NL1037776C2 - Werkwijze en inrichting voor veilige stroomvoorziening in natte en vochtige omgeving. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor een veilige stroomvoorziening in natte en vochtige omgeving

Onderhavige vinding betreft een werkwijze en inrichting voor een veilige stroomvoorziening in natte en vochtige omgeving gekenmerkt door een schakelende voeding met bij voorkeur 5 stapelbare transformator waarbij deze schakelende voeding wordt gekenmerkt door een functiegenerator, een push pull versterker, tenminste een eerste spiraalgewonden platte spoel met center tap die werkzaam is verbonden met de push pull versterker en waarvan de eerste helft van de spiraalgewonden spoel zich op de bovenkant van een printplaat (PCB) bevindt, de tweede helft van de spiraalgewonden spoel zich aan de onderkant van de PCB 10 bevindt, de eerste helft en tweede helft van de eerste spiraalgewonden spoel middels een doorvoer door de print galvanisch met elkaar verbonden zijn en waarbij deze doorverbinding tevens een contactpunt is dat als centertap fungeert, tenminste een tweede spoel die zich in het wisselend magnetisch veld van de eerste spoel bevindt en tenminste een eerste belasting die werkzaam verbonden is met de tweede spoel. De aldus verkregen 15 veilige stroomvoorziening voor toepassing in een natte en vochtige omgeving is een bijzondere uitvoeringsvorm van een schakelende voeding en tevens inzetbaar voor draadloze energie- en informatie- overdracht in een natte en vochtige omgeving.

Inleiding 20 In een natte omgeving zoals badkamers en zwembaden, in en rondom vijvers, op vaartuigen wordt veelvuldig elektrische apparatuur toegepast. Meestal werkt deze apparatuur op een netspanning van 220 V / 50 Hz. Op boten wordt volgens stand der techniek vaak een stroomvoorziening van 220 V / 50 Hz gerealiseerd door toepassing van een spanningsconverter die op een accu wordt wordt aangesloten.

25 Een belangrijk nadeel van een stroomvoorziening die een wisselspanning levert met een frequentie van 50 Hz is dat het zenuwstelsel van het menselijk lichaam zeer gevoelig is voor impulsen met deze frequentie. Daarnaast ligt de frequentie van 50 Hz dicht in de buurt van het hartritme met als gevolg dat een elektrische schok veroorzaakt door een wisselstroom met een frequentie van 50 Hz als bij een lage stroomsterkte tot 30 hartritmestoornissen kan leiden.

Het is in de literatuur bekend dat de wisselwerking van elektrische stroom met biologisch weefsel volgens 3 mechanismen verloopt: middels het faradische effect, het elektrolytische effect en het thermische effect. Het faradische effect treedt op bij lage frequenties en is gekenmerkt door reaktie van zenuw- en spiercellen op elektrische stroom. Bij menselijk 35 weefsel is de gevoeligheid voor elektrische prikkels het hoogst bij een wisselstroom met een frequentie van circa 100 Hz. Bij toenemende frequentie neemt het faradische effect af en daarmee ook het schadelijke en (levens)gevaarlijke effect van de elektrische stroom. Het 1037776 2 elektrolytische effect treedt op bij toepassing van gelijkstroom en is het gevolg van een ionenstroom in biologisch weefsel dat ten gevolge van de gelijkstroom ontstaat. Door deze ionenstroom wordt schade toegebracht aan het weefsel. Bij wisselspanning bewegen de ionen in het ritme van de spanning met als gevolg dat hun netto verplaatsing afneemt ten 5 opzichte van de situatie dat een gelijkspanning wordt toegepast. Hierdoor is het elektrolytisch effect meestal beperkt bij frequenties boven 1 kHz. Het thermisch effect wordt veroorzaakt door warmteproduktie. Er loopt een stroom door het biologisch weefsel doordat ionen in het ritme van het elektrisch veld bewegen. Van dit verschijnsel wordt in de hoogfrequentiechirurgie gebruik gemaakt door met een wisselspanning die bij voorkeur een 10 hogere frequentie heeft dan 100 kHz weefsel te snijden en ter plekke te coaguleren door de lokale temperatuurontwikkeling.

Bij de hoogfrequentiechirurgie worden van circa 1200 Volt met pieken van maximaal 4000 Volt. Dat het zenuwstelsel en het spierweefsel bij deze zeer hoge spanningen geen schade oploopt komt door de hoge frequentie van de wisselspanning i.e., 100 kHz of hoger. Bij 15 deze hoge frequentie spelen het faradisch effect en het elektrolytisch effect geen rol. Dit betekent dat alleen het thermisch effect in het biologisch weefsel plaatsvindt.

Op basis van het bovenstaande is voor de vakman duidelijk dat een wisselspanning met een frequentie van 100 kHz of hoger veel minder gevaarlijk is voor de mens dan wisselspanningen met een frequentie van 50 Hz. Dit betekent dat een elektrische voeding 20 en een elektrisch apparaat dat op een frequentie van bijvoorbeeld 100 kHz werkt inherent veiliger is dan een apparaat dat op 50 Hz werkt. Met name in een natte omgeving, een vochtige omgeving of onder water is de weerstand van het huidoppervlak van de mens laag. Hierdoor is de mens met name in deze omgeving zeer kwetsbaar voor elektrische stromen.

