DE4100272A1 - Induktions-stromversorgungseinrichtung fuer tragbare elektronische geraete - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsein­ richtung zur Lieferung eines Versorgungsstroms auf kontakt­ losem Wege durch elektromagnetische Induktion zu einem tragbaren elektronischen Gerät.

Tragbare elektronische Geräte, in die Daten eingegeben wer­ den können und die nicht unmittelbar mit einer stationären Stromversorgungseinrichtung verbunden sind, wurden in den letzten Jahren mehr und mehr verwendet. Wie die Fig. 5 zeigt, ist ein Beispiel einer derartigen Einrichtung ein tragbares Terminal 101, das zusammen mit einer optischen Signalverteilungseinrichtung 102 zum Einsatz kommt. Ein Be­ nutzer gibt üblicherweise Daten über ein Tastenfeld 101a des tragbaren Terminals 101 ein, wobei die Daten auf einem internen Speichermedium gespeichert werden. Das tragbare Terminal 101 wird dann mit der optischen Signalverteilungs­ einrichtung 102 verbunden bzw. auf diese aufgesetzt, so daß die gespeicherten Daten vom tragbaren Terminal 101 zur op­ tischen Signalverteilungseinrichtung 102 gelangen, und zwar in Form optischer Signale. Da das tragbare Terminal 101 nicht immer mit der optischen Signalverteilungseinrichtung 102 verbunden ist, besitzt es als Stromversorgungseinrich­ tung eine eingebaute und wiederaufladbare Batterie. Gemäß Fig. 4 befinden sich daher eine Primärspule 106 und eine Oszillatorschaltung 108 im oberen Bereich der optischen Si­ gnalverteilungseinrichtung 102, während eine Sekundärspule 107 im Bodenbereich des tragbaren Terminals 101 angeordnet ist. Die Primärspule 106 ist um einen Kern 110 herumge­ wickelt, während die Sekundärspule 107 um einen Kern 111 herumgewickelt ist.

Soll die Batterie aufgeladen werden, so fließt ein Strom von der Oszillatorschaltung 108 zur Primärspule 106. Durch elektromagnetische Induktion wird somit auf kontaktlosem Wege Energie zur Sekundärspule 107 des tragbaren Terminals 101 übertragen, um die dort eingebaute Batterie aufzuladen bzw. wiederaufzuladen. Aufgrund der kontaktlosen Energie­ übertragung spielen schlechte Kontakte, wie sie bei Verwen­ dung von Kontaktsteckern und dergleichen häufig nach länge­ rer Betriebszeit auftreten, keine entscheidende Rolle mehr.

Ändert sich allerdings bei der kontaktlosen Stromversorgung der Abstand zwischen der optischen Signalverteilungsein­ richtung 102 und dem tragbaren Terminal 101, ändert sich also insbesondere der Abstand zwischen der Primärspule 106 und der Sekundärspule 107, beispielsweise aufgrund von Vi­ brationen oder anderen Einflüssen, so kann die zur Sekun­ därspule 107 übertragene Energie in sehr großem Umfang schwanken, was einer stabilen Stromversorgung entgegen­ steht. Üblicherweise muß der Abstand zwischen der Primär­ spule 106 und der Sekundärspule 107 kleiner als 1 mm sein, um eine hinreichende Stromversorgung sicherzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversor­ gungseinrichtung zu schaffen, die auf kontaktlosem Wege ei­ nen Versorgungsstrom zu einem tragbaren Terminal oder zu anderen tragbaren elektronischen Einrichtungen liefern kann und die in der Lage ist, den Versorgungsstrom stabilzuhal­ ten, auch wenn der Abstand zwischen den Spulen der Strom­ versorgungseinrichtung schwankt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Eine Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung, die Energie von einer Oszillatorschaltung zu einer Primärspule liefert, um auf kontaktlosem Wege durch elektromagnetische Induktion die Energie weiter zu einer Sekundärspule zu übertragen, die der Primärspule gegenüberliegt, zeichnet sich aus durch

