NL1036415C2

NL1036415C2 - Werkwijze en inrichting voor draadloze overdracht van elektrische energie.

Info

Publication number: NL1036415C2
Application number: NL1036415A
Authority: NL
Inventors: Mateo Jozef Jacques Mayer
Original assignee: Cooeperatieve Vereniging Easymeasure U A
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2010-07-14

Description

Werkwijze en inrichting voor draadloze overdracht van elektrische energie

Onderhavige vinding betreft een werkwijze en inrichting voor de draadloze overdracht van elektrische energie gekenmerkt door een functiegenerator die een sinus of een blokgolf genereert, een single ended versterker bestaande uit een enkele transistor, tenminste een 5 eerste kring met een bij voorkeur spiraalgewonden spoel en tenminste een tweede kring die draadloos door middel van inductie aan de eerste kring is gekoppeld waarbij de tweede kring op tenminste een elektrische belasting is aangesloten danwel zelf een elektrische belasting vormt door omzetting van elektrische energie in warmte.

10 Inleiding

In bijvoorbeeld de reclamewereld, badkamersector en IT sector bestaat een groeiende behoefte aan draadloze energie- en informatie-overdracht om op deze wijze verlichting, tandenborstels, scheerapparaten, mobiele telefoons, laptops, PDA's draadloos van energie te voorzien en / of op te laden.

15 Draadloze energie-overdracht is alleen een duurzaam en economisch interessant alternatief voor klassieke energievoorziening indien deze overdracht efficient gebeurt en / of indien de over te dragen vermogens relatief klein zijn. Verder is het wenselijk dat meerdere oplaadpunten met dezelfde centrale unit kunnen worden aangestuurd en dat deze oplaadpunten alleen in bedrijf zijn wanneer ook daadwerkelijk een apparaat moet 20 worden opgeladen en / of geactiveerd.

Onderhavige vinding betreft een goedkope compacte en eenvoudige werkwijze en inrichting waarmee het mogelijk is om vanuit een centrale stuurunit meerdere oplaadpunten van elektrische energie te voorzien en waarmee het mogelijk is de oplaadpunten alleen elektrisch te belasten wanneer ook daadwerkelijk een of meerdere secundaire kringen aan 25 de primaire kring van het oplaadpunt worden gekoppeld.

Technische beschrijving van onderhavige vinding

De technologie bestaat uit volgens een eerste aspect uit een voeding. Deze voeding is bij voorkeur een schakelende voeding en de spanning die deze voeding levert is bij voorkeur 30 een slecht afgevlakte gelijkspanning in het gebied tussen 1 Volt en 350 Volt, nog meer bij voorkeur in het gebied tussen 5 Volt en 70 Volt en het meest bij voorkeur in het gebied tussen 10 Volt en 50 Volt. Volgens een tweede aspect bestaat onderhavige vinding uit een functiegenerator. Deze functiegenerator produceert bij voorkeur een niet perfecte sinus of een blokgolf met een frequentie in het gebied van 5 kHz tot 10 GHz nog meer bij voorkeur 35 in het gebied van 10 kHz tot 10 MHz en het meest bij voorkeur in het gebied van 15 kHz tot 1 MHz. Volgens een derde aspect bestaat onderhavige vinding uit een single ended versterker die bij voorkeur is opgebouwd uit tenminste een transistor of vacuumbuis en