25 Onderhavige vinding betreft een werkwijze en inrichting voor een veilige elektrische energievoorziening. Het betreft een nieuw type schakelende voeding waarvan de functionaliteit softwarematig kan worden ingesteld en waarbij de transformator bij voorkeur uit een stapeling van platte spoelen bestaat. Dit nieuw type schakelende voeding volgens onderhavige vinding is eenvoudiger en compacter dan schakelende voedingen volgens 30 stand der techniek. Tevens zijn de eigenschappen van een voeding volgens de technologie van onderhavige vinding softwarematig instelbaar. Hierdoor is de schakelende voeding volgens de technologie van onderhavige vinding niet alleen veiliger maar ook uitermate geschikt voor massaproduktie en goedkoper dan voedingen volgens stand der techniek. Verder is de schakelende voeding volgens de technologie van onderhavige vinding 35 toepasbaar voor draadloze energie- en informatie-overdracht.

3

Beschrijving van de technologie volgens onderhavige vinding

De technologie volgens onderhavige vinding bestaat volgens een eerste aspect uit een voeding. Deze voeding betrekt zijn elektrische energie bij voorkeur uit het publieke net of uit een accu of uit een zonnecel of uit een turbine waaronder een windmolen of uit een 5 microbiele brandstofcel. Opgemerkt wordt dat onder voeding in deze aanvrage ook het publieke net zelf wordt verstaan: door de wisselspanning uit het publieke net gelijk te richten wordt immers ook een gelijkspanning verkregen die rechtstreeks inzetbaar is als voeding voor onderhavige vinding. Volgens een tweede aspect bestaat onderhavige vinding uit een microprocessor en / of microcontroller en / of PC, verderop kortweg microprocessor of 10 microcontroller genoemd, die op tenminste 2 uitgangen alternerend een gepulseerde gelijkspanning zoals bijvoorbeeld een blokspanning levert. De frequentie en eventueel de amplitude van de gepulseerde gelijkspanning zijn softwarematig instelbaar en de kloksnelheid van de microprocessor wordt bij voorkeur middels een extern kristal ingesteld. Volgens een derde aspect bestaat onderhavige vinding uit een voorversterker die elk van 15 de (blok)spanningen die door de microprocessor geleverd worden versterkt. Bij voorkeur bestaat een dergelijke voorversterker uit een NPN transistor zoals een transistor van het type BC547B die met de basis is aangesloten op de uitgang van de microprocessor, waarvan de emitter op de nul is aangesloten en de collector via een collectorweerstand op de plus is aangesloten. Volgens een vierde aspect bestaat onderhavige vinding uit een 20 vermogensversterker die door de voorversterker wordt gevoed. De vermogensversterker bestaat bij voorkeur uit 2 FETs. De gate van elke FET wordt aangesloten op een kanaal van de voorversterker. Voor de koppeling van de gate van de FETs aan de voorversterker wordt optioneel gebruik gemaakt van 2 weerstanden als spanningsdeler en / of een koppelcondensator en / of een zenerdiode. Het eindresultaat is dat beide FETs van de 25 vermogensversterker alternerend aan en uitgeschakeld worden door de microprocessor. Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van N FETs en niet limiterende voorbeelden van geschikte FETs zijn FETs van het type IRF640, IRF840, FQP3N80C.

Volgens een vijfde aspect bestaat onderhavige vinding uit een eerste spiraalgewonden platte spoel waarbij de eerste helft van de spiraalgewonden spoel zich op de bovenkant van 30 een printplaat (PCB) bevindt, de tweede helft van de spiraalgewonden spoel zich aan de onderkant van de PCB bevindt, de eerste helft en tweede helft van de eerste spiraalgewonden spoel middels een doorvoer door de print galvanisch met elkaar verbonden zijn en waarbij deze doorverbinding tevens een contactpunt is dat als centertap fungeert. De centertap van de eerste spiraalgewonden spoel wordt aangesloten op de plus 35 van de voedingsbron. De drain van de eerste FET wordt aangesloten op het eerste uiteinde van de eerste spiraalgewonden spoel en de drain van de tweede FET wordt aangesloten op het tweede uiteinde van de primaire wikkeling van de spiraalgewonden spoel. Opgemerkt 4 wordt dat de inductiviteiten van beide helften van de eerste spiraalgewonden spoel eenvoudig exact gelijk aan elkaar gemaakt kunnen worden door precies dezelfde spiraal op weerszijden van de print aan te brengen.