• - eine Detektorspule, die elektromagnetisch mit der Primär­ spule gekoppelt ist, eine Laständerung aufgrund einer Ab­ standsänderung zwischen der Primärspule und der Sekundär­ spule detektiert sowie ein Signal ausgibt, das durch Ände­ rung einer Induktionsspannung infolge der Laständerung er­ halten wird und
• - eine Steuereinrichtung, die auf der Grundlage der Ände­ rung der Induktionsspannung, die von der Detektorspule aus­ gegeben wird, einen Ausgang der Oszillatorschaltung so steuert, daß die zur Sekundärspule übertragene Energie kon­ stant bleibt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ent­ hält die Stromversorgungseinrichtung einen Schalter, der ein Signal zum Einschalten der Oszillatorschaltung zur Steuereinrichtung liefert, wenn eine Einrichtung, die die Sekundärspule enthält, relativ zur Stromversorgungseinrich­ tung korrekt positioniert ist.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Stromversorgungseinrichtung einen Differentialverstärker, der die zur Oszillatorschaltung gelieferte Energie detek­ tiert und ein Signal zur Beendigung der Schwingung der Os­ zillatorschaltung zur Steuereinrichtung liefert, wenn die Energie kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.

Die Detektorspule detektiert eine Laständerung, die sich durch eine Änderung des Abstands zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ergibt. Die Laständerung macht sich durch eine Änderung der Induktionsspannung in der Detektor­ spule bemerkbar. Auf der Grundlage der Änderung der Induk­ tionsspannung, die durch die Detektorspule ausgegeben wird, steuert die Steuereinrichtung einen Ausgang der Oszillator­ schaltung so, daß die Leistung bzw. Energie, die zur Sekun­ därspule übertragen worden ist, die also von der Sekundär­ spule empfangen wird, auf einem konstanten Pegel verbleibt.

Ändert sich der Abstand zwischen der Primärspule und der Sekundärspule, so läßt sich daher trotzdem eine Batterie, die mit der Sekundärspule verbunden ist, mit konstanter Leistung bzw. Energie bzw. stabil aufladen. Insbesondere bei einer Abstandsvergrößerung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule wird der Ausgang der Oszillatorschaltung durch die Steuereinrichtung vergrößert. Die Sekundärspule und die mit ihr verbundene Batterie werden daher stabil mit Energie bzw. Leistung versorgt.

Die Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung enthält eine Detektorspule, die elektromagnetisch mit der Primär­ spule gekoppelt ist, und zwar auf induktivem Wege, so daß die Detektorspule in der Lage ist, Lastschwankungen zu de­ tektieren. In Übereinstimmung mit den Lastschwankungen lie­ fert die Detektorspule unterschiedliche Induktionsspannun­ gen. Aufgrund dieser Induktionsspannungsänderungen und in Übereinstimmung damit wird der Ausgang der Oszillatorschal­ tung mit Hilfe der Steuereinrichtung so gesteuert, daß die Leistung bzw. Energie, die von der Sekundärspule empfangen wird, also die zur Sekundärspule übertragene Energie, sta­ bil bzw. konstant bleibt. Somit läßt sich eine mit der Se­ kundärspule verbundene Batterie mit konstanter Energie bzw. konstantem Strom aufladen, unabhängig von Änderungen des Abstands zwischen Sekundär- und Primärspule. Die Energie­ übertragung zwischen Primär- und Sekundärspule erfolgt kon­ taktlos unter Ausnutzung der elektromagnetischen Induktion, wobei sich die aufzuladende Batterie in einer tragbaren elektronischen Einrichtung befindet, die z. B. ein tragba­ res Datenterminal sein kann.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Stromversorgungs­ einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine optische Signalver­ teilungseinrichtung sowie durch ein tragbares Ter­ minal, wobei die optische Signalverteilungsein­ richtung mit einer Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung ausgestattet ist und das trag­ bare Terminal einen Versorgungsstrom von der opti­ schen Signalverteilungseinrichtung empfängt,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm von Schaltungen innerhalb der optischen Signalverteilungseinrichtung und des tragbaren Terminals,

Fig. 4 eine konventionelle Stromversorgungseinrichtung und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer optischen Signalverteilungseinrichtung sowie eines tragbaren Terminals.

Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Strom­ versorgungseinrichtung nach der Erfindung im einzelnen be­ schrieben.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Si­ gnalverteilungseinrichtung 80 sowie durch ein tragbares Terminal 90, das oben auf die optische Signalverteilungs­ einrichtung 80 aufgesetzt ist. Die optische Signalvertei­ lungseinrichtung 80 enthält eine Stromversorgungseinrich­ tung 1 in ihrem oberen Bereich. Zu dieser Stromversorgungs­ einrichtung 1 gehören eine Primärspule 3 und eine Detektor­ spule 12, die um einen Kern 2 herumgewickelt sind, eine Os­ zillatorschaltung 10 und eine Rückkopplungsschaltung 4 als Steuereinrichtung. Zur Rückkopplungsschaltung 4 wird eine Gleichspannung geliefert, und zwar von einer kommerziellen Wechselspannungsversorgung (100 V) über eine Wechselspan­ nungs/Gleichspannungs-Umwandlungsschaltung 11. Die Primär­ spule 3 und die Detektorspule 12 sind mit dem Kern 2 inte­ gral an einer oberen Abdeckung 81 der optischen Signalver­ teilungseinrichtung 80 montiert.

