专利名称：用于电感式能量传递的电路布置和方法
技术领域：
本发明涉及用于小电器的电感式能量传递的电路布置和方法，例如用于电动牙刷或电动剃刀。
背景技术：
电池驱动的小电器通常在外部充电器上充电。将电能由充电器电感式传递至电器的遥控充电器尤其普遍。就该目的而言，通过具有线圈元件和电容器元件的振荡器在充电器内产生交变磁场，其中线圈元件同时形成电感变压器的初级线圈且变压器的次级线圈被布置在要充电的电器内。因此充电器被指定为初级侧而要充电的电器被指定为次级侧。其中振荡器用稳定电压驱动或以恒定振幅振荡的此类充电器已知于JP 6-M454A。新式充电器通常具有三种工作状态。第一状态为工作模式，其中次级侧连续地需要能量例如为了操作电器或对装在电器内的电池进行充电。第二状态为简单的待机模式， 其中电器不位于充电器内，即根本不需要电能。第三状态已知为延长待机模式，其中电器位于充电器内但是仅仅偶尔需要电能，例如，由于尽管电池完全充电，但是其必须偶尔再充电以补偿自放电或电器的能量消耗。在后一种情况下，充电器应按需在简单的待机模式和工作模式之间来回开关。充电器(初级侧)的相应工作状态因此由小电器(次级侧)的能量需量决定。已知在次级侧直接检测次级侧的能量需量以将相应的信息传递至初级侧并因此调整振荡器，例如调整在振荡器中工作的晶体管的基极-发射极电压。由于需要将信息由次级侧传送至初级侧的传输装置，因此该解决方案相当复杂。作为另外一种选择，次级侧的能量需量可被测定，因为振荡器的(初级侧)能量消耗被测量并因此使振荡器得以控制。然而，由于变压器的初级侧和次级侧之间的通常弱耦合，充电器的能量消耗仅受电器能量消耗的微弱影响，因此该变体不太适于调整多工作状态。发明目的本发明的目的是出于能量效率的原因最小化处于待机模式的充电器的能量消耗 (参见欧盟指令205/32)，因此指定用于电感式能量传递的方法及电路布置，所述电路布置能够取决于次级侧的能量需量以简单的方式置于具有进一步减少的能量消耗的工作状态。如本发明所沭的解决方案该目的通过具有振荡器和如下装置的用于电感式能量传递的电路布置实现，所述装置检测振荡器的电感负载并取决于所述振荡器的负载调整振荡器中的阻尼元件，以便在较小的振荡器负载(待机模式)下降低电路布置的非电抗能量消耗。阻尼元件包含可控电阻器，通过所述可控电阻器可改变阻尼元件的电阻。阻尼元件优选地包含至少一个欧姆电阻器和可控开关，所述开关的开关通道被布置成使得由至少一个欧姆电阻和开关形成的布置的电阻可为可开关选择的。在电路布置的一个优选的实施方案中，振荡器包括已知方式的有源元件，例如晶体管。其优选地由共基极连接的科耳波兹振荡器或哈特利振荡器组成。阻尼元件优选地连接为振荡器晶体管的发射极电阻并包含由欧姆电阻器和电子开关组成的并联电路。与开关为关闭的工作模式相比，在待机模式中，开关为打开的，使得发射极电阻呈现相当大的值并因此减小振荡器振荡的振幅。因此降低了电路布置的非电抗能量消耗。优选地设计振荡器，以便其在待机模式中也振荡，但是具有与工作模式相比减小的振幅。这足以便于降低电路布置的能量消耗至期望的程度。优选地，检测次级侧振荡器电感负载的装置在待机模式中也运行，以便可立即检测次级侧增加的能量需量的发生并且振荡器的功率可在瞬间被改变。检测振荡器的电感负载的装置利用振荡器内发生的电变量，来测定振荡器的负载并因此测定次级侧的功率需量，将其与参考值相比，并且控制电开关以便根据所述振荡器的负载按需改进振荡器的阻尼元件。电变量为例如振荡器晶体管的集电极电压或基极电压的振幅。优选地，仅仅集电极电压或基极电压的负半周期振荡的振幅或振幅平均值在振荡器中被检测。也就是说，振荡器振荡的负半波振幅尤其强烈地取决于次级侧的负载而改变。本发明也包括将能量电感式传递至小电器(次级侧)的方法，其中交变磁场在初级侧具有振荡器的电路布置中产生并辐射至次级侧，并且振荡器中的阻尼元件借助检测振荡器的电感负载的装置取决于振荡器的负载而改变，其中在较小的振荡器负载下，电路布置的非电抗能量消耗通过调整阻尼元件而降低。次级侧的功率需量，即振荡器的负载，由振荡器中检测的电变量测定。优选地，存在于振荡器中的晶体管的基极电压或集电极电压的负半周期振荡的振幅或振幅平均值被检测，将其与参考值相比，并且因此如果需要，调整阻尼元件。阻尼元件包括可控电阻器，所述可控电阻器的电阻优选地为通过可控开关可开关选择的，例如振荡器的晶体管的发射极电阻值。电路布置可被设计成对布置在小电器中的能量存储进行电感式充电，所述小电器例如电动牙刷、电动剃刀或通讯电器。