Volgens een zesde aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit middelen 5 om het wisselend elektrisch veld en / of magnetisch veld dat door de toegepaste spoelen die als transformator fungeren wordt opgewekt zoveel mogelijk te beperken tot de ruimte tussen de spoelen. Middelen waarmee het mogelijk is om het wisselend magnetisch veld te beperkte tot de ruimte tussen de spoelen zijn magnetiseerbare materialen zoals ferrietkemen, composieten waarin polymeer en ferrietdeeltjes zijn verwerkt, lijmen waarin 10 ferrietdeeltjes zijn aangebracht of gemagnetiseerde deeltjes met als voorbeeld gemagnetiseerd neodymiumpoeder. Een praktische manier om een composiethars te verkrijgen die geschikt is voor toepassing in combinatie met de technologie volgens onderhavige vinding is het mengen van magnetiseerbaar materiaal waaronder ferrietdeeltjes met giethars die wordt gebruikt om onder meer PCBs in te gieten. Een niet 15 limiterend voorbeeld van een dergelijke giethars is Polyurethane Resin / Hardener

Composition van de firma Robnor Resins Ltd in de UK. Een andere optie is toepassing van commercieel verkrijgbare ferrietplaatjes. Bij voorkeur worden de magnetiseerbare materialen aangebracht rondom de ruimte waarbinnen het wisselend magnetisch veld moet blijven. Praktisch betekent dit in het geval van een transformator, die uit 2 spiraalgewonden 20 spoelen bestaat die op een of meerdere separate printplaten zijn aangebracht, dat het magnetiseerbaar materiaal op de buitenkant van de gestapelde printplaten wordt aangebracht. Optioneel wordt het oppervlak van het magnetiseerbaar materiaal groter gekozen dan het oppervlak van de spiraalgewonden spoelen. Een bijzonder aantrekkelijke configuratie is toepassing van printplaten waarop de spiraalgewonden spoelen gecentreerd 25 zijn op de printplaten en waarbij de afstand van de spoelen tot de randen van de printplaat tenminste 1 mm bedraagt en bij voorkeur meer dan 1 mm. Het magnetiseerbaar materiaal wordt vervolgens op het oppervlak van de buitenste printplaten aangebracht. Kort gezegd onstaat er dus een "sandwich" van magnetiseerbaar materiaal met daartussen een stapeling van een of meerdere printplaten waarop zich in totaal tenminste 2 spoelen 30 bevinden. Middelen om het elektrisch veld zoveel mogelijk te beperken tot de ruimte tussen de spoelen waartussen energie-overdracht plaatsvindt bestaan bij voorkeur uit een massieve laag van een goede elektrische geleider en bij voorkeur uit een metaal dat op het oppervlak van de buitenste printplaten wordt aangebracht. Het oppervlak van de massieve laag bedekt bij voorkeur het hele oppervlak van de spoelen en is bij voorkeur aangebracht 35 op de bovenkant en de onderkant van de "sandwich" van het magnetiseerbaar materiaal.

Dit laatste is met name belangrijk omdat het aanbrengen van een (geïsoleerde) laag van een goede geleider op het oppervlak van een printplaat met spiraalgewonden spoel tot 5 grote wervelstromen in de geleider leidt hetgeen de energie-overdracht van een primaire spoel naar een secundaire spoel ernstig beperkt. Opgemerkt wordt dat het optreden van wervelstromen in het oppervlak van een goede elektrische geleider bij overdracht van elektrische energie van een primaire spoel naar een secundaire spoel ongewenst is maar 5 dat dit verschijnsel ook bewust kan worden opgewekt door een metalen oppervlak op een spiraalgewonden primaire spoel te plaatsen. Door de wervelstromen in het oppervlak van de goede elektrische geleider ontstaat hierdoor warmte waardoor een plat verwarmingselement wordt verkregen dat bijvoorbeeld kan worden toegepast om condensvorming op spiegels in een badkamer of op buitenspiegels van voertuigen te 10 voorkomen. Een dergelijke toepassing maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding. In figuur 1 is een transformator volgens de technologie van onderhavige vinding schematisch weergegeven. Laag 1 betreft de laag met het oppervlak van een goede elektrische geleider. Laag 2 betreft de laag met magnetiseerbaar materiaal. Laag 3 betreft de stapeling van spiraalgewonden spoelen of van tenminste 1 spiraalgewonden spoel en IS conventionele cilindrische spoelen. Het is de vakman duidelijk dat desgewenst ook aan de "zijkanten" van de transformator in figuur 1 een laag magnetiseerbaar en / of goede elektrische geleider kan worden aangebracht. Een dergelijke laag is in figuur 1 schematisch weergegeven als laag 4. Verder is de vakman duidelijk dat een spiraalgewonden spoel op een printplaat niet volledig hoeft te worden doorgewikkeld tot het hart van de printplaat. De 20 laatste windingen dicht bij het hart van de printplaat hebben een gering inwendig oppervlak en dragen slechts beperkt bij aan de eigenschappen van de spoel. Om deze reden is het voor een aantal doch niet alle toepassingen interessant om een ruimte rondom het hart van de spiraalgewonden spoel vrij te houden van windingen. Optioneel kan worden gekozen om in een oppervlak in het hart van de spiraalgewonden spoel dat is vrijgehouden van 25 windingen een gat aan te brengen en in dit gat magnetiseerbaar materiaal zoals ferriet aan te brengen. In een aantal gevallen verbetert een dergelijke configuratie de eigenschappen van de transformator aanzienlijk. Er wordt een transformator verkregen die qua gedrag analogie vertoont met conventionele transformators die zogenaamde El kernen hebben en die tegelijkertijd de voordelen van de technologie volgens onderhavige vinding heeft. Een 30 dergelijk type transformator maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding.

