DK176584B1 - Hovedsæt med genopladeligt batteri, baseenhed indrettet til at oplade et genopladeligt batteri samt en kommunikationsenhed - Google Patents

Description

DK 176584 B1

Opfindelsen angår et hovedsæt med et genopladeligt batteri, der er indrettet til at blive opladet af en DC-strøm via en induktiv kobling, hvor hovedsættet omfatter en sekundærspole af den induktive kobling samt en AC-DC konverter til tilvejebringelse af DC-strømmen, og hvor AC-DC konverteren 5 er tilsluttet sekundærspolen.

Desuden angår opfindelsen en baseenhed, der er indrettet til at oplade et genopladeligt batteri i et hovedsæt via en induktiv kobling, hvor baseenheden omfatter en DC-AC konverter, som er tilsluttet en primærspole af den 10 induktive kobling.

Endelig angår opfindelsen en kommunikationsenhed omfattende en baseenhed og et hovedsæt med et genopladeligt batteri indrettet til at blive opladet via en DC-DC konverter, hvor baseenheden omfatter en primærside 15 af DC-DC konverteren i form af en DC-AC konverter tilsluttet en primær-spole, og hvor hovedsættet omfatter en sekundærside af DC-DC konverteren i form af en sekundærspole og en AC-DC konverter, og hvor primærspolen og sekundærspolen udgør en induktiv kobling.

20 Fra US 2005/0017677 kendes en induktionsoplader, der bl.a. kan anvendes i forbindelse med et hovedsæt. Denne kendte induktionsoplader er af en generel type, hvori der er adskillelige indstillingsmuligheder, idet der på sekundærsiden indgår spændings- og strømmålere samt en processor, der styrer et omskiftningskredsløb for tilpasning af ladestrøm.

25

Desuden kendes fra EP 1414221 A1 et hovedsæt med genopladeligt batteri, som kan oplades induktivt. Der er dog ikke anvist nogen konkret udformning af det induktive system.

30 Endelig kendes fra US 2003/0211871 A1 et hovedsæt, som kan oplades induktivt. Der er heller ikke i denne publikation anvist nogen konkret ud 2 DK 176584 B1 formning af det induktive kredsløb, men nævnt, at opladning kan foregå via en opladerbakke.

Det er på denne baggrund et formål med opfindelsen at tilvejebringe et ho-5 vedsæt, der ved hjælp af få komponenter kan oplades induktivt.

Opfindelsens formål tilgodeses ved et hovedsæt af den i indledningen til krav 1 angivne, der er karakteristisk ved, at AC-DC konverteren omfatter en spændingsdobler.

10

En sådan spændingsdobler er opbygget af relativt få komponenter og har i øvrigt den fordel, at den spole, der indgår på sekundærsiden, kan opbygges med få vindinger, hvilket igen betyder, at der kan spares plads, når den indbygges i et kompakt hovedsæt.

15

En god, realisabel opbygning af spændingsdobleren med få komponenter er, som angivet i krav 2, at spændingsdobleren udgøres af to seriekoblinger, hvor hver seriekobling omfatter en diode og en kondensator, og, som angivet i krav 3, at spændingsdobleren omfatter to dioder og to kondensa-20 torer, og at en fælles terminal for de to dioder er forbundet til sekundærspolens første terminal, og at en fælles terminal for de to kondensatorer er forbundet til sekundærspolens anden terminal, og, som angivet i krav 4, at spændingsdobleren er indrettet til at oplade kondensatorerne ved, at de to dioder er forspændt i lederetningen i hver deres halvperiode af et tilført AC-25 signal.

Med henblik på at kunne minimere størrelse og vægt af hovedsættet er det fordelagtigt, som angivet i krav 5, at sekundærspolen er en luftspole.

30 Til sikring af en god, induktiv kobling er det hensigtsmæssigt, hvis, som angivet i krav 6, hovedsættet er indrettet til at blive koblet til en baseenhed 3 DK 176584 B1 omfattende en primærspole, således at primærspolen og sekundærspolen under opladning af det genopladelige batteri udgør en induktiv kobling, og, som angivet i krav 7, at hovedsættet er indrettet til at gå i indgreb med en baseenhed omfattende en primærspole, således at primærspolen og se-5 kundærspolen er koncentriske, når hovedsættet og baseenheden er i indgreb.

Det er endvidere hensigtsmæssigt, som angivet i krav 8, at hovedsættet er udformet med et fremspring eller en fordybning til tilvejebringelse af en 10 koncentrisk placering af sekundærspolen i forhold til primærspolen, hvor fremspringet eller fordybningen er indrettet til at gå indgreb med baseenheden, idet det herved bliver let mekanisk at tilpasse flere typer af hovedsæt til baseenheden.

