СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF DEVICE IN WIRELESS ENERGY TRANSMISSION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технологии передачи энергии.
Предшествующий уровень развития техники
Для зарядки аккумуляторов устройств с аккумуляторным питанием, таких как сотовые телефоны, карманные компьютеры (PDA), пульты дистанционного управления, ноутбуки и т.д., или для непосредственного питания таких устройств, как лампы или кухонная техника, может применяться индуктивная система энергопитания, делающая возможной беспроводную передачу энергии. Индуктивные системы энергопитания для передачи энергии или зарядки мобильных устройств известны, например, из WO 2008/050260. Такая система, как правило, включает в себя устройство передачи энергии, именуемое в дальнейшем передатчиком, содержащее множество передающих катушек, питание на которые может подаваться по отдельности, таким образом формируя переменное магнитное поле. Индуктивная система энергопитания дополнительно содержит устройство приема энергии, содержащее нагрузку, требующую энергии. Для приема энергии устройство приема энергии обеспечено приемной катушкой, в которой переменное магнитное поле, предоставляемое включенными передающими катушками, индуцирует ток. Этот ток может приводить в действие нагрузку приемного устройства, например заряжать аккумулятор или включать лампу. Далее устройство приема энергии называется приемником, который содержит приемную катушку и нагрузку.
Очень важно обеспечить низкое, предпочтительно (виртуально) нулевое потребление энергии в режиме ожидания. Например, когда на беспроводном передатчике энергии нет никакого устройства, потеря энергии должна быть почти нулевой.
Заявка на патент США US2008/0157909 предоставляет систему для обнаружения связи между передающей катушкой устройства передачи энергии и приемной катушкой устройства приема энергии. При подаче питания на передающую катушку датчик тока отслеживает ток через передающую катушку для определения, соединена ли приемная катушка устройства приема энергии с передающей катушкой. Система требует подачи питания на передающую катушку на регулярной основе, что приводит к слишком большим затратам энергии устройством передачи энергии, особенно когда не присутствует никакое устройство приема энергии.
Если система по упомянутой заявке на патент США используется в устройстве передачи энергии, которое содержит множество передающих катушек, питание на каждую из передающих катушек должно подаваться на регулярной основе, что приводит к дальнейшему увеличению энергопотребления. Кроме того, постоянная подача питания на передающую катушку приводит в определенные моменты к появлению электромагнитного поля, которое может вызвать, например, электромагнитные помехи или может стереть информацию на магнитной ленте, например, банковской карты, когда банковская карта случайно положена на устройство передачи энергии.
Сущность изобретения
Было бы полезно предоставить способ и передатчик с низким энергопотреблением в режиме ожидания.
Первый аспект изобретения предоставляет способ обнаружения приемника передатчиком по п. 1 формулы изобретения. Второй аспект изобретения предоставляет передатчик для обнаружения приемника по п. 8 формулы изобретения. Третий аспект изобретения предоставляет способ обнаружения приемника передатчиком по п. 12 формулы изобретения. Четвертый аспект изобретения предоставляет передатчик для обнаружения приемника по п. 13 формулы изобретения. Полезные варианты воплощения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом изобретения предоставляется способ обнаружения приемника передатчиком. Передатчик предназначен для индуктивной передачи энергии на приемник. Передатчик содержит первую передающую катушку в качестве первого электрода и второй электрод. Первый электрод и второй электрод образуют конденсатор. Способ включает в себя этап приложения напряжения к любому из электродов и включает в себя этап обнаружения изменения емкости конденсатора.
Настоящее изобретение предлагает способ и устройство для обнаружения, находится ли приемник на поверхности передатчика, посредством емкостного обнаружения, которое является быстрым и не препятствует индуктивной передаче энергии. Следовательно, обнаружению устройств на площадке беспроводной зарядки не препятствуют другие устройства, уже заряжаемые на той же самой площадке. Более того, предложенный способ обнаружения работает при небольшом (или фактически отсутствующем) рассеянии энергии.