Volgens een zevende aspect bevat de technologie volgens onderhavige vinding middelen om elektromagnetische en / of elektrische en / of magnetische straling die door de functiegenerator en push pull versterker en / of transformator wordt gegenereerd binnen de behuizing van de functiegenerator en push pull versterker te houden. Dergelijke middelen 35 bestaan uit een goede elektrische geleider die als een kooi van Faraday is aangebracht rondom de behuizing van de functiegenerator en push pull versterker en / of transformator en / of magnetiseerbaar materiaal dat is aangebracht rondom de behuizing van de 6 functiegenerator en push pull versterker en / of transformator en / of een netfilter bestaande uit een condensator en / of een spoel en / of een combinatie van tenminste een spoel en een condensator.

Volgens een achtste aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit 5 middelen om de energie-efïiciency waarmee energie-overdracht in de transformator optreedt verder te verhogen. Dergelijke middelen bestaan uit een of meerdere condensators en / of spoelen die in serie met en / of parallel aan tenminste een primaire spoel en / of in serie met en / of parallel aan tenminste een secundaire spoel worden geschakeld. Op deze wijze onstaat een resonantiecircuit aan de primaire zijde(n) en / of 10 secundaire zijde(n) van de transformator. Bij voorkeur worden de resonantiefrequenties van de primaire en secundaire kringen op elkaar afgestemd. Het is de vakman duidelijk dat configuraties met afgestemde kringen tot een verbeterde werking van transformators volgens de technologie van onderhavige vinding leiden.

Volgens een negende aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit een 15 microprocessor met software om een wisselspanning of gepulseerde gelijkspanning ter opwekking van een magnetisch veld te genereren en bij voorkeur tegelijkertijd uit middelen om te meten of de schakelende voeding volgens de technologie van onderhavige vinding wordt belast met een belasting die aan vooraf ingestelde specificaties voldoet. De middelen om te meten of de schakelende voeding volgens de technologie van onderhavige vinding 20 wordt belast met een belasting die aan vooraf ingestelde specificaties voldoet bestaan bij voorkeur uit een weerstand met een lage waarde in serie met de primaire spoel van de push pull versterker waarbij deze weerstand werkzaam is verbonden met een ingang van een PIC microcontroller. Nog meer bij voorkeur is naast een weerstand met een lage waarde in serie met de primaire spoel van de push pull versterker ook nog een weerstand 25 met een hoge waarde parallel geschakeld aan de primaire spoel van de push pull versterker en is deze weerstand, eventueel middels twee additionele weerstanden als spanningsdeler, werkzaam verbonden met een ingang van de PIC microcontroller. De ingangen van de PIC microcontroller waarmee de weerstand met een hoge waarde en de weerstand met een lage waarde werkzaam verbonden zijn, zijn bij voorkeur ingangen van een analoog naar 30 digitaal versterker maar niet daartoe beperkt. De weerstand met de lage waarde levert een meting van de stroom als functie van de tijd die middels software in de microprocessor kan worden gemeten. De weerstand met de hoge waarde levert een meting van de spanning over de spoel die eveneens middels software in de microprocessor kan worden gemeten.

De combinatie van beide metingen levert een veel grotere hoeveelheid informatie dan elk 35 van beide metingen afzonderlijk. Het is de vakman duidelijk dat softwarematige analyse van de stroom en de spanning als functie van de tijd gedetailleerde informatie verstrekt over de aard van de belasting die op de secundaire spoel(en) van de transformator volgens de 7 technologie van onderhavige vinding is aangesloten. Met de technologie volgens onderhavige vinding is het zelfs mogelijk om softwarematig het faseverschil tussen stroom en spanning als functie van de tijd te meten en softwarematige analyse van deze signalen door de microprocessor te laten uitvoeren en softwarematig een aantal besluiten te nemen 5 en akties uit te voeren. Niet limiterende voorbeelden van besluiten die softwarematig kunnen worden genomen na analyse van de gemeten spanning en stroom in het primaire circuit zijn: het aanpassen van het vermogen dat door de schakelende voeding wordt geleverd door softwarematige aanpassing van de frequentie, amplitude, duty cycle van de functiegenerator, het herkennen van een belasting aan de hand van het opgenomen 10 vermogen door die belasting en het resulterende faseverschil tussen spanning en stroom in het primaire circuit. Optioneel kunnen in de belasting bij voorkeur passieve componenten zoals condensators en / of spoelen worden opgenomen die de vermogensoverdracht nauwelijks negatief beïnvloeden doch een duidelijk herkenbaar patroon in het verloop van de stroom en spanning als functie van de tijd in het primaire circuit veroorzaken. Op deze 15 wijze is het mogelijk om softwarematig te herkennen welke belasting op de schakelende voeding is aangesloten. Ook is het mogelijk om de schakelende voeding alleen te laten werken wanneer belastingen worden aangesloten die daarvoor geschikt bevonden zijn. Indien een consument een belasting aansluit die niet wordt herkend, schakelt de schakelende voeding softwarematig uit. Opgemerkt wordt dat toepassen van weerstanden 20 als sensor om softwarematig te meten welk type belasting is aangesloten op de schakelende voeding een niet limiterend voorbeeld is van de technologie volgens onderhavige vinding. Andere niet limiterende voorbeelden zijn: sensors voor het meten van wisselende magnetische velden zoals spoelen, sensors voor het meten van wisselende elektrische velden, gasontladingsbuizen waaronder neonlampjes werkzaam verbonden met 25 een lichtgevoelige weerstand of een fotodiode of een optocoupler, microfoons in het algemeen en ultrasone sensors in het bijzonder, temperatuurmeters zoals NTCs of PTCs (weerstanden met een negatieve of positieve temperatuurcoefficient), afgestemde kringen waarop een belasting is aangesloten en waarbij de belasting werkzaam verbonden is met een ingang van de microprocessor. Verder wordt opgemerkt dat een slimme combinatie van 30 dergelijke sensors zeer specifieke informatie over het type belasting oplevert dat is aangesloten op de belasting.