15 Yderlige fordelagtige træk ved hovedsættet er angivet i kravene 9 og 10.

Som nævnt angår opfindelsen også en baseenhed. Denne baseenhed er karakteristik ved, at DC-AC konverteren omfatter et selv-oscillerende kredsløb. Dette giver den fordel, at kredsløbet altid switcher optimalt, både 20 når det er belastet og ubelastet, hvilket igen betyder, at udstråling og ef-fektforbrug vil være mindst mulig.

En hensigtsmæssig måde at realisere det selv-oscillerende kredsløb på er, som angivet i krav 12, at det omfatter to transistorer, der er indbyrdes for-25 bundet via en serieforbindelse af to spoler, som udgør primærspolen, og at der parallelt med spolerne er forbundet en kondensator, og, som angivet i krav 13, at de to spoler har en fælles terminal, der er forbundet til en serieforbindelse af en DC-kilde og en tredje spole, og, som angivet i krav 14, at de to spoler har en fælles terminal, der er forbundet til en DC-kilde, og at de 30 to transistorer har en fælles terminal, der er forbundet til en tredje spole, samt, som angivet i krav 15, at de to transistorer er NPN-transistorer.

4 DK 176584 B1

En enkel implementering af de to spoler er, som angivet i krav 16, at spolerne udgøres af en enkelt spole med midterudtag.

Med henblik på at kunne minimere størrelse og vægt af baseenheden er 5 det fordelagtigt, som angivet i krav 17, at primærspolen er en luftspole.

En fordelagtig udførselsform af baseenheden er, som angivet i krav 18, at den er indrettet til at blive koblet til et hovedsæt omfattende en sekundærspole, således at primærspolen og sekundærspolen under opladning af det 10 genopladelige batteri udgør en induktiv kobling, og, som angivet i krav 19, at den er indrettet til at gå i indgreb med et hovedsæt omfattende en sekundærspole, således at primærspolen og sekundærspolen er koncentriske, når baseenheden og hovedsættet er i indgreb.

15 Endelig er det fordelagtigt, som angivet i krav 20, at baseenheden er udformet med et fremspring eller en fordybning til tilvejebringelse af en koncentrisk placering af primærspolen i forhold til sekundærspolen, hvor fremspringet eller fordybningen er indrettet til at gå indgreb med hovedsættet, idet det herved bliver let mekanisk at tilpasse flere typer af hovedsæt til 20 baseenheden.

Som nævnt angår opfindelsen også en kommunikationsenhed. Denne kommunikationsenhed er karakteristisk ved, at DC-AC konverteren omfatter et selv-oscillerende kredsløb, og at AC-DC konverteren omfatter en spæn-25 dingsdobler.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken 30 fig. 1 viser grundopbygningen af en DC-DC konverter i en kommunikationsenhed ifølge opfindelsen, 5 DK 176584 B1 fig. 2 viser, hvorledes en primærspole og en sekundærspole er koblet i DC-DC konverteren, fig. 3 viser en AC-DC konverter i et hovedsæt ifølge opfindelsen, 5 fig. 4 viser en DC-AC konverter i en baseenhed ifølge opfindelsen, fig. 4A viser en alternativ udførelsesform af kredsløbet på fig. 4, 10 fig. 5 viser spændingskarakteristikker for kredsløbet i fig. 4 og 4A, fig. 6 viser yderligere spændingskarakteristikker for DC-AC konverteren i fig. 4 og 4A, medens

15 fig. 7 viser strøm- og spændingskarakteristikker for AC-DC

konverteren i fig. 3.

På fig. 1 er vist en DC-DC konverter i en kommunikationsenhed ifølge opfindelsen, hvor der med 1 er betegnet en DC-AC konverter, som er tilsluttet 20 en spole 2, der som vist på fig. 4 kan udgøres af to spoler 2a, 2b eller af en enkelt spole med midterudtag. DC-AC konverteren og spolen 2 kan være anbragt i en baseenhed indrettet til at blive koblet til et hovedséet.

Indgangsporten til DC-AC konverteren kan være tilkoblet det offentlige net 25 via en ensretter og en spændingsdeler, således som det er velkendt.

Med 5 er betegnet en AC-DC konverter, der er tilsluttet en spole 3. Udgangen af AC-DC konverteren afgiver en DC-spænding på en terminal 6, der kan være tilsluttet et ikke-vist genopladeligt batteri, som kan være anbragt i 30 et hovedsæt.