Способ основан на том факте, что устройство, которое помещается на поверхности передатчика, будет менять емкость между двумя электродами, расположенными под поверхностью передатчика, или между одним электродом и землей, или между одним электродом и приемником. Размещение таких устройств на поверхности передатчика изменяет емкости конденсаторов, которые существуют между различными электродами. Это происходит в результате индуцированного изменения диэлектрической постоянной пространства между двумя электродами, или диэлектрического расстояния между этими двумя электродами, или комбинации изменения диэлектрической постоянной и диэлектрического расстояния. В контексте изобретения этот способ также называется "емкостным способом обнаружения".
Обнаружение изменения емкости может быть выполнено относительно энергоэффективно по сравнению с индуктивным обнаружением. Пока не изменяется емкость и когда используется постоянное напряжение, никакой ток не течет от и к конденсатору - только тогда, когда емкость изменяется, небольшая величина тока течет от или к конденсатору. Также, если к конденсатору прикладывается переменное напряжение, и переменное напряжение может быть должным образом рассчитано, относительно небольшой ток течет через конденсатор. Таким образом, ток через конденсатор может быть относительно небольшим или практически равным нулю, и поэтому энергопотребление емкостного способа обнаружения относительно низко. Обнаружение может выполняться энергоэффективно, например, посредством интегральной схемы с низким энергопотреблением. Таким образом, способ обнаружения приемника является относительно энергоэффективным.
Кроме того, емкостное обнаружение не требует индуктивной работы передающих катушек и, таким образом, не генерируется электромагнитное поле, и не создаются электромагнитные помехи.
Более того, использование первой катушки передачи в качестве одного из электродов сокращает количество компонентов, которые требуются для создания передатчика, который использует емкостное обнаружение для обнаружения приемника. Вместо введения дополнительного первого электрода и второго электрода способ изобретения требует только применение второго электрода, и поэтому передатчик имеет менее сложную конструкцию и экономит затраты.
В варианте воплощения передатчик дополнительно содержит вторую передающую катушку, которая действует как второй электрод. То есть две соседние передающие катушки могут использоваться в качестве двух электродов конденсатора. Обнаружение наличия и местоположения приемной катушки может быть выполнено посредством измерения изменения емкости конденсатора, образованного двумя передающими катушками.
Первая передающая катушка работает как первый электрод конденсатора, который соединен с первым выводом. Соседняя передающая катушка работает как второй электрод конденсатора, который соединен со вторым выводом. Другая катушка поблизости работает, например, как третий электрод конденсатора, который соединен с третьим выводом. Местоположение приемной катушки относительно местоположения передающих катушек определяет емкость между первым и вторым выводом или, например, между первым и третьим выводом.
Другими словами, передатчик может иметь более одной передающей катушки. Каждая пара передающих катушек передатчика может формировать конденсатор. При использовании первой передающей катушки в качестве первого электрода и второй передающей катушки в качестве второго электрода реализуется эффективное использование компонентов передатчика. Нет необходимости вводить дополнительные электроды в поверхности передатчика, что предотвращает возможные взаимодействия между передающими катушками передатчика и дополнительными электродами.
Если приемник расположен сверху первой передающей катушки, сверху второй передающей катушки или частично сверху первой передающей катушки и/или частично сверху второй передающей катушки, емкость конденсатора, образованного этими двумя передающими катушками, изменяется, что обнаруживается схемой обнаружения. Таким образом, обнаружение показывает, что приемник помещен на или рядом с первой передающей катушкой и/или на или близко ко второй передающей катушке. Это знание может запустить дальнейший процесс идентификации приемника передатчиком или может быть начата передача энергии на приемник первой передающей катушкой и/или второй передающей катушкой.
Если передатчик имеет множество передающих катушек, и если между каждой парой соседних передающих катушек отслеживается емкость для обнаружения изменений в емкости, может быть получена достаточно точная оценка местоположения приемника относительно положения передающих катушек. Обнаруженное положение может быть использовано для приведения в действие дальнейшего процесса идентификации приемника или для начала передачи энергии приемнику передающей катушкой, которая является близкой или самой близкой к обнаруженному положению приемника.