IliTfiiMe 2 tenminste een primaire kring, nog meer bij voorkeur is de single ended versterker opgebouwd uit een enkele transistor en meerdere primaire kringen en het meest bij voorkeur is deze single ended versterker opgebouwd uit een enkele FET (Field Effect Transistor) en meerdere primaire kringen. In deze aanvraag wordt met primaire kring een 5 serie en / of parallelschakeling van een bij voorkeur spiraalgewonden spoel en een condensator bedoeld die als energiebron kan dienen voor een of meerdere secundaire kringen wanneer die in de nabijheid van de primaire kring worden geplaatst. Volgens een vierde aspect bestaat onderhavige vinding uit tenminste een secundaire kring met bij voorkeur dezelfde resonantiefrequentie als de primaire kring. Volgens een vijfde aspect 10 bestaat onderhavige vinding uit een electrische belasting die op tenminste een secundaire kring is aangesloten waarbij wordt opgemerkt dat een korstgesloten secundaire kring volgens de definitie in deze aanvrage ook een electrische belasting is. Een kortgesloten secundaire kring kan bijvoorbeeld dienst doen als verwarmingselement bijvoorbeeld achter een spiegel in een badkamer om te voorkomen dat deze spiegel beslaat. Bij voorkeur 15 wordt onderhavige vinding ook uitgerust met een sensor die detecteert of op een of meerdere primaire spoelen een elektrische belasting is aangesloten. Indien dit het geval is wordt de centrale besturingsunit die energie levert aan de primaire kringen gedurende een vastgestelde tijd ingeschakeld. Zodra de centrale besturingsunit automatisch wordt uitgeschakeld wordt van tijd tot tijd, bijvoorbeeld elke minuut gedurende een seconde, 20 gecontroleerd of ergens in het systeem een primaire kring wordt belast. Indien dit het geval is wordt de centrale besturingsunit automatisch ingeschakeld. Een bijzondere sensor die kan worden toegepast om te detecteren of een primaire kring wordt belast is een ultrasone sensor. Indien een primaire kring met een of meerdere secundaire kringen wordt belast zullen, afhankelijk van de gekozen frequentie voor energie-overdracht en van de geometrie 25 van de secundaire kring en de belasting in de secundaire kring, wervelstromen gaan lopen die ultrasone trillingen opwekken. Als bijvoorbeeld gedurende een seconde per minuut middels een gevoelige ultrasone sensor wordt gecontroleerd of een dergelijke wervelstroom loopt is het mogelijk om de centrale stuurunit in te schakelen. Door objecten van bijvoorbeeld een klein stukje metaalfolie te voorzien kan een dergelijke ultrasone trilling 30 doelgericht worden opgewekt zodat het object door de ultrasone sensor wordt gedetecteerd zodra het op een primaire kring wordt geplaatst. Opgemerkt wordt dat water dat uit een kraan stroomt of uit een douchekop stroomt en op de grond klettert ook ultrasoon geluid produceert. Door toepassing van een ultrasone sensor is het daarom ook mogelijk om sfeerverlichting, bij voorkeur LED verlichting, aan te schakelen met een 35 centrale stuurunit zodat de kraan van het bad wordt aangezet. Op eenzelfde wijze is het mogelijk om de secundaire kring van een verwarmingselement dat in een spiegel is ingebouwd van energie te voorzien zodra de kraan van een wasbak wordt opengezet.

3

Aangezien een ultrasone sensor erg gevoelig is, is het ook mogelijk om door plaatsing van een enkele sensor in de badkamer de centrale stuurunit om de primaire kringen van energie te voorzien in te schakelen zodra in de badkamer een willekeurige waterkraan wordt opengezet. Bij voorkeur worden voor ultrasone detectie sensors toegepast die in het 5 gebied van 15 kHz tot 1 MHz werken, nog meer bij voorkeur in het gebied van 20 kHz tot 100 kHz en het meest bij voorkeur in het gebied van 25 kHz tot 50 kHz. Een andere mogelijkheid is om de centrale stuurunit op slaapstand te laten werken. In deze slaapstand wordt slechts een zeer geringe hoeveelheid elektrische energie aan de primaire kring(en) gevoed. Aan elke primaire kring is ook een kleine secundaire kring gekoppeld die een 10 kleine verandering in stroom detecteert die optreedt zodra een tweede secundaire kring met een electrische belasting in de nabijheid van de primaire kring wordt geplaatst. Zodra deze verandering in stroom wordt waargenomen wordt de centrale besturingsunit ingeschakeld.

De uitvinders van onderhavige vinding hebben vastgesteld dat een goede energie-15 overdracht kan worden gerealiseerd met 2 typen electrische schakelingen die worden gekenmerkt door eenvoud en een lage kostprijs. Deze schakelingen worden nu aan de hand van 2 niet limiterende praktijkvoorbeelden beschreven.