6 DK 176584 B1

Kredsløbet på fig. 1 virker ved, at en genereret AC-spænding på spolen 2 overføres induktivt til spolen 3, således at det genopladelige batteri kan oplades gennem en galvanisk adskilt kobling, hvorved mekaniske og elektriske stikforbindelser mellem baseenheden og hovedsættet bliver udeladt.

5 DC-AC konverteren og spolen 2 udgør primærsiden, og AC-DC konverteren og spolen 3 udgør sekundærsiden i den samlede DC-DC konverter.

Ved at anvende en induktiv kobling som beskrevet til opladning af et hovedsæt kan energioverførslen til det genopladelige batteri således ske, 10 uden at det er nødvendigt at udforme huller i hovedsættet, da den induktive kobling virker direkte gennem hovedsættets hus eller kabinet, som omslutter de indre, elektriske dele.

På fig. 2 ses, hvorledes primærspolen 2 og sekundærspolen 3 kan være 15 koblet til hinanden. Primærspolen 2 ligger yderst og koncentrisk med sekundærspolen 3. De er adskilt af chassisdele 7, 8, hvor chassisdelen 7 udgør en del af et hus i et hovedsæt, medens chassisdelen 8 udgør en del af et hus i en baseenhed, som omfatter DC-AC konverteren 1.

20 Udformes spolerne 2, 3 som luftspoler, dvs. spoler uden jernkerne, i en kommunikationsenhed ifølge opfindelsen, opnår man herved en reduktion i både størrelse og vægt, hvilket er fordelagtigt i f.eks. trådløse hovedsæt, der kommunikerer via Bluetooth eller en anden trådløs standard.

25 Chassisdelene kan være udformet med fordybninger og fremspring, som er indrettet til at gå i indgreb med hinanden. Eksempelvis kan baseenheden være udformet med en fordybning, som er indrettet til at modtage en tap udformet i hovedsættet eller omvendt. Herved kan en koncentrisk placering af spolerne sikres, hvilket giver en optimal overførsel af energi i den induk-30 tive kobling. De i DC-AC og AC-DC konverterne indgående spoler kan ind-støbes i chassisdelene.

7 DK 176584 B1 På fig. 3 vises AC-DC konverteren 5 i form af en spændingsdobler. I en udførselsform udgøres den af en diode 9, der på sin ene terminal er tilsluttet en terminal 12a på sekundærspolen 3, medens dens anden terminal 10a er tilsluttet en kondensator 10, hvis modsatte terminal 13 er tilsluttet 5 sekundærspolens 3 anden terminal 13.

Yderligere er der til sekundærspolens 3 anden terminal 13 tilsluttet en kondensator 11, hvis modsatte terminal er tilsluttet en terminal på en diode 12, hvis modsatte terminal er tilsluttet fællesterminalen 12a mellem sekundær-10 spolen 3 og dioden 9.

Spændingsdobleren fungerer som to seriekoblinger, der virker i hver deres halvperiode af et tilført AC-signal. Hver seriekobling består af en diode og en kondensator, hvor dioden, når den leder strøm, vil oplade kondensato-15 ren.

Når der i sekundærspolen 3 induceres strøm og spænding, vil dioden 9 lede i den positive halvbølge og således oplade kondensatoren 10. Dioden 12 vil være i spærreretning og således ikke lede strøm. I den negative 20 halvbølge er det omvendt. Der vil dioden 12 lede og oplade kondensatoren 11, mens dioden 9 er i spærreretning og ikke leder strøm.

Antages det, at spændinger over sekundærspolen 3 er Erms, vil peak-spændingen over kondensatoren 10 være 1.4 x Erms, og ligeledes vil 25 spændingen over kondensatoren 11 være 1.4 x Erms. Spændingsniveauet i punkt 6 vil være det dobbelte af spændingen i punkt 13. Den totale spænding over de to kondensatorer vil derfor være 2.8 x Erms. Altså den dobbelte spænding af, hvad man opnår med en konventionel ensretterbro bestående af fire dioder.

Da spændingen på sekundærsiden er bestemt af forholdet mellem antallet 30 8 DK 176584 B1 af viklinger på primær- og sekundærspolen, opnås således en reduktion i antallet af viklinger på sekundærsiden. Dette betyder, at spolen optager mindre fysisk plads og vil være lettere at formgive til den ønskede geometri.

5 Yderligere reduceres diodespændingstabet, idet der kun er tabet i én diode i hver halvbølge, hvorimod der i en konventionel ensretterbro med fire dioder vil være diodespændingstab i to dioder i hver halvbølge.