本发明利用示于附图中的示例性实施方案详细地解释。附加实施方案在说明书中提及。所示为图1电路布置的方框图；图2电路布置的第一实施方案；图3电路布置的第二实施方案；以及图4电路布置的第三实施方案。
具体实施例方式根据图1的方框图示出了电感式充电器的原理设计。将电容器元件和线圈元件布置在自激振荡器LC中。振荡器LC用于产生交变磁场。振荡器中的线圈元件同时用于将能量由振荡器LC电感式传递到次级侧(未示于图中)。振荡器LC通过电源ACDC由干线获取电能并包括有源元件Tl以产生振荡。振荡器包括阻尼元件Z，阻尼元件Z的电阻可改变以调整振荡的振幅。图2至图4以更详细的形式示出了电路布置的示例性实施方案。电源A⑶C未示于这些图中；电源与端子DC和0连接。图2示出了第一示例性实施方案。振荡器包括电容器C8和C9及线圈，所述线圈中仅仅末端L+和L-被示出。后者同时用于磁场的辐射。振荡器LC形成具有通过晶体管形成的有源元件Tl的科耳波兹振荡器。供给到振荡器LC中的电能通过与线圈L4串联的阻尼元件Z来调整，其作为用于有源元件Tl的可变的发射极电阻。阻尼元件Z包括欧姆电阻器R5和场效应晶体管T2，其漏源通道与电阻器R5并联。电流，以及因此供给到振荡器 LC中的能量，通过改变Tl的发射极电阻被调整。考虑到仅仅设计用于低功率的电路，线圈 L4也可用欧姆电阻器取代。有源元件Tl的发射极电阻受附加有源元件晶体管T3的控制，晶体管T3的基极通过齐纳二极管D4以及由Rl和ClO组成的采样及保持支路与晶体管Tl的集电极连接。齐纳二极管D4用作比较器。如果Tl处的集电极电位U_C超过齐纳二极管D4的击穿电压与 T3的基极发射极电压的总和，则晶体管T3的集电极-发射极通道被连通。场效应晶体管 T2栅极处的电位从而降至零，使得η-沟道场效应晶体管T2被封闭。振荡器内阻尼Z的欧姆电阻呈现其最大值，即电阻器R5的值。因此仅仅小电流流入振荡器LC ；能量供给最小化。 如果电力是通过磁场获自于振荡器，则振荡将衰减。因此，最高电位(即集电极处振荡的振幅)将因此再次下降，从而跨过齐纳二极管D4的电压同样下降。如果电压最终降至低于击穿电压和Τ3的基极发射极电压的总和，则晶体管Τ3被封闭。Τ2栅极处的电位随后再次呈现高值，使得场效应晶体管Τ2连通。阻尼元件Z的欧姆电阻随后呈现其最小值，使得通过元件的电流以及因此供给到振荡器中的能量再次增加。电路因此作为封闭的控制电路。由于供给到振荡器LC中的能量通过振荡器的欧姆电阻的改变被调整，因此用于电路的能量供给能够以简单方式可靠地调整。相反，振荡器的电容或电感值的改变将影响振荡器的振荡频率并且因此将导致严重的振荡器的去谐。去谐的振荡器同样不适于应以限定状态工作的电路布置。相对于具有晶体管Tl的唯一控制的能量供给的直接影响，本解决方案提供更佳的调整能力。例如充电器的电路布置可利用多个工作状态或利用恰恰两个限定的工作状态实现。取代齐纳二极管，参考二极管RD4可用作比较器。图3示出了此类第二实施方案。 Tl的集电极电位通过二极管Dl供给至参考二极管RD4的控制端子GND。如果控制端子GND 处的电位保持低于(内部设定的)参考电压，则输出OUT较低。pnp晶体管T3为导通。场效应晶体管T2的栅极从而与VDD连接；电位因此较高。场效应晶体管T2为导通，使得能量可流入振荡器。如果控制端子GND处的电位超过(内部设定的)参考电压，则VDD端子处的电位连通至输出OUT。晶体管T3从而被封闭。场效应晶体管T2栅极处的电位较低，使得场效应晶体管T2被封闭。供给到振荡器中的能为最小的。图4示出了本发明的第三实施方案。此处借助运算放大器OPAMP作为比较器对Tl 的集电极电位进行评价。通过连接运算放大器OPAMPA对集电极电压的峰值(即振幅)与作为参考电压U_R的集电极电压平均值进行比较。参考电压通过包括电阻器R4和R5及电容器Cl的电压分路器进行调整。集电极电压的峰值由包括电阻R1、R2和二极管D3以及电容器C2的电压分路器产生。如果峰值与平均值相比下降，其对应于较高的振荡器负载，则发射极电阻减小，使得更多电能再次被供给。在如图所示的以共基极连接的科耳波兹振荡器中，有源元件Tl基极处的电压U_B可取代集电极电压U_c可被评价用于负载检测。此外，可利用哈特利振荡器取代科耳波兹振荡器。取代振荡器电压的正振幅，振荡器电压的负部分也可被评价。例如，微控制器可用作比较器，Tl的基极电压或集电极电压的负半波可供给到其上。该电压可通过相应取向的整流二极管供给并代表振荡器中的负载。在微控制器中，该Tl的电压可与内设在微控制器中的电压参考相比。 开关模式电源供给尤其适合提供用于图2至4中所述的电路布置供给电压DC，因为它们使其来自干线的能量消耗尤其充分地适应于其向电路布置的功率输出，其意味着如果开关模式电源必须仅仅向电路布置输送少量电力，则其只需由干线获取少量电力，反之亦然。
