auch dann betrieben werden kann, wenn keine Energie- oder Leistungsübertragung erfolgt. Dadurch können zudem kurzeitige Unterbrechungen der drahtlosen Leistungsversorgung überbrückt werden. Daneben erlaubt es der Energiespeicher 805, dass Energie über einen längeren Zeitraum gesammelt wird, um in einem anderen Zeitraum abgegeben zu werden. Beispielsweise kann der Energiespeicher 805 tagsüber drahtlos aufgeladen werden und nachts das Leuchtobjekt 401 betreiben oder unterstützen. Kann aufgrund regulatorischer Beschränkungen nicht genügend Leistung übertragen werden, kann der Energiespeicher 805 als ein Zwischenspeicher (Akku oder Supercap) benutzt werden. Denkbar wäre es beispielsweise, den Zwischenspeicher über 10 s zu laden und dann das Leuchtmittel 1 s leuchten zu lassen. Dadurch kann die vom Leuchtobjekt 401 empfangene Energie in bestimmten Zeiträumen als Lichtenergie konzentriert werden.
Ein derartiger Energiespeicher 805 kann durch einen Kondensator, Doppelschichtkondensator (Super-Cap), einen Akkumulator oder eine wieder aufladbare Batterie gebildet sein, wie beispielsweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator, einen Lithium-Polymer-Akkumulator, einen Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, Lithium-Titanat-Akkumulator oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulator. Im Allgemeinen können jedoch alle Vorrichtungen als Energiespeicher verwendet werden, die geeignet sind, eine ausreichende Menge elektrischer Energie zu speichern und wieder abzugeben.
Der Funktionsblock 807 stellt eine Leistungssteuervorrichtung zum Steuern der von dem Leuchtelement abgegebenen Lichtleistung dar. Durch die Leistungssteuervorrichtung 807 kann das Leuchtelement in seiner Lichtintensität verändert werden. Dazu kann die Leistungssteuervorrichtung 807 beispielsweise den zu dem Leuchtelement zugeführten Strom über einen regelbaren Widerstand oder eine Pulsbreitenmodulation steuern. Daneben kann die Leistungssteuervorrichtung 807 dazu dienen, das Leuchtelement vollständig über eine Schaltvorrichtung ein- oder auszuschalten. Werden als Leuchtelement mehrere Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe verwendet, kann die Leistungssteuervorrichtung 807 jeweils die Intensität jeder Leuchtdiode unabhängig von den anderen Leuchtdioden steuern. Vorzugsweise ist die Leistungssteuervorrichtung 807 drahtlos fernsteuerbar, beispielsweise über ein WLAN oder über Bluetooth. In einer anderen Ausführungsform ist die Leistungssteuervorrichtung 807 über diejenige Frequenz steuerbar, über die die Übertragung der elektrischen Energie an das Leuchtobjekt 401 erfolgt. Dazu ist denkbar, das Funkversorgungssignal mit einer Modulation zu versehen. Das Funkversorgungssignal könnte ein Steuersignal zur individuellen Steuerung der einzelnen Leuchtmittel umfassen, um beispielsweise verschiedene Leuchtmuster zu realisieren. Daneben ist es auch denkbar, die verschiedenen Leuchtmittel am Baum mit verschiedenen Blinkmustern und mit verschiedenen Farben leuchten zu lassen. Da im Mittel hierbei weniger Leistung benötigt wird, muss weniger Leistung per Funk übertragen werden. Im Allgemeinen ist es nicht erforderlich, dass das Versorgungsfeld und das Steuerfeld identisch sind.
Der Funktionsblock 809 stellt eine Adressierungsvorrichtung dar, die das Leuchtobjekt 401 mit einer eindeutigen, logischen Adresse verknüpft. Die Adressierungsvorrichtung 809 erlaubt es beispielsweise, dass einzelne Leuchtobjekte 401 aus einer Mehrzahl über eine drahtlose Steuerung angesprochen werden. Beispielsweise können über die Adressierungsvorrichtung 809 gezielt einzelne Leuchtobjekte ein- oder ausgeschaltet werden oder eine Intensität und Farbe des ausgesandten Lichtes der angesprochenen Leuchtobjekte 401 verändert werden.