Idet der nu henvises til fig. 4, skal det forklares, hvorledes DC-AC konverte-10 ren 1 i form af et selv-oscillerende kredsløb er opbygget.

Spolen 2 består af to spoler 2a, 2b eller en spole med midterudtag 21. Spolernes midterudtag 21 er koblet til en serieforbindelse afen DC-kilde 14 og en spole 15. Spolerne 2a og 2b er via terminalerne 22, 23 parallelkoblet 15 med en kondensator 18.

Terminalerne 22, 23 er yderligere koblet til hver sin transistor 16, 17 (Q1 og Q2), der på deres baser, henholdsvis 20 og 19, kan modtage styresignaler fra et ikke-vist styrekredsløb.

20

Fig. 4A viser en alternativ udførselsform af det selv-oscillerende kredsløb i fig. 4. Her er spolen 15 flyttet fra seriekoblingen med DC-forsyningen til at sidde mellem stel og en fælles terminal 21a for de to transistorer. Princippet i virkemåden er uændret i forhold til kredsløbet vist på fig. 4.

25

Herefter skal det forklares, hvorledes kredsløbet på fig. 1- 4A virker.

Ved skiftevis at tilføre pulser til baserne 19, 20 på transistorerne 17, 16 vil DC-kilden 14 gennem spolen 15 frembringe en sinusformet AC-spænding i 30 spolerne 2a, 2b, som vil overføres til spolen 3 i AC-DC konverteren 5 og videre til et genopladeligt batteri.

DK 176584 B1 g På fig. 5 er med 24 vist en spænding, der genereres på terminal 21 i afhængighed af spændingerne 25, 26, der er kollektorspændingeme på henholdsvis Q1 og Q2.

5 Spændingerne over de to spoler 2a og 2b er på fig. 6 vist ved henholdsvis 27 og 28.

På fig. 7 er med 29 betegnet en strøm gennem dioden 12 på fig. 3, medens 30 betegner strømmen gennem dioden 9. Spændingen over spolen 3 er 10 sammensat af en DC-komponent 31 og en pulserende spænding 32, som ligger symmetrisk i forhold til komponenten 31.

Switch-frekvensen tilpasses på DC-DC konverterens primærside af det seiv-oscillerende kredsløb i afhængighed af belastningen på sekundær-15 siden. Da kredsløbet 1 er selv-oscillerende, og switch-frekvensen vil ændre sig som følge af induktansen i den samlede transformator, vil kredsløbet switche optimalt, både når det er belastet af et genopladeligt batteri, som skal forsynes med en DC-strøm, og når det er ubelastet. Når kredsløbet switcher optimalt, er udstrålingen minimal, og effektforbruget i kredsløbet vil 20 være lavt, dvs. der bruges ikke unødvendig energi, når hovedsættet ikke er placeret i baseenheden.

Som det ses på fig. 6, er der tale om et tilnærmelsesvis sinusformet signal, der overføres via den induktive kobling. Dette har den fordel, at det i praksis 25 også betyder ganske få overtoner til switch-frekvensen, der derfor giver en meget lav, luftbåret udstråling og dermed en høj virkningsgrad af den samlede DC-DC konverter.

Claims (21)

1. Hovedsæt med et genopladeligt batteri indrettet til at blive opladet af en DC-strøm via en induktiv kobling (4), hvor hovedsættet omfatter 5 en sekundærspole (3) af den induktive kobling samt en AC-DC kon verter (5) til tilvejebringelse af DC-strømmen, og hvor AC-DC konverteren er tilsluttet sekundærspolen {3), kendetegnet ved, at AC-DC konverteren omfatter en spændingsdobler.

2. Hovedsæt ifølge krav 1, kendetegnet ved, at spændingsdobleren udgøres af to seriekoblinger, hvor hver seriekobling omfatter en diode og en kondensator.

3. Hovedsæt ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at 15 spændingsdobleren omfatter to dioder (9, 12) og to kondensatorer (10, 11), og at en fælles terminal (12a) for de to dioder er forbundet til sekundærspolens (3) første terminal, og at en fælles terminal (13) for de to kondensatorer er forbundet til sekundærspolens (3) anden terminal. 20

4. Hovedsæt ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet ved, at spændingsdobleren er indrettet til at oplade kondensatorerne (10, 11. ved, at de to dioder (9, 12) er forspændt i lederetningen i hver deres halvperiode af et tilført AC-signal. 25

5. Hovedsæt ifølge krav 1 -4, kendetegnet ved, at sekundærspolen (3) er en luftspole.

6. Hovedsæt ifølge krav 1 -5, kendetegnet ved at være indrettet 30 til at blive koblet til en baseenhed omfattende en primærspole (2), således at primærspolen (2) og sekundærspolen (3) under opladning 11 DK 176584 B1 af det genopladelige batteri udgør en induktiv kobling (4).