Voorbeeld 1

Figuur 1 laat een schakeling zien waarmee het mogelijk is op efficiënte wijze energie over 20 te dragen van een primaire kring naar een secundaire kring. Transformator T1 is aan de primaire zijde, in figuur 1 aangeduid met AC, aangesloten op het lichtnet dus op een effectieve wisselspanning van 230 Volt en een frequentie van 50 Hz. De transformator transformeert deze wisselspanning van 230 Volt effectief omlaag naar een effectieve waarde van 160 Volt. Vervolgens wordt de wisselspanning gelijk gericht met diodes D1 en 25 D2. Het gevolg is dat over condensator C3 een wisselende gelijkspanning staat met een frequentie van 100 Hz. Condensator C3 heeft een waarde van 16.4 nF en vlakt de wisselspanning dus nauwelijks af. Het gevolg is dat FETT1 van het type IRF840 gevoed wordt met een wisselende gelijkspanning. Spoel L1 is een ronde spiraalgewonden spoel die op een printplaat is geetst. De spoel heeft een diameter van 17.5 cm , bestaat uit 92 30 windingen en heeft een inductiviteit van 719 μΗ. Condensator C1 heeft een waarde van 2.2 nF. Op de gate van FET T1 wordt een functiegenerator FG aangesloten. Deze functiegenerator bestaat uit een 555 timer schakeling die een blokspanning met instelbare frequentie levert. De uitgang van de timerschakeling is aangesloten op een weerstand van 130 ohm die in serie is geschakeld met een eerste vierkante spiraalgewonden spoel met 35 een diameter van 4.6 cm die op een printplaat is geetst met een dikte van 0.5 mm. De printplaat is 2 zijdig bedrukt en bevat op elke zijde 42 windingen die in serie zijn geschakeld. De inductiviteit van deze spoel bedraagt 237 μΗ. Op deze eerste vierkante 4 spiraalgewonden spoel is een tweede gelijkwaardige spiraalgewonden spoel met een diameter van 4.6 cm en een inductiviteit van 237 pH gelijmd. Op deze wijze wordt een transformator verkregen. De uitgang van deze transformator Is gebruikt als functiegenerator FG. Dit betekent dat de secundaire spoel is aangesloten op de gate van 5 FET T1 en de massa. Door toepassing van de transformator produceert functiegenerator FG geen blokspanning maar een wisselspanning. De dutycycle van functiegenerator FG is zo ingesteld dat de 555 timer 15% van de tijd stroom levert. De frequentie waarop de timer is ingesteld kan worden gekozen en bedraagt in de praktijk circa 50 kHz tot 250 kHz.

Spoel L1 met een diameter van 17.5 cm wordt op een glazen of houten plaat met een dikte 10 van 5 mm gelijmd en op een houten tafel gelegd waarbij de spoel op tafel rust. Boven op de glasplaat wordt een vierkante spiraalgewonden spoel met een diameter van 4.6 cm en een inductiviteit van 237 μΗ geplaatst met daaraan parallel geschakeld een condensator C2 met een waarde van 2.2 nF en in serie geschakeld met LED1 zoals ook weergegeven in figuur 1. Wanneer de schakeling wordt aangesloten op het lichtnet, gaat LED1 branden. 15 Vervolgens wordt parallel aan spoel L2 een oscilloscoop aangesloten. Waargenomen wordt een draaggolf die amplitudegemoduleerd is met een frequentie van 100 Hz en een modulatiediepte van bijna 100% heeft. De draaggolf heeft een frequentie van circa 200 kHz maar bevat ook enkele hogere harmonischen.

Er kunnen meerdere secundaire circuits tegelijkertijd op de glasplaat worden geplaatst en 20 elk van de LEDs op het secundaire circuit gaat branden. De LEDs die in het experiment zijn toegepast zijn van het type LED MR16 en bevinden zich een een behuizing die past in een halogeenspotje dat op een spanning van 12 Volt werkt. In de behuizing bevinden zich 12 LEDs. Deze blijken fel op te lichten.

In een vervolgexperiment zijn 2 spoelen met een diameter van 17.5 cm en een inductiviteit 25 van 719 pH parallel geschakeld en aangesloten op dezelfde wijze als spoel L1 in figuur 1 is aangesloten. Op beide primaire spoelen worden secundaire circuits met een LED geplaatst en de LEDs op beide primaire spoelen blijken op te lichten.

Het is voor de vakman duidelijk dat de schakeling in figuur 1 niet optimaal werkt maar het voorbeeld toont eenduidig aan dat met de technologie van onderhavige vinding met zeer 30 eenvoudige middelen draadloos energie kan worden overgedragen.

Voorbeeld 2

Een sinusgenerator FG volgens het schema in figuur 2 wordt aangesloten op een versterker volgens het schema in figuur 3. Hierbij wordt punt A aangesloten op de plus van voeding V1 en punt B op de min van voeding V1. Als primaire spoel L1 wordt de eerder 35 beschreven vierkante spiraalgewonden spoel met een diameter van 4.6 cm en een inductiviteit van 237 pH toegepast. De spoel wordt op een glasplaat gelijmd en op een houten tafel geplaatst zodanig dat de spoel de tafel raakt. Boven op de glasplaat wordt een 5 secundair circuit bestaande uit L2, C2 en LED1 zoals ook weergegeven in figuur 1 geplaatst. De lamp licht fel op bij een voedingsspanning V1 van 16 Volt. De FET T1 van het type IRF840 wordt nauwelijks warm hetgeen betekent dat de efficiency van de energie-overdracht hoog is. Een inrichting volgens het schema in figuren 2 en 3 voor draadloze 5 energie-overdracht maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding.