В качестве примера этого варианта воплощения, схема обнаружения соединена со второй катушкой, и напряжение прикладывается к первым передающим катушкам, причем схема обнаружения используется для отслеживания изменения емкости конденсатора, образованного первой катушкой и второй катушкой.
В другом варианте воплощения второй электрод емкости расположен в центре первой передающей катушки.
Вариант воплощения предлагает определять местоположение приемника посредством использования емкостного обнаружения. Способ будет иметь почти нулевое энергопотребление, являться быстрым и практически не препятствует индуктивной передаче энергии. Конденсатор обнаружения реализован между первичной обмоткой в качестве первого электрода и вторым электродом, который расположен в центре первичной обмотки. Поэтому обнаружение приемника непосредственно соответствует положению передающей энергию катушки и требует менее сложный алгоритм определения местоположения.
Другими словами, обеспечение электрода в центре первой передающей катушки позволяет более точное обнаружение положения приемника относительно положения первой передающей катушки. Тем более передатчик в состоянии различать более точно ситуацию, в которой приемник расположен точно сверху первой передающей катушки, и другую ситуацию, в которой приемник частично покрывает первую передающую катушку. Если приемник расположен точно сверху первой передающей катушки, то изменение емкости будет больше, чем в случаях, когда приемник расположен частично сверху первой передающей катушки.
Кроме того, если передатчик содержит множество передающих катушек, каждая передающая катушка обеспечивается электродом в центре передающей катушки, каждая из передающих катушек формирует конденсатор со своим центральным электродом. Если приемник размещен на поверхности передатчика, один из конденсаторов показывает самое большое изменение своей емкости. Упомянутый конденсатор является конденсатором, сформированным передающей катушкой и ее соответствующим центральным электродом, который является ближайшим к приемнику. Таким образом, относительно просто решить, какая передающая катушка находится ближе всего к приемнику.
Второй электрод может иметь несколько форм, в том числе в виде круглой, овальной, прямоугольной металлической пластины, возможно с разрезами для уменьшения вихревых токов, в виде катушки, набора тонких проводников, соединенных друг с другом на одной стороне и т.д. Второй электрод может быть расположен точно в центре первой передающей катушки, однако для формирования конденсатора между первой передающей катушкой и вторым электродом второй электрод может также быть расположен не по центру. Необходимо только, чтобы второй электрод был расположен в пределах первой передающей катушки.
В качестве примера этого варианта воплощения, схема обнаружения соединена с любым из электродов конденсатора, а напряжение прикладывается к первым передающим катушкам, схема обнаружения обнаруживает изменение емкости конденсатора, образованного первой передающей катушкой и вторыми электродами в центре первой передающей катушки.
Беспроводной передатчик энергии для обнаружения приемного устройства, причем упомянутый передатчик содержит первую передающую катушку в качестве первого электрода конденсатора, а второй электрод конденсатора расположен в центре первой передающей катушки, дополнительно содержит схему обнаружения, соединенную с любым из электродов конденсатора, причем упомянутый передатчик содержит:
- первый блок для приложения напряжения к первым передающим катушкам,
- схему обнаружения для обнаружения изменения емкости конденсатора, образованного первым и вторым электродами.
В варианте воплощения обмотка первой передающей катушки содержит внутреннюю часть обмотки и внешнюю часть обмотки. Внутренняя часть обмотки является первым электродом, а внешняя часть обмотки является вторым электродом.
Если внутренняя обмотка и внешняя обмотка находятся, например, в режиме ожидания передающего устройства, разъединенные друг от друга, компоновка становится емкостной компоновкой, где внутренняя часть и внешняя часть используются в качестве электродов. Емкость между этими электродами увеличивается, если устройство с емкостными свойствами размещается сверху компоновки. Посредством измерения емкости, используя один из описанных способов, устройство может быть обнаружено. Если устройство обнаружено, внутренняя обмотка и внешняя обмотка могут быть соединены для работы передающей катушки в качестве индуктивного передатчика энергии. Нет необходимости предоставлять никакие дополнительные электроды в поверхности передатчика. Использование внутренней обмотки и внешней обмотки дает возможность точного обнаружения положения приемника относительно положения первой передающей катушки.