权利要求
1.一种进行电感式能量传递的电路布置，具有振荡器(LC)和如下装置，所述装置检测振荡器(LC)的电感负载，并且根据所述振荡器(LC)的负载来调整所述振荡器中的阻尼元件⑵。
2.如权利要求1所述的电路布置，其特征在于，所述阻尼元件(Z)包括可控电阻器，通过所述可控电阻器能够改变所述阻尼元件(Z)的电阻。
3.如权利要求2所述的电路布置，其特征在于，所述阻尼元件(Z)由至少一个电阻器 (R)和可控开关(T2)的开关通道形成，以及在于由所述电阻器(R)和所述可控开关(T2)形成的布置的电阻可为可开关选择的。
4.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其特征在于，所述振荡器(LC)为具有有源元件(Tl)例如晶体管的哈特利振荡器或科耳波兹振荡器。
5.如权利要求4所述的电路布置，其特征在于，所述振荡器的晶体管(Tl)以共基极连接工作，并且所述阻尼元件(Z)被连接为所述振荡器的晶体管(Tl)的发射极电阻。
6.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其特征在于，用于检测所述振荡器的负载的装置利用所述振荡器内发生的电变量(U_B ;U_C)，来测定所述振荡器的负载，并因此测定次级侧的功率需量。
7.如权利要求6所述的电路布置，其特征在于，所述电变量(U_B;U_C)为所述有源元件(Tl)的端子处的电压。
8.如权利要求7所述的电路布置，其特征在于，所述电变量(U_B;U_C)为所述晶体管 (Tl)的集电极端子处或基极端子处的负半周期振荡的振幅或所述振幅的平均值。
9.如权利要求6至8中任一项所述的电路布置，其特征在于，用于检测所述振荡器的负载的装置包括比较器(D4 ；RD4 ；OPAMP ；D10)，所述比较器被设计成根据所述电变量(U_B ； U_C)和参考变量(U_R)来控制所述可控开关(T2)。
10.如前述任一项权利要求所述的电路布置，其中，所述电阻(Z)在所述电变量(U_B； U_C)已达到阈值时改变。
11.一种用于借助电路布置进行电感式能量传递的方法，所述电路布置包括振荡器 (LC)和用于检测所述振荡器(LC)的电感负载的装置，其中所述振荡器(LC)中的阻尼元件 (Z)根据所述振荡器(LC)的负载而改变。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述阻尼元件(Z)包括可控电阻器，所述可控电阻器的电阻在所述振荡器(LC)的较小负载下改变以便降低所述电路布置的非电抗能量消^^ ο
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述阻尼元件(Z)的电阻根据在所述振荡器中检测的电变量(U_B ；U_C)而改变。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，次级侧的功率需量由在所述振荡器中检测的电变量(U_B ;U_C)测定。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述次级侧的功率需量利用存在于所述振荡器(LC)中的晶体管(Tl)的基极电压(U_B)或集电极电压(U_C)的负半波来测定。
全文摘要
本发明描述了利用振荡器(LC)和如下装置来进行电感式能量传递的方法及电路布置，所述装置检测所述振荡器(LC)的电感负载，并且取决于所述振荡器(LC)的负载调整所述振荡器中的阻尼元件(Z)。
文档编号H02M7/12GK102460930SQ201080025209
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者J·莱波尔, P·荣格, 托马斯·霍曼, 简·克里斯蒂安·朗斯多夫, 鲁兹·罗纳德·赫兹伯格 申请人:博朗有限公司