Das tragbare Terminal 90 enthält eine wiederaufladbare Bat­ terie 9, eine Sekundärspule 7, die um einen Kern 6 herumge­ wickelt ist, und eine Wechselspannungs/Gleichspannungs-Um­ wandlungsschaltung 8, die zwischen die wiederaufladbare Batterie 9 und die Sekundärspule 7 geschaltet ist. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, weist die Wechselspannungs/Gleich­ spannungs-Umwandlungsschaltung 8 eine Serienschaltung aus einer Kapazität C1 und einem Widerstand R1 sowie zusätzlich eine Diode D1 auf. Die Schaltung 8 wandelt die in der Se­ kundärspule 7 durch Induktion erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung um und liefert diese zur wiederauflad­ baren Batterie 9. Die genannte Serienschaltung liegt paral­ lel zur Sekundärspule 7, während die Diode D1 in Reihe mit der Sekundärspule 7 und der Batterie 9 liegt.

Die Sekundärspule 7 ist mit dem Kern 6 integral an der Bo­ denplatte 91 des tragbaren Terminals 90 montiert, wie die Fig. 2 erkennen läßt. An der Außenseite der Bodenplatte 91 befinden sich Ausnehmungen 91a, in die Positionierungsstif­ te 5 hineinpassen, die von der Außenseite der oberen Ab­ deckung 81 der optischen Signalverteilungseinrichtung 80 abstehen. Wird das tragbare Terminal 90 auf die optische Signalverteilungseinrichtung 80 aufgesetzt, so greifen die Positionierungsstifte 5 passend in die Ausnehmungen 91a ein. Die Sekundärspule 7 des tragbaren Terminals 90 und die Primärspule 3 der optischen Signalverteilungseinrichtung 80 liegen sich dann korrekt gegenüber, so daß eine Energie­ übertragung durch elektromagnetische Induktion möglich ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Schalter 14 vorhanden ist, der detektiert, ob das tragbare Terminal 90 auf der oberen Abdeckung 81 der optischen Signalverteilungseinrich­ tung 80 positioniert ist. Der Schalter 14 wird in den AUS- Zustand überführt, wenn sich das tragbare Terminal 90 auf der oberen Abdeckung 81 der optischen Signalverteilungsein­ richtung 80 befindet.

Die Stromversorgungseinrichtung 1 weist den in Fig. 3 ge­ zeigten Aufbau auf. Die Oszillatorschaltung 10 empfängt ei­ ne Spannung Vin von der Rückkopplungsschaltung 4 und lie­ fert zur Primärspule 3 einen Oszillatorausgang mit einer Amplitude in Übereinstimmung mit der Stärke der Spannung Vin. Es sei darauf hingewiesen, daß die interne Struktur der Oszillatorschaltung 10 einen offenen magnetischen Weg aufweist, so daß die Oszillatorfrequenz und der Ausgang in Übereinstimmung mit Laständerungen schwanken.

Die Rückkopplungsschaltung 4 enthält eine Diode D2, einen Differentialverstärker IC1, Transistoren Q3, Q2 und Q1, ei­ nen Differentialverstärker IC2, eine UND-Schaltung 13, ei­ nen Verzögerungsschalter 24 sowie weitere Widerstände und Kondensatoren. Der Verzögerungsschalter 24 und der Schalter 14 sind miteinander verriegelt. Die in der Detektorspule 12 induzierte Spannung wird von der Rückkopplungsschaltung 4 empfangen, wobei eine Frequenz/Spannungs-Umwandlung mit Hilfe der Diode D2 und des Differentialverstärkers IC1 durchgeführt wird. Durch Steuerung der Basisspannung des Transistors Q2 über den Transistor Q3 läßt sich der Kollek­ torstrom des Transistors Q1 steuern, so daß schließlich die Spannung Vin gesteuert wird, die zur Oszillatorschaltung 10 gelangt.