Volgens een tiende aspect bestaat de technologie van onderhavige vinding uit een inrichting om draadloos elektrische energie over te dragen. Draadloze energie-overdracht is in deze aanvrage gedefinieerd als het overdragen van elektrische energie van tenminste 35 een eerste object naar tenminste een tweede object waarbij het eerste object en het tweede object galvanisch van elkaar gescheiden zijn en zich in een verschillende behuizing bevinden en / of zich tussen het eerste object en het tweede object een fluidum en / of 8 materiaal en / of vacuum bevindt dat qua geometrie groter is dan de transformator volgens de technologie van onderhavige vinding en geen integraal onderdeel uitmaakt van het eerste object en het tweede object. De technologie volgens onderhavige vinding is om de volgende redenen uitermate geschikt voor draadloze energie-overdracht: 5 • De optimale frequentie, amplitude en duty cycle van de wisselspanning zijn softwarematig instelbaar • De spiraalgewonden primaire spoel volgens de technologie van onderhavige vinding kan rechtstreeks worden aangestuurd door de push pull versterker volgens de technologie van onderhavige vinding waardoor de efficiency van de energie- 10 overdracht hoog is.

• De spiraalgewonden spoelen volgens de technologie van onderhavige vinding kunnen worden uitgerust met magnetiseerbaar materiaal en met een laag van elektrisch geleidend materiaal volgens het principe in figuur 1 om op deze wijze het wisselend elektrisch veld en het wisselend magnetisch veld dat door de spoelen 15 wordt opgewekt af te schermen voor de omgeving. Op deze wijze kan er voor worden gezorgd dat produkten die gebaseerd zijn op de technologie volgens onderhavige vinding voldoen aan de ICNIRP (International Commission on Nonionizing Radiation Protection) richtlijnen. Deze richtlijnen zijn opgesteld ter bescherming van consumenten voor elektromagnetische straling en 20 consumentenprodukten die op de markt worden gebracht dienen aan deze richtlijnen te voldoen.

• Met de technologie volgens onderhavige vinding is het door toepassing van microprocessors in combinatie met een van de in eerdere aspecten van de technologie volgens onderhavige vinding genoemde sensors mogelijk om 25 verschillende typen belastingen softwarematig van elkaar te onderscheiden.

Hierdoor is het mogelijk om een enkele zender voor draadloze energie-overdracht geschikte te maken voor verschillende typen belastingen waarbij elke belasting na herkenning door de zender voorzien wordt van het juiste vermogen bij de juiste frequentie.

30 • Indien geen belasting op de zender voor draadloze energie-overdracht is aangesloten, stelt de microprocessor dit vast aan de hand van sensors, zoals eerder beschreven weerstanden, die in het primaire circuit zijn opgenomen. Nadat is vastgesteld dat geen energie overgedragen behoeft te worden, schakelt de zender over naar een "standby" en "sleeping" modus. In deze modus wordt een zeer laag 35 vermogen aan de primaire spoel geleverd. Bijgevolg is de veldsterkte van het door de spoel geproduceerde magnetisch en elektrische veld zeer klein en wordt voldaan aan de ICNIRP richtlijnen zonder dat de spoel is afgeschermd. Zodra een belasting 9 in het wisselend magnetisch veld wordt geplaatst, wordt dit gedetecteerd door de sensor(s) in het primaire circuit van de zender. De zender stelt nu softwarematig vast of een geldige belasting werkzaam verbonden is met het circuit en indien dit het geval is, wordt het vermogen dat aan het primaire circuit wordt geleverd afgestemd 5 op de belasting.

Naast een zekering in de schakeling in het primaire circuit, kan de technologie volgens onderhavige vinding ook nog worden uitgerust met een softwarematige zekering: indien de belasting van het primaire circuit een softwarematig geprogrammeerde waarde overschrijdt, wordt de zender voor draadloze energie-10 overdracht softwarematig uitgeschakeld.

Het is de vakman duidelijk dat een aantal van de hierboven genoemde voordelen van de technologie volgens onderhavige vinding voor draadloze energie-overdracht ook gelden voor toepassingen waarbij de technologie volgens onderhavige vinding wordt toegepast als schakelende voeding.

15 Nu de technologie volgens onderhavige vinding uitvoerig is beschreven volgt een aantal niet limiterende voorbeelden van toepassingen. De technologie volgens onderhavige vinding kan worden toegepast in schakelende voedingen in het algemeen en in het bijzonder in computervoedingen, laptopvoedingen, voeding voor accu-opladers, in audioversterkers, elektromagnetische zenders, aansturingen voor gasontladingslampen, 20 ultrasone transducers, desinfectie-apparatuur voor de procesindustrie, electrolyse- apparatuur, dimmers voor gloeilampen, LEDs, aansturingen voor LEDs, voedingen voor lasapparaten, procesapparatuur ter voorkomen van biofouling.