7. Hovedsæt ifølge krav 1 - 6,kendetegnet ved at være indrettet til at gå i indgreb med en baseenhed omfattende en primærspole (2), 5 således at primærspolen (2) og sekundærspolen (3) er koncentriske, når hovedsættet og baseenheden er i indgreb.

8. Hovedsæt ifølge krav 6-7, kendetegnet ved at være udformet med et fremspring eller en fordybning til tilvejebringelse af en 10 koncentrisk placering af sekundærspolen (3) i forhold til primærspo len (2), hvor fremspringet eller fordybningen er indrettet til at gå indgreb med baseenheden.

9. Hovedsæt ifølge krav 1 -8, kendetegnet ved, at det er et tråd- 15 løst hovedsæt.

10. Hovedsæt ifølge krav 1 -9, kendetegnet ved, at det er et Bluetooth-hovedsæt.

10 DK 176584 B1

11. Baseenhed indrettet til at oplade et genopladeligt batteri i et hoved sæt via en induktiv kobling (4), hvor baseenheden omfatter en DC-AC konverter (1), som er tilsluttet en primærspole (2) af den induktive kobling, kendetegnet ved, at DC-AC konverteren omfatter et selv-oscillerende kredsløb. 25

12. Baseenhed ifølge krav 11,kendetegnet ved, at det selv-oscillerende kredsløb (1, 2) omfatter to transistorer (16, 17), der er indbyrdes forbundet via en serieforbindelse af to spoler (2a, 2b), som udgør primærspolen (2), og at der parallelt med spolerne er forbun- 30 det en kondensator (18). 12 DK 176584 B1

13. Baseenhed ifølge krav 12, kendetegnet ved, at de to spoler (2a, 2b) har en fælles terminal (21), der er forbundet til en serieforbindelse afen DC-kilde (14) og en tredje spole (15).

14. Baseenhed ifølge krav 12, kendetegnet ved, at de to spoler (2a, 2b) har en fælles terminal (21), der er forbundet til en DC-kilde (14), og at de to transistorer (16, 17) har en fælles terminal (21a), der er forbundet til en tredje spole (15).

15. Baseenhed ifølge krav 12-14, kendetegnet ved, at de to transistorer (16, 17) er NPN-transistorer.

16. Baseenhed ifølge krav 12-15, kendetegnet ved, at to af spolerne (2a, 2b, 15) udgøres af en enkelt spole med et midterudtag. 15

17. Baseenhed ifølge krav 11 -16, kendetegnet ved, at primærspolen (2) er en luftspole.

18. Baseenhed ifølge krav 11 -17, kendetegnet ved at være ind- 20 rettet til at blive koblet til et hovedsæt omfattende en sekundærspole (3), således at primærspolen (2) og sekundærspolen (3) under opladning af det genopladelige batteri udgør en induktiv kobling (4).

19. Baseenhed ifølge krav 11 -18, kendetegnet ved at være ind- 25 rettet til at gå i indgreb med et hovedsæt omfattende en sekundær spole (3), således at primærspolen (2) og sekundærspolen (3) er koncentriske, når baseenheden og hovedsættet er i indgreb.

20. Baseenhed ifølge krav 18-19, kendetegnet ved at være 30 udformet med et fremspring eller en fordybning til tilvejebringelse af en koncentrisk placering af primærspolen (2) i forhold til sekundær- DK 176584 B1 13 spolen (3), hvor fremspringet eller fordybningen er indrettet til at gå indgreb med hovedsættet.

21. Kommunikationsenhed omfattende en baseenhed og et hovedsæt 5 med et genopladeligt batteri indrettet til at blive opladet via en DC- DC konverter, hvor baseenheden omfatter en primærside (1, 2) af DC-DC konverteren i form af en DC-AC konverter (1) tilsluttet en primærspole (2), og hvor hovedsættet omfatter en sekundærside (3, 5. af DC-DC konverteren i form af en sekundærspole (3) og en AC-10 DC konverter (5), og hvor primærspolen og sekundærspolen udgør en induktiv kobling (4), kendetegnet ved, at DC-AC konverteren omfatter et selv-oscillerende kredsløb og at AC-DC konverteren omfatter en spændingsdobler.