Soll die wiederaufladbare Batterie 9, die sich innerhalb des tragbaren Terminals 90 befindet, wieder aufgeladen wer­ den, so wird das tragbare Terminal 90 zuerst auf die opti­ sche Signalverteilungseinrichtung 80 aufgesetzt, und zwar in der vorgeschriebenen Weise, was bedeutet, daß die Posi­ tionierungsstifte 5 in die Ausnehmungen 91a hineingreifen. Über den Schalter 14 wird somit ein Signal erzeugt, das an­ gibt, daß das tragbare Terminal 90 auf der optischen Signalverteilungseinrichtung 80 sitzt. Dieses Signal vom Schalter 14 gelangt zur Rückkopplungsschaltung 4, so daß daraufhin die Oszillatorschaltung 10 zu schwingen beginnt. Genauer gesagt empfängt die UND-Schaltung 13 zuerst Signale vom "H"-Pegel vom Schalter 14 und vom Verzögerungsschalter 24, der sich im AUS-Zustand befindet, während sie dann ein Signal vom "H"-Pegel vom Schalter 14 und ein Signal vom "H"-Pegel vom Differentialverstärker IC2 über den Verzöge­ rungsschalter 24, der sich im EIN-Zustand befindet, emp­ fängt. Zu dieser Zeit liefert die UND-Schaltung 13 also ein Signal vom "H"-Pegel an ihrem Ausgang, so daß die Oszilla­ torschaltung 10 schwingen kann. Wird der Ausgang von der Oszillatorschaltung 10 zur Primärspule 3 übertragen, so wird auf kontaktlosem Wege infolge elektromagnetischer In­ duktion Energie zur Sekundärspule 7 geliefert, die der Pri­ märspule 3 gegenüberliegt. Die wiederaufladbare Batterie 9 wird dabei über die Wechselspannungs/Gleichspannungs-Um­ wandlungsschaltung 8 aufgeladen. Ändert sich der Abstand zwischen dem tragbaren Terminal 90 und der optischen Signalverteilungseinrichtung 80, ändert sich also der Ab­ stand zwischen der Primärspule 3 und der Sekundärspule 7, beispielsweise infolge von Vibrationen oder anderen Ursa­ chen, so treten Lastschwankungen auf, was zur Folge hat, daß sich die Oszillatorfrequenz und der Ausgang der Oszil­ latorschaltung 10 ändern. Die Detektorspule 12 detektiert dann die Lastschwankungen der Primärspule 3 und gibt diese Lastschwankungen als Änderung der Induktionsspannung aus. Die Rückkopplungsschaltung 4 detektiert somit die Änderung der Induktionsspannung, die von der Detektorspule 12 ausge­ geben wird, und steuert den Ausgang der Oszillatorschaltung 10 so, daß die zur Sekundärspule 7 gelieferte Energie kon­ stant bleibt. Ändert sich somit der Abstand zwischen der Primärspule 3 und der Sekundärspule 7 aufgrund von Vibrati­ onen oder anderen Ursachen, so läßt sich auf diese Weise eine Änderung des Versorgungsstroms zur wiederaufladbaren Batterie 9 unterdrücken, so daß der Versorgungsstrom bzw. die zugeführte Energie zur wiederaufladbaren Batterie 9 konstantgehalten werden können. Selbst wenn der Abstand zwischen der Primärspule 3 und der Sekundärspule 7 relativ groß wird, läßt sich auf diese Weise noch hinreichend Ener­ gie zur wiederaufladbaren Batterie 9 liefern. Messungen ha­ ben gezeigt, daß in einem Abstandsbereich von 0,5 mm bis 3 mm zwischen den Spulen 3 und 7 ein Versorgungsstrom von 200 mA bei einer Spannung von 10 V stabil geliefert werden konnte.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei vollständiger Aufladung der wiederaufladbaren Batterie 9 innerhalb des tragbaren Terminals 90 die Last auf ihren kleinsten Pegel reduziert wird. Der Kollektorstrom des Transistors Q1 fällt dann ebenfalls auf seinen niedrigsten Pegel, wobei sich dieser Kollektorstrom durch den Differentialverstärker IC2 detek­ tieren läßt, um die Schwingung der Oszillatorschaltung 10 zu beenden, und zwar mit Hilfe der UND-Schaltung 13. Genau­ er gesagt liefert der Differentialverstärker IC2 an seinem Ausgang ein "L"-Signal, wenn die Batterie 9 vollständig aufgeladen ist, so daß die UND-Schaltung 13 ebenfalls an ihrem Ausgang ein "L"-Signal abgibt. Hierdurch werden die Transistoren Q1 und Q2 ausgeschaltet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich die Stromversorgungseinrichtung 1 in einer optischen Signalver­ teilungseinrichtung 80, um das tragbare Terminal 90 aufzu­ laden. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Sie kann sich auch in anderen Einrichtungen befinden, um weitere tragbare elektronische Geräte mit Energie zu ver­ sorgen bzw. wieder aufzuladen.