Niet limiterende voorbeelden van toepassingen voor draadloze energie-overdracht zijn: voedingen van draadloze stopcontacten, draadloze verwarmingen van spiegels in 25 badkamers en autospiegels, draadloze aansturing van TL verlichting, draadloze aansturing van UVC desinfectie-apparatuur, draadloze aansturing van ultrasone transducers, draadloos opladen van mobiele telefoons, tandenborstels, scheerapparaten, MP3 spelers, PDAs, laptops, draadloze elektrolyse.

30 Voorbeeld 1

Een PIC processor van het type 16F84A wordt gevoed via een 24V laboratoriumvoeding. Hiertoe wordt een spanningsstabiliserend element gebruikt dat de spanning van 24 Volt omzet in een spanning van 5 Volt. Dit wordt gerealiseerd door gebruik te maken van een spanningsregelaar van het type LM317. Opgemerkt wordt dat ook een zenerdiode als 35 goedkoper alternatief voor deze toepassing kan worden ingezet. De software van de PIC processor is zodanig ingesteld dat met een frequentie van circa 100 kHz alternerend een blokspanning op uitgang 1 en uitgang 2 zet. De voorversterker bestaat uit 2 transistors van 10 het type BC547B die elk op de basis gevoed worden door de PIC processor. De collector van elke transistor is via een collectorweerstand van 470 ohm met de plus verbonden en de emitter van elke transistor is met de min verbonden. Op de collector wordt de gepulseerde spanning afgenomen met een koppelcondensator van 1 micro Farad. Vervolgens wordt de 5 koppelcondensator aangesloten op een spanningsdeler die uit een serieschakeling bestaat van een weerstand van 470 Ohm en 1 kilo Ohm en die via de weerstand van 1 kilo Ohm op de nul is aangesloten. De spanning over elke weerstand van van 1 kilo Ohm wordt over de gate van een FET van het type IRF640 gezet. De drain van elk van deze FETs is aangesloten op een uiteinde van een eerste spiraalgewonden primaire spoel met een 10 diameter van 4.6 cm die zich op een PCB bevindt met een diameter van 4.7 cm en een dikte van 0.5 mm. De eerste primaire spiraalgewonden spoel bestaat uit 2 helften die zich elk op een zijde van de PCB bevinden. Elke helft van de eerste spiraalgewonden primaire spoel telt 54 windingen. Beide helften van de eerste spiraalgewonden primaire spoel zijn via een contactpunt en doorvoer in het hart van de printplaat galvanisch met elkaar verbonden. 15 Het hart en contactpunt van de doorvoer is de centertap van de spoel. De totale inductiviteit van de eerste spiraalgewonden primaire spoel bedraagt 280 pH. Parallel aan de spoel werd een condensator met een capaciteit van 9 nF geschakeld. De centertip van de eerste primaire spoel is aangesloten op de plus van de voeding. De drain van de 2 FETs werden elk respectievelijk op een uiteinde van de eerste spiraalgewonden primaire spoel 20 aangesloten. De source van beide FETs is op de nul aangesloten. Kort samengevat werd op deze wijze een push pull versterker verkregen die werkzaam is verbonden met de eerste spiraalgewonden primaire spoel. Een tweede spiraalgewonden spoel werd toegepast als secundaire spoel. Deze tweede spiraalgewonden spoel heeft exact dezelfde eigenschappen als de eerste spiraalgewonden spoel en ook aan deze tweede spoel werd 25 een condensator van 9 nF parallel geschakeld. Op de tweede spiraalgewonden spoel werd een LED lamp van 12V /1 Watt aangesloten. Nadat de schakelende voeding was ingeschakeld werd de tweede spiraalgewonden spoel in de nabijheid gebracht van de eerste spiraalgewonden spoel. Bij een afstand tussen de primaire en de secundaire spoel van minder dan 2 cm bleek de lamp fel te branden. Hiermee is aangetoond dat de 30 technologie volgens onderhavige vinding werkt.

Voorbeeld 2

De opstelling zoals beschreven in voorbeeld 1 werd ingebouwd in een metalen behuizing met daarin een venster waarop de primaire spiraalgewonden spoel werd aangebracht.

35 Het wisselend elektrisch veld [V/m] en het wisselend magnetisch veld [T] werd gemeten in de nabijheid van de primaire spoel met een Aaronia AG Spectran NF 5035 spectrum analyzer voor het meten van wisselende elektrische en magnetische velden. De 11 bandbreedte van het te meten spectrum werd ingesteld op het gebied van 1 kHz tot 1 MHz en de resolutie van de meting werd ingesteld op 1 kHz. Aangezien de schakelende voeding was geprogrammeerd op een werkfrequentie van 100 kHz, werden dus niet alleen de wisselende elektrische en magnetische veldsterkten bij 100 kHz maar ook bij een aantal 5 harmonischen van deze frequentie gemeten.