В дополнительном варианте воплощения обнаруженное изменение емкости указывает на то, что приемник находится в непосредственной близости от передатчика. Способ дополнительно содержит этап приведения в действие передатчика, так что передатчик начинает осуществлять связь с приемником или передавать энергию на приемник.
Вариант воплощения позволяет передатчику входить в энергосберегающее состояние ожидания, из которого он просыпается при обнаружении события, связанного с беспроводным приемником энергии. Таким событием может быть обнаружение изменения емкости.
Другими словами, если приемник не обнаружен, передатчик находится в режиме ожидания, что означает, что никакая передающая катушка не приведена в действие для передачи энергии или установления связи с приемником. Если обнаружено изменение емкости, то наиболее вероятно, что приемник находится на передатчике. Таким образом, передатчик просыпается, что означает, что режим ожидания заканчивается, и что передатчик входит в рабочий режим. В рабочем режиме передатчик может индуктивно предоставлять энергию приемнику или может сначала начать дополнительный процесс обмена информацией для дальнейшей идентификации приемника. В рабочем режиме одна или более передающих катушек передатчика используются для индуктивной передачи энергии приемнику или установления индуктивной связи с приемником.
В варианте воплощения приложенное напряжение является переменным, или постоянным напряжением, или импульсом напряжения, или ступенчатой функцией.
Если напряжение, которое прикладывается к одному из электродов конденсатора, является переменным напряжением, через конденсатор течет ток, который пропорционален емкости конденсатора. При правильном расчете величины и частоты переменного напряжения ток может быть относительно небольшим, так что рассеивается небольшая величина энергии. Изменения в токе связаны с возможным размещением приемника на передатчике. Обнаружение изменений тока, например, посредством обнаружения, превышает ли ток предварительно заданное значение, и/или посредством обнаружения, уменьшается ли ток ниже предварительно заданного значения, является относительно простым и может выполняться энергоэффективно.
Если приложенное напряжение является импульсом напряжения или ступенчатой функцией, отклик конденсатора во временной области может анализироваться схемой обнаружения. В зависимости от емкости конденсатора может быть обнаружен определенный отклик. Если приемник находится на передатчике, отклик отличается от ситуации, в которой приемник отсутствует на беспроводном энергетическом устройстве.
Измерение характеристики отклика может быть выполнено посредством соединения сопротивления последовательно с конденсатором и приложения импульса напряжения или ступенчатой функции к этой последовательной компоновке. Напряжение на емкости повышается, когда напряжение изменяется от нейтрального до предварительно заданного значения напряжения, и в зависимости от предварительно заданного значения напряжения и емкости конденсатора может быть измерено определенное возрастание. Емкость увеличивается, когда помещается устройство, и поэтому время возрастания больше, если размещено устройство. Когда импульс напряжения определенной длительности прикладывается к последовательной компоновке, напряжение на конденсаторе постепенно уменьшается, когда приложенное напряжение падает от предварительно заданного напряжения до нейтрального напряжения. Время спада является мерой емкости конденсатора.
В дополнительном варианте воплощения передатчик содержит множество емкостей, образованных парами первых и вторых электродов. Способ дополнительно содержит этап обнаружения изменения емкости каждого из множества конденсаторов и содержит этап определения положения приемника, в зависимости от того, изменение емкости какого из множества конденсаторов было обнаружено.
При предоставлении множества электродов каждая соседняя пара электродов образует конденсатор. Определяя изменение емкости между каждой из пар электродов, передатчик способен относительно точно обнаружить, где на передатчике расположен приемник. Емкости, которые имеют самое большое изменение емкости, расположены близко к приемнику.
Согласно второму аспекту изобретения, предоставлен передатчик для обнаружения приемника. Передатчик предназначен для индуктивной передачи на приемник. Передатчик содержит первую передающую катушку в качестве первого электрода и второй электрод. Первый электрод и второй электрод образуют конденсатор. Передатчик, кроме того, содержит первый блок для приложения напряжения к любому из электродов и схему обнаружения, соединенную с любым из электродов емкости для обнаружения изменения емкости конденсатора.