Die vorliegende Erfindung kann einen, alle oder mehrere der geschilderten Funktionsblöcke 803, 805, 807 und 809 in beliebiger Kombination umfassen.
9 zeigt einen Schaltplan für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leuchtobjektes 401. Die Schaltung 801 verbindet die Eingangsantenne 403 mit der Leuchtdiode 407 und umfasst die Kondensatoren C1, C2 und C3, den Widerstand R1 sowie vier Dioden D1 bis D4, wie beispielsweise Schottky-Dioden.
Die Kondensatoren können folgende Größen aufweisen: C1 = 1µF; C2 = 1µF; C3 = 39µF. Der Widerstand R1 kann zur Einstellung der Helligkeit verändert werden und dient somit als Leistungssteuervorrichtung 807.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Senders 1001 in Verbindung mit dem Leuchtobjekt 401. Das Leuchtobjekt 401 umfasst die Empfangsantenne 403, das Leuchtelement 407 und die Schaltung 801, die oben erläutert sind. Der Sender 1001 umfasst eine Sendeantenne 1003, einen Widerstand 1005 und eine Stromquelle 1007.
Die Architektur des Senders 1001 kann sehr einfach gehalten werden, da dieser nicht unbedingt reguliert werden muss. Die Genauigkeit hinsichtlich der exakten Sendefrequenz ist nicht sehr hoch. Denkbar sind spannungsgesteuerte Leistungsoszillatoren (Leistungs-VCOs) oder einfache quarzstabilisierte Sender. Wenn keine AM/QAM-Modulation erfolgt und der Sender eine nicht-modulierte Trägerschwingung abgibt, sind auch hocheffiziente Sender auf Basis eines Schaltverstärkerprinzips denkbar. Eine FM/PM-VPM-Modulation weist den Vorteil auf, dass hocheffiziente Schaltverstärker verwendet werden können. Im Allgemeinen können unterschiedliche Modulationsverfahren verwendet werden, wie beispielsweise ein Quadraturamplitudenmodulation (QAM) oder eine kontinuierliche Phasenmodulation (CPM).
Die Stromquelle 1007 dient als eine Wechselstromquelle zum Treiben der resonanten Sendeantenne 1003. Dabei ist es vorteilhaft eine Kapazität, die mit der Sendespule resoniert, abstimmbar zu gestalten, um eine Nachführung der Sendefrequenz zu erreichen, da mit variablem Abstand der Empfangsspule zum Sender die Kopplung und die Resonanzeigenschaft der Leuchtobjekte 401 verändert wird. Durch eine Nachführung der Sendefrequenz wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass die Effizienz der Übertragung erhöht wird.
Um die verfügbare Leistung am Ort der Christbaumkugel zu steigern, könnte der Sender 1001 zudem auf mehreren ISM-Frequenzen gleichzeitig senden. Damit wird in der Summe mehr Energie übertragen. Das Leuchtobjekt umfasst in diesem Fall einen Harvester mit einem Gleichrichter und eine Antenne/Koppelspule oder auch eine komplexere Antennenstruktur, die den gleichzeitigen Betrieb bei weit auseinander liegenden Frequenzen erlaubt.
Als Sendeantenne 1003 kann eine Schleifenantenne verwendet werden. Die Sendeantenne 1003 am Fuß des Christbaums kann unterschiedlich ausgebildet sein. Da im Allgemeinen eine große Querschnittsfläche der Spule möglich ist, können große Bündelungsgewinne der Sendeantenne/Sendespule erreicht werden, die eine Konzentration der Abstrahlung in Richtung der Leuchtmittel erlauben. Denkbar ist auch, die Sendeantenne/Sendespule 1003 in einem Teppich zu verbergen, den man unter den Christbaum legt. Daneben kann der Sender 1001 auch in einen Christbaumständer integriert werden, was das System noch weiter vereinfacht. Denkbar ist auch eine Sendeschleife, die den Baumstamm umschließt. Hierzu kann diese Schleife in Teilen steckbar ausgeführt werden, um sie einfach installieren zu können.