Na inschakelen van de schakelende voeding werd op een afstand van 0 cm van de primaire spoel een wisselend elektrisch veld van 400 V/m tot 800 V/m gemeten. Op een afstand van 10 cm van beide opelkaar geplaatste spoelen en overdracht van elektrische energie van de primaire naar de secundaire spoel werd een elektrische veldsterkte van 200 V/m tot 300 V/ 10 m gemeten. De elektrische veldsterkte op een afstand van 20 cm van beide opelkaar geplaatste spoelen bedroeg tijdens energie-overdracht 25 V/m. Aangezien de ICNIRP richtlijn voorschrijft dat bij een frequentie van 100 kHz de veldsterkte beneden 87 V/m moet blijven, voldoet de in voorbeeld 1 beschreven technologie niet aan de ICNIRP voorschriften bij een afstand tot beide spoelen kleiner dan 20 cm.

15 De magnetische veldsterkte op een afstand van 0 cm van beide spoelen bedroeg tijdens energie-overdracht 3.5 pT. Op 20 cm afstand van beide spoelen bedroeg de magnetische veldsterkte 395 nT. Deze waarde ligt onder het door ICNIRP voorgeschreven maximum van 6.26 pT.

Om zowel de elektrische veldsterkte als de magnetische veldsterkte in de buurt van de 20 spoelen te beperken werden beide spoelen bedekt met ferriet staven met een dikte van 4mm en een lengte van 6 cm. Bovenop deze ferrietstaven werd een stuk PCB met een ononderbroken koperlaag geplaatst zodanig dat de spoelen volledig waren afgedekt. Vervolgens werd op een afstand van 0 cm opnieuw de elektrische veldsterkte en magnetische veldsterkte gemeten. De elektrische veldsterkte op een afstand van 0 cm van 25 beide spoelen bedroeg tijdens energie-overdracht 19 V/m en de magnetische veldsterkte 2.8 pT. Beide waarden voor de veldsterkte liggen ruim onder de door ICNIRP opgestelde richtlijnen.

Het experiment in voorbeeld 2 toont aan dat de technologie volgens onderhavige vinding op een veilige wijze in consumentenprodukten kan worden geïmplementeerd.

30 Voorbeeld 3.

Als voorbeeld 2 echter in dit geval werd de primaire spoel gebruikt ter realisatie van een draadloos stopcontact in een badkamer door de spoel achter een badkamertegel aan te brengen. De secundaire spoel werd ingegoten in een waterdicht polymeer (polyurethaan) en werkzaam verbonden met een lamp die was ingegoten in een voor licht doorlaatbaar 35 polymeer. Het resultaat was een stopcontact dat tevens als scheidingstransformator werkt en dat bovendien een veilige wisselspanning met een frequentie van 100 kHz levert.

12

Voorbeeld 4.

Als voorbeeld 3 echter in dit geval werden de FETs van de eindtrap van de schakelende voeding werkzaam verbonden met een ferriettransformator die was ontworpen voor een frequentie van 100 kHz en een vermogen van 50 Watt. De secundaire spoel van de 5 ferriettransformator werd aangesloten op een 100 kHz stopcontact. Vervolgens werd een scheerapparaat op het stopcontact aangesloten. Het scheerapparaat bevat een transformator die de wisselspanning van 100 kHz omlaag transformeert naar 9 Volt. De aldus verkregen wisselspanning werd in het scheerapparaat gelijkgericht en afgevlakt zodat een gelijkspanning van 11.9 Volt werd verkregen. Met deze gelijkspanning werd de 10 electromotor van het scheerapparaat gevoed.

Hoewel de techniek zoals beschreven in voorbeeld 4 aanzienlijk kan worden geoptimaliseerd, laat voorbeeld 4 zien dat met de technologie volgens onderhavige vinding in een natte omgeving een stroomvoorziening wordt verkregen die aanzienlijk veiliger is dan de 50 Hz technologie volgens stand der techniek. Op de in voorbeeld 4 beschreven wijze is 15 het mogelijk om de badkamer volledig vrij te houden van 50 Hz stromen en spanningen. Voorbeeld 5.

Als voorbeeld 4 met het verschil dat de stopcontacten in de badkamer allen gelijkspanning van 12 Volt of lager leveren en dat alle bedrading van de stopcontacten in de badkamer werkzaam is verbonden met de secundaire spoel van de ferriettransformator. Hierdoor 20 bevindt zich in de badkamer geen 50 Hz spanning of stroomvoorziening en leveren de stopcontacten allen een veilige gelijkspanning van 12 Volt of lager. Het is de vakman bekend dat dit van belang is in verband met de NEN normen voor natte ruimten.

Nu de technologie volgens onderhavige vinding aan de hand van een aantal voorbeelden is 25 toegelicht volgt een aantal toepassingen van de technologie volgens onderhavige vinding: • Schakelende voedingen voor medische apparatuur waarbij sensors zoals eerder in deze aanvrage beschreven ervoor zorgdragen dat de stroomverbruiker die op de schakelende voeding is aangesloten softwarematig wordt herkend. Hierdoor wordt de kans op ongelukken bij gebruik van medische apparatuur in ziekenhuizen 30 aanzienlijk verkleind.

• Draadloze aansturing van verlichting waarbij de verlichting zoals gloeilampen, gasontladingslampen, LEDs op een frequentie van 100 kHz werken. Op deze wijze wordt een veilige verlichting verkregen die probleemloos in een natte omgeving kan worden toegepast.