В варианте воплощения передатчик дополнительно содержит вторую передающую катушку, которая является вторым электродом.
В другом варианте воплощения второй электрод расположен в центре первой передающей катушки.
В дополнительном варианте воплощения обнаружение изменения емкости указывает, что приемник находится в непосредственной близости от передатчика, и передатчик содержит второй блок для приведения в действие передатчика так, чтобы передатчик мог установить связь с приемником или начать передачу энергии на приемник.
Передатчик и варианты воплощения передатчика предоставляют те же преимущества, что и способ согласно первому аспекту изобретения и соответствующие варианты воплощения способа согласно первому аспекту изобретения. Передатчик имеет аналогичные варианты воплощения с действиями, подобными соответствующим вариантам воплощения способа.
Согласно третьему аспекту изобретения, предоставлен другой способ обнаружения приемника передатчиком. Передатчик предназначен для индуктивной передачи энергии на приемник. Передатчик содержит первую передающую катушку в качестве электрода. Способ содержит этапы приложения напряжения на электрод и обнаружения изменения емкости конденсатора, образованного первым электродом и землей или образованного первым электродом и приемником.
Первый электрод образует емкость с землей или с приемником. Если приемник оказывается поблизости от первого электрода, то емкость изменяется, и будет течь заряд к первому электроду или от первого электрода. Посредством обнаружения тока к или от первого электрода получено эффективное решение для обнаружения приемника, которое имеет несложную конструкцию и, таким образом, экономит затраты.
Согласно четвертому аспекту изобретения, предоставлен дополнительный передатчик для обнаружения приемника. Передатчик предназначен для индуктивной передачи энергии на приемник. Передатчик содержит первую передающую катушку в качестве первого электрода, первый блок для приложения напряжения к электроду и схему обнаружения, соединенную с электродом, для обнаружения изменения емкости конденсатора, образованного электродом и землей или электродом и приемником.
В контексте данного документа следует отметить, что использование слова конденсатор не относится к сосредоточенному конденсатору. Кроме того, передатчик, передатчик энергии и беспроводной передатчик энергии являются взаимозаменяемыми терминами в контексте изобретения. Особенностью передатчика является то, что передатчик предназначен для индуктивной передачи энергии на приемник. Приемник, приемное устройство и устройство приема энергии являются взаимозаменяемыми терминами в контексте изобретения. Особенностью приемника является то, что приемник предназначен для индуктивного приема энергии. Кроме того, первый блок для приложения напряжения к любому из электродов или любой из передающих катушек может быть источником напряжения.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на варианты воплощения, описанные ниже.
Специалистам в области техники будет понятно, что два или более из вышеупомянутых вариантов воплощения, реализаций и/или аспектов изобретения могут комбинироваться любым образом, считающимся полезным.