Die Schleifenantenne kann vorteilhafterweise eine Wicklungszahl von 15 und einen Radius von 50 cm aufweisen. Alternativ können jedoch auch andere Windungszahlen und Radien verwendet werden, wenn die resultierende Induktivität zusammen mit der Resonanzkapazität die gleiche Resonanzfrequenz ergibt und die Kopplung zwischen den Sendespule und der Empfangsspule durch den magnetischen Fluss nicht verringert wird. Bei geringerer Wicklungszahl wird die parasitäre Kapazität der Sendespule dementsprechend geringer.
Bei mehreren Leuchtobjekten 401 mit den Empfängerschaltungen 801 ist durch unterschiedliche Koppelfaktoren auch jeweils eine eigene Resonanzfrequenz für jedes Leuchtobjekt 401 vorhanden. Daher ist es bei mehreren Leuchtobjekten 401 vorteilhaft, eine Multifrequenzsynthese oder eine Breitbandfrequenzsynthese im Sender 1001 zu verwenden. Alternativ könnte auch jedes Leuchtobjekt eine Schaltung zur Nachführung seiner Resonanzfrequenz aufweisen.
Das Ein-/Ausschalten der Leuchtelemente kann durch Ein-/Ausschalten des Senders 1001 am Fuß des Christbaums erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Sendespule auch an der Decke über dem Christbaum oder auf halber Höhe um den Stamm angebracht werden. Indem zentral am Sender 1001 die Versorgung abgeschaltet wird, wird vermieden, dass wie bei batteriebetriebenen Leuchtobjekten ein Steuerempfänger permanent im Bereitschaftsmodus betrieben werden muss, bei dem aufgrund einer Leistungsaufnahme die Batterie verbraucht wird. Eine Funkfernsteuerung mit einem Empfänger an jedem Leuchtobjekt könnte dann entfallen, wenn die einzelnen Leuchtobjekte nicht individuell gesteuert werden sollen.
11 zeigt einen Schaltplan für eine spannungsgesteuerte Stromquelle 1007 zur Verwendung in dem Sender 1001.
Bei Frequenzen beispielsweise im Bereich von 13 MHz ergibt sich im reaktiven Nahfeld durch die Leuchtobjekte 401 eine Rückkopplung auf den Sender 1001. Durch verschiedene Abstände zwischen den Leuchtobjekten 401, beispielsweise beim Aufhängen der Christbaumkugeln, verändert sich deren Resonanzeigenschaft. Vorteilhaft ist daher, eine Nachregelung der jeweiligen Sendefrequenz. Diese Nachregelung kann beispielsweise bei einem Multifrequenzsender mit einer Frequenz pro Leuchtobjekt 401 dadurch erreicht werden, dass jede Frequenz auf das entsprechende Leuchtobjekt 401 eingeregelt wird und so eine Frequenznachführung der Empfängerresonanzfrequenz in jedem Leuchtobjekt erreicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein Breitbandsender verwendet werden, in dessen ausgesendetem Spektrum die Empfangsfrequenz aller Leuchtobjekte 401 liegt. Bei einem derartigen Breitbandsender kann daher eine Nachregelung der Frequenz entfallen. Dieser Breitbandsender kann nach dem frequenzmodulierten Dauerstrichverfahren arbeiten, bei dem in periodischen Intervallen die Sendefrequenz zeitlich sägezahnförmig oder rampenförmig erhöht oder durchgestimmt wird (FMCW-Verfahren).
Die Frequenz von 13 MHz ist in Verbindung mit dem FMCW-Verfahren besonders geeignet, um eine hohe Effizienz, eine große Reichweite und Leistungsübertragung zu gewährleisten.
Eine derartige Rampenform zur Verwendung in einem FMCW-Verfahren kann durch die spannungsgesteuerte Stromquelle 1101 mit einem Operationsverstärker erzeugt werden, die wiederum durch einen Mikrokontroller mit DAC-Ausgang gesteuert wird, der ein 13-MHz-Signal ausgibt. Zur Versorgung dieser Schaltung kann ein handelsübliches Netzteil verwendet werden.
Im Allgemeinen kann das Leuchtobjekt 401 kugelförmig sein, wie beispielweise eine Christbaumkugel oder eine beliebige andere Form aufweisen, wie beispielsweise eine Weihnachtskerze. Vorteilhaft ist es beispielsweise, wenn die Empfangsantenne 403, die Schaltung 801 und das Leuchtelement 407 im Inneren des kugelförmigen Leuchtobjektes 401 angeordnet sind.