Voorbeeld 2 laat duidelijk zien dat met zeer eenvoudige middelen draadloze energie-overdracht kan worden gerealiseerd. Het is voor de vakman duidelijk dat de elektrische schakelingen zoals beschreven in deze aanvrage uitermate geschikt zijn voor de produktie van een schakelende voeding in het algemeen. Bijzondere uitvoeringsvormen van een 10 schakelende voeding die nadrukkelijk deel uitmaken van onderhavige vinding zijn voedingen waarbij gebruik wordt gemaakt van tenminste een transformator die uit bij voorkeur op een printplaat aangebrachte spiraalgewonden spoelen bestaat en waarbij de primaire en secundaire spoelen gescheiden zijn door tenminste een laag materiaal waaruit de printplaat is opgebouwd. Dergelijke transformators zijn bij uitstek geschikt om op zeer 15 reproduceerbare wijze hoogspanningsvoedingen te maken en de schakelingen zoals weergegeven in deze aanvrage zijn uitermate geschikt voor het opwekken van dergelijke hoogspanningen in een of meerdere transformators. Het is voor de vakman ook duidelijk dat de spiraalgewonden spoelen gebruikt kunnen worden in commercieel verkrijgbare schakelende voedingen als goedkoop en betrouwbaar alternatief voor gewikkelde 20 transformators.

Opgemerkt wordt dat een functiegenerator die een niet perfecte sinus en / of een niet perfecte blokgolf waaronder een amplitude gemoduleerde sinus en / of een amplitude gemoduleerde blokgolf en / of een frequentie gemoduleerde sinus en / of een frequentiegemoduleerde blokgolf de energie-efficiency van onderhavige vinding vergroot.

25 Dergelijke functiegenerators maken dan ook nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding. Tot slot wordt opgemerkt dat bij frequenties hoger dan 200 kHz ook heel goed functiegenerators uit de hoogfrequent radiotechnologie kunnen worden toegepast zoals bijvoorbeeld een Colpitts oscillator.

30 35 10*6415

Claims

1. Werkwijze of inrichting voor de draadloze overdracht van elektrische energie van een eerste inrichting die galvanisch is gescheiden van een tweede inrichting gekenmerkt door

2. Werkwijze of inrichting volgens conclusie 1 waarbij een ultrasone sensor detecteert of de eerste kring van energie moet worden voorzien zodat een significante 15 hoeveelheid energie draadloos wordt overgedragen van een eerste kring naar tenminste een tweede kring.

3. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 of 2 waarbij een reeks eerste kringen achter tegels in een badkamer wordt gemonteerd om op deze wijze draadloze stopcontacten te verkrijgen.

4. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 3 waarbij een secundaire kring wordt toegepast om een lamp van elektrische energie te voorzien.

5. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 3 waarbij een kortgesloten secundaire kring wordt gebruikt als verwarming waarbij de 25 spiraalgewonden spoel het verwarmingselement is.

5. Een functiegenerator, • een single ended versterker bestaande uit een enkele transistor, • tenminste een eerste kring met een bij voorkeur spiraalgewonden spoel en • tenminste een tweede kring die draadloos door middel van inductie aan de eerste kring is gekoppeld en waarbij 10. de tweede kring op tenminste een elektrische belasting is aangesloten danwel zelf een elektrische belasting vormt door omzetting van elektrische energie in warmte.

6. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 3 waarbij een secundaire kring wordt toegepast om een tandenborstel en / of een scheerapparaat en / of een mobiele telefoon en / of een PDA en / of een laptop op te laden.

7. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 6 waarbij de technologie volgens onderhavige vinding wordt toegepast in een schakelende voeding.

8. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 7 waarbij de technologie volgens onderhavige vinding wordt toegepast voor het opwekken 35 van spanningen hoger dan 1000 Volt.

9. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 8 waarbij de functiegenerator een gemoduleerde sinusfunctie genereert. 1036415

10. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 8 waarbij de fundiegenerator een gemoduleerde blokgolf genereert.

11. Werkwijze of inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 10 waarbij de fundiegenerator een oscillator uit de hoogfrequente radiotechnologie is zoals 5 een Collpits oscillator. 10 15 20 25 30 35 1036415