Модификации и вариации системы и/или способа, которые соответствуют описанным модификациям и вариациям системы, могут быть выполнены специалистом в данной области техники на основе настоящего описания.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг. 1 изображает принцип емкостного обнаружения согласно настоящему изобретению,
фиг. 2a изображает базовую структуру для емкостного обнаружения согласно настоящему изобретению,
фиг. 2b изображает множество различных топологий схем для емкостного обнаружения,
фиг. 3 изображает представление в виде блок-схемы системы свободного расположения передатчика согласно изобретению,
фиг. 4 изображает схематическое представление схемы системы на фиг. 3,
фиг. 5 изображает схему согласно первому варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг. 6 изображает схему, эквивалентную фиг. 5,
фиг. 7 изображает поверхность передатчика, покрытую множеством катушек,
фиг. 8 изображает систему емкостного обнаружения согласно варианту воплощения,
фиг. 9 изображает систему емкостного обнаружения согласно варианту воплощения,
фиг. 10 изображает систему емкостного обнаружения с определением местоположения согласно другому варианту воплощения,
фиг. 11 изображает первый пример схемы обнаружения, когда приложено постоянное напряжение,
фиг. 12 изображает второй пример схемы обнаружения, когда приложено постоянное напряжение,
фиг. 13 изображает третий пример схемы обнаружения, когда приложено постоянное напряжение,
фиг. 14 изображает четвертый пример схемы обнаружения, когда приложено переменное напряжение,
фиг. 15 изображает пример со звездообразным электродом в центре первичной катушки,
фиг. 16 изображает передатчик с одной катушкой, обозначенной L1, и конденсатором обнаружения,
фиг. 17 изображает вариант воплощения, где блок обнаружения измеряет напряжение вместо тока,
фиг. 18 изображает эскиз схемы измерения емкости между двумя катушками,
фиг. 19 изображает эскиз принципиальной схемы схемы измерения емкости между катушкой и центрированным электродом,
фиг. 20a изображает эскиз механической части с реализованной емкостью,
фиг. 20b изображает эквивалентную электрическую схему описанного способа измерения,
фиг. 20c изображает эквивалентную электрическую схему описанного второго варианта воплощения способа измерения,
фиг. 21 изображает график спектра диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот. Показаны вещественная и мнимая части диэлектрической проницаемости, а также изображены различные процессы: ионная и дипольная релаксация, атомарные и электронные резонансы при более высоких энергиях,
фиг. 22 изображает архитектуру с низким энергопотребление в режиме ожидания,
фиг. 23 схематично показывает блок-схему алгоритма способа изобретения.
Следует отметить, что элементы, обозначенные одинаковыми номерами позиций на различных фигурах, имеют одни и те же структурные особенности и одни и те же функции или являются одними и теми же сигналами. Если функция и/или структура такого элемента были объяснены, нет необходимости повторять их объяснение в подробном описании.
Фигуры являются исключительно схематичными и изображены не в масштабе. В частности, некоторые размеры сильно увеличены для ясности.
Подробное описание
На фиг. 1 изображен принцип способа обнаружения устройства 106, которое помещено на поверхности 102 передатчика согласно настоящему изобретению. Электроды 108, 110, 112, 114 под поверхностью передатчика используются для обнаружения устройств 106 для зарядки, помещенных на поверхности передатчика 102. Способ основан на том факте, что устройство 106, помещенное на поверхности 102 передатчика, изменяет емкость между двумя электродами 108, 110, 112, 114, расположенными под верхней поверхностью 102 передатчика. Размещение таких устройств 106 на поверхности 102 передатчика изменяет значение емкости, которая существует между различными электродами 108, 110, 112, 114. Это происходит в результате индуцированного изменения диэлектрической проницаемости части пространства между двумя обкладками конденсаторов, образуемых электродами 108, 110, 112, 114, диэлектрического расстояния между двумя электродами или их комбинации. Изменение емкости представлено на фиг. 1 различием в структуре электрических силовых линий 104 между покрытой и не покрытой поверхностью.
Для конденсатора с параллельными обкладками емкость между двумя электродами дается формулой
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ε</mi><mi>A</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow>
(1)
где ε - диэлектрическая постоянная среды между пластинами, A - площадь пластин и d - расстояние между пластинами. Следовательно, емкость линейно зависит от диэлектрической постоянной среды между пластинами. Для двух пластин в одной и той же плоскости существует более сложное соотношение. Однако зависимость от диэлектрической постоянной остается. Для конденсатора, образуемого между двумя электродами 108, 110, 112, 114 под поверхностью 102 передатчика, диэлектрическая постоянная изменяется (увеличивается), когда устройство 106 помещается на верхнюю поверхность 102 передатчика. Результирующее изменение емкости может быть обнаружено несколькими путями.
Фиг. 2a изображает способ обнаружения согласно варианту воплощения. Источник 216 напряжения используется для приложения напряжения, которое может быть переменным или постоянным напряжением с амплитудой, большей или равной нулю, на один электрод 204 (представляющий одну обкладку конденсатора). Схема 212 обнаружения, соединенная с другим электродом 206 (представляющим вторую обкладку конденсатора), используется для отслеживания емкости между двумя электродами 204, 206, образующими конденсатор 202. Изменение емкости указывает на помещение устройства 214, и об этом событии сообщают посредством сигнала 208 обнаружения. Линии 210 представляют собой электрические силовые линии между электродами 204, 206 конденсатора 202.
Когда постоянное напряжение приложено к конденсатору 202, и когда устройство 214 впоследствии помещается на передатчик, в результате перераспределения заряда возникает небольшой ток, который может быть обнаружен как напряжение на измерительном сопротивлении.
Изменение накопленного на обкладке конденсатора заряда задается формулой
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>U</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow>
(2)
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow>
где U - постоянное напряжение, приложенное к конденсатору, а
- изменение емкости при размещении устройства.
Результирующий ток задается формулой
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>Q</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
(3)
<mrow><mo>∂</mo><mi>Q</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow>
где
- заряд в единицу времени, текущий к обкладке конденсатора. Следует отметить, что перераспределение заряда будет также происходить при размещении устройства, содержащего электростатический заряд. Следовательно, сигнал обнаружения может содержать компоненту в результате изменения емкости и/или компоненту в результате размещения статически заряженного устройства.
Когда на конденсатор 202 подается переменное напряжение, через конденсатор протекает ток, и этот ток может отслеживаться. Когда емкость увеличивается при размещении устройства 214, амплитуда протекающего тока также увеличится, указывая на наличие устройства 214. Амплитуда тока задается формулой
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>u</mi><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mi>C</mi></mrow>
(4)
где u - переменное напряжение, прикладываемое к конденсатору 202, ω - частота прикладываемого переменного напряжения и C - емкость между электродами 204, 206. Следовательно, ток зависит линейно от емкости, которая изменяется при помещении устройства 214. Заметим, что ток может быть сколь угодно малым для ограничения рассеяния энергии.
Способ обнаружения приемника через изменение емкости является так называемым способом аналогового импульса, он основан на изменении емкости электрода на или около граничной поверхности вследствие размещения объекта на граничной поверхности.
Способ, в частности, подходит для передатчиков энергии, которые используют свободное расположение, потому что он позволяет реализации, которые имеют очень низкую мощность в режиме ожидания и все же демонстрируют приемлемое для пользователя время срабатывания. Причина состоит в том, что (непрерывное) сканирование граничной поверхности на изменения в расположении объектов и связанных с ними приемников энергии является относительно дорогостоящей операцией. И напротив, обнаружение изменений в емкости электрода может быть очень дешевым (с точки зрения потребностей в электроэнергии). Отметим, что измерение емкости может продолжаться при отключенном питании основных частей базовой станции.
Конструкции передатчика энергии, которые основаны на массиве первичных (передающих) катушек, могут использовать массив первичных катушек в качестве рассматриваемого электрода. С этой целью, мультиплексор должен соединять все (или соответствующее подмножество) первичных катушек в массиве с блоком измерения емкости и одновременно разъединять первичные катушки от схемы возбуждения. Конструкции передатчика энергии, которые основаны на перемещении первичной катушки, могут использовать в качестве электродов катушки обнаружения на граничной поверхности.
Рекомендуется, чтобы схема датчика емкости была в состоянии обнаружить изменения с разрешением 100 фФ или лучше. Если обнаруженное изменение емкости превышает некоторый зависящий от реализации порог, передатчик энергии может заключить, что объект размещен на или удален с граничной поверхности. В этом случае передатчик энергии должен приступить к локализации объекта(ов) и попытаться идентифицировать приемники энергии на граничной поверхности.
Фиг. 2b изображает множество альтернативных топологий схем для емкостного обнаружения. В варианте воплощения (i) два электрода образуют конденсатор. В варианте воплощения (ii) две передающих катушки 218 образуют конденсатор. Варианты воплощения (i)-(iv) соответствуют вариантам воплощения (viii)-(xi) соответственно, и они отличаются положением схемы 212 обнаружения. В вариантах воплощения (i)-(iv) схема обнаружения соединена с электродом 