Das Leuchtobjekt kann eine Christbaumkugel, eine Christbaumkerze, ein Dekorationsobjekt, eine Gartenbeleuchtung; eine Schaufensterbeleuchtung oder eine Arbeitsbeleuchtung sein. Bei einer Arbeitsbeleuchtung kann beispielsweise eine kugelförmige Form mit einer Hülle aus durchsichtigem Plastik gewählt werden, so dass das Leuchtobjekt in unzugängliche Bereiche gerollt werden kann, beispielsweise zur Beleuchtung von Rohren oder Kanälen.
Alle in der Beschreibung und in den Figuren beschriebenen Einzelmerkmale können in beliebiger Weise sinnvoll miteinander kombiniert werden, um deren vorteilhafte Wirkungen zusammenzubringen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Funkanwendungen auf den ISM-Bändern“ – Juli 2010, Bundenetzagentur [0041]

Claims

Leuchtobjekt (401), mit: – einer Empfangsantenne (403) zum drahtlosen Empfangen von Energie über ein Hochfrequenzfeld (405); und – einem Leuchtelement (407) zum Umsetzen der empfangenen Energie in Lichtenergie (409).
Leuchtobjekt (401) nach Anspruch 1, wobei die Empfangsantenne (403) eine Empfangsspule umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leuchtelement (407) eine Leuchtdiode umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Empfangsantenne (403) und dem Leuchtelement (407) ein Gleichrichter (D4) angeordnet ist.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leuchtobjekt (401) eine elektrische Schaltung mit einer Ladungspumpe (803), insbesondere einem Spannungsvervielfacher, umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach Anspruch 5, wobei die Ladungspumpe (803) zumindest einen Kondensator (C1) zum Anheben der von der Empfangsantenne (403) zugeführten Wechselspannung umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach Anspruch 6, wobei die Ladungspumpe zumindest einen Gleichrichter zum Laden des Kondensators (C1) durch eine gleichgerichtete Spannung umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leuchtobjekt (401) einen Energiespeicher (805) zum Speichern von empfangener Energie umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Empfangsantenne (403) angepasst ist, Energie über ein Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz kleiner als 27 MHz zu empfangen.
Leuchtobjekt (401) nach Anspruch 9, wobei die Empfangsantenne (403) angepasst ist, Energie über ein Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz von 13 MHz zu empfangen.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leuchtobjekt (401) eine Leistungssteuervorrichtung (807) zum Steuern der von dem Leuchtelement (407) abgegebenen Lichtleistung umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach Anspruch 11, wobei die Leistungssteuervorrichtung (807) über das Hochfrequenzfeld fernsteuerbar ist.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leuchtelement (407) mehrere Leuchtdioden unterschiedlicher Lichtfarbe umfasst.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leuchtobjekt (401) kugelförmig ist und das Leuchtelement (407) im Inneren des kugelförmigen Leuchtobjektes (401) angeordnet ist.
Leuchtobjekt (401) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das Leuchtobjekt (401) eines der folgenden Leuchtobjekte ist: – eine Christbaumkugel, – eine Christbaumkerze; – ein Dekorationsobjekt; – eine Gartenbeleuchtung; – eine Schaufensterbeleuchtung; – eine Arbeitsbeleuchtung, oder – eine Objektbeleuchtung.
System zum Umwandeln von Energie aus einem Hochfrequenzfeld in Lichtenergie, mit: – einem Sender (1001) zum Aussenden von Energie über das Hochfrequenzfeld; und – einem Leuchtobjekt (401) zum drahtlosen Empfangen der von dem Sender (1001) ausgesendeten Energie und zum Umsetzen der empfangenen Energie in Lichtenergie (409).
System nach Anspruch 16, wobei der Sender (1001) eine Modulationseinheit (1007) zur Modulation des gesendeten Hochfrequenzfeldes, insbesondere zur Frequenzmodulation und/oder zur Quadraturmodulation (QAM) und/oder zur kontinuierlichen Phasenmodulation (CPM), umfasst.