35 • Draadloze of niet-draadloze aansturingen van ultrasone transducers volgens de technologie van onderhavige vinding waarbij deze transducer bij voorkeur werken op een frequentie van 100 kHz of hoger.

1037776

Claims (21)

1. Inrichting voor een veilige stroomvoorziening in een natte en vochtige omgeving gekenmerkt door een schakelende voeding met stapelbare transformator bestaande uit de volgende elementen: S • een functiegenerator en • een push pull versterker die wordt aangestuurd door de functiegenerator en • tenminste een eerste primaire spoel met center tap die werkzaam is verbonden met de push pull versterker en • tenminste een tweede spoel die zich in het wisselend magnetisch veld van 10 de eerste spoel bevindt en • tenminste een eerste belasting die werkzaam verbonden is met de tweede spoel.

2. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij de eerste helft van de eerste spiraalgewonden primaire spoel zich op de bovenkant van een printplaat (PCB) bevindt, de tweede 15 helft van de spiraalgewonden spoel zich aan de onderkant van dezelfde PCB bevindt, de eerste helft en tweede helft van de eerste spiraalgewonden spoel middels een doorvoer door de print galvanisch met elkaar verbonden zijn en waarbij deze doorverbinding tevens een contactpunt is dat als centertap fungeert en aangesloten wordt op de plus van een voedingsbron.

3. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij de eerste primaire spoel is samengesteld door serieschakeling van tenminste 2 spoelen die zich op verschillende PCBs bevinden.

4. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 3 waarbij de functiegenerator tenminste een microcontroller bevat en software om de push pull versterker aan te sturen.

5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 4 vermeerderd met tenminste een sensor die werkzaam verbonden is met de microcontroller waarbij deze sensor of sensorcombinatie tenminste een signaal meet dat de belasting die op de schakelende voeding is aangesloten karakteriseert en doorgeeft aan tenminste een ingang van de microcontroller.

6. Inrichting volgens conclusie 5 vermeerderd met software die het signaal dat door tenminste een sensor aan de ingang van de microcontroller wordt gevoed interpreteert waarna softwarematig de frequentie en / of amplitude en / dutycycle van het signaal dat door de functiegenerator wordt opgewekt wordt bijgesteld naar een andere waarde waaronder de waarde nul.

7. Inrichting volgens conclusie 6 waarbij softwarematig de schakelende voeding wordt uitgeschakeld indien de karakteristieke eigenschappen van de elektrische belasting die op de schakelende voeding wordt aangesloten niet voldoen aan de 1037776 softwarematig ingestelde eigenschappen.

8. Inrichting volgens conclusie 6 waarbij na herkenning van de elektrische belasting die op de schakelende voeding wordt aangesloten, de eigenschappen van de schakelende voeding softwarematig worden afgestemd op die elektrische belasting.

9. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 8 waarbij de aansturing van de eerste primaire spoel is uitgerust met sensors waaronder weerstanden om simultaan de stroom en spanning als functie van de tijd te meten en deze softwarematig te interpreteren middels een microcontroller.

10. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 9 vermeerderd met 10 magnetiseerbaar materiaal dat op of in de nabijheid van tenminste een primaire en / of secundaire spoel wordt aangebracht ter beperking van de magnetische veldsterkte in de nabijheid van tenminste een primaire en / of secundaire spoel.

11. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 10 vermeerderd met een elektrisch geleidend oppervlak dat op of in de nabijheid tenminste een primaire en / 15 of secundaire spoel wordt aangebracht ter beperking van de elektrische veldsterkte in de nabijheid van tenminste een primaire en / of secundaire spoel.

12. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 11 waarbij eerst een laag magnetiseerbaar materiaal op tenminste een primaire en / of secundaire spoel wordt aangebracht en op tenminste een deel van dit magnetiseerbaar materiaal een 20 elektrische geleidend oppervlak zodat tegelijkertijd de magnetische veldterkte en de elektrische veldsterkte in de nabijheid van tenminste een primaire en / of secundaire spoel wordt beperkt.

13. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 12 waarbij draadloze energie-overdracht wordt gerealiseerd.

14. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 13 waarbij de frequentie waarop de push pull versterker werkt in het gebied tussen 90 kHz en 500 kHz ligt.

15. Inrichting volgens conclusie 14 waarbij de frequentie waarop de push pull versterker werkt 100 kHz bedraagt.

16. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 15 waarbij de primaire 30 spoel wordt toegepast in een natte ruimte als draadloos stopcontact.

17. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 15 waarbij secundaire spoel werkzaam is verbonden met een draadloos stopcontact.

18. Werkwijze voor een schakelende voeding gekenmerkt door een inrichting zoals beschreven in een van de voorgaande conclusies 1 t/m 17.

19. Werkwijze voor draadloze energie-overdracht gekenmerkt door een inrichting zoals beschreven in een van de voorgaande conclusies 1 t/m 17.

20. Werkwijze voor de fabrikage van een schakelende voeding zoals omschreven in een ] van de conclusies 1 t/m 17.

21. Werkwijze voor de fabrikage van een inrichting voor draadloze energie-overdracht zoals omschreven in een van de voorgaande conclusies 1 t/m 17. 5 10 20 25 30 35 1037/76