Die Fig. 1 zeigt nochmals das prinzipielle Schaltungsdia­ gramm der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung. Die Sekundärspule 7 auf dem Kern 6 liegt mit einem Ende an Referenzpotential (z. B. Masse), während ihr anderes Ende mit der Diode D1 (Fig. 3) verbunden ist. Primärspule 3 und Detektorspule 12 sind um den gemeinsamen Kern 2 herumge­ wickelt und weisen ebenfalls jeweils ein auf Referenzpoten­ tial liegendes Ende auf.

Nachfolgend wird der Aufbau der Rückkopplungsschaltung 4 genauer beschrieben. Die Rückkopplungsschaltung 4 enthält den Differentialverstärker IC1, dessen positivem Eingang das Induktionssignal von der Detektorspule 12 über die Dio­ de D2 zugeführt wird. Das nicht mit der Diode D2 verbundene Ende der Detektorspule 12 ist über den Schalter 14 mit ei­ nem Eingang der UND-Schaltung 13 sowie mit dem Emitter des Transistors Q3 verbunden, der auf Referenzpotential liegt.

Der Ausgang des Differentialverstärkers IC1 ist über einen Widerstand mit der Basis des Transistors Q3 verbunden. Sein Kollektor ist mit dem Ausgang der UND-Schaltung 13, mit der Basis des Transistors Q2 und über weitere Widerstände mit der Basis des Transistors Q1 sowie mit dem Emitter des Transistors Q1 verbunden, der eine Gleichspannung über eine Klemme 11a empfängt. Der Emitter des Transistors Q2 liegt auf Referenzpotential, während sein Kollektor über einen Widerstand mit der Basis des Transistors Q1 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q1 ist über einen Widerstand mit der Oszillatorschaltung 10 verbunden. Die beiden Ein­ gänge des Differentialverstärkers IC2 sind mit jeweils ei­ nem Ende dieses zuletzt genannten Widerstands verbunden, wobei der Ausgang des Differentialverstärkers IC2 über den Schalter 24 mit dem anderen Eingangsanschluß der UND-Schal­ tung 13 verbunden ist. Der Differentialverstärker IC1 ist noch mit einer geeigneten Rückkopplungseinrichtung verse­ hen. Hierzu ist sein Ausgang über einen Widerstand auf sei­ nen negativen Eingang und über einen weiteren Widerstand auf Referenzpotential gelegt. Zwischen seinem positiven Eingang und Referenzpotential kann sich eine Glättungsein­ richtung befinden.

Claims (3)

1. Stromversorgungseinrichtung, die Energie von einer Oszillatorschaltung (10) zu einer Primärspule (3) liefert, um auf kontaktlosem Wege durch elektromagnetische Induktion die Energie weiter zu einer Sekundärspule (7) zu übertra­ gen, die der Primärspule (3) gegenüberliegt, gekennzeich­ net durch

• - eine Detektorspule (12), die elektromagnetisch mit der Primärspule (3) gekoppelt ist, eine Laständerung aufgrund einer Abstandsänderung zwischen der Primärspule (3) und der Sekundärspule (7) detektiert sowie ein Signal aus­ gibt, das durch Änderung einer Induktionsspannung infolge der Laständerung erhalten wird, und
• - eine Steuereinrichtung (4), die auf der Grundlage der Än­ derung der Induktionsspannung, die von der Detektorspule (12) ausgegeben wird, einen Ausgang der Oszillatorschal­ tung (10) so steuert, daß die von der Sekundärspule (7) empfangene Energie konstant bleibt.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen Schalter (14), der ein Signal zum Einschalten der Oszillatorschaltung (10) zur Steuereinrich­ tung (4) liefert, wenn eine Einrichtung (90), die die Se­ kundärspule (7) enthält, relativ zur Stromversorgungsein­ richtung korrekt positioniert ist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Differentialverstärker (IC2), der die zur Oszillatorschaltung (10) gelieferte Energie de­ tektiert und ein Signal zur Beendigung der Schwingung der Oszillatorschaltung (10) zur Steuereinrichtung (4) liefert, wenn die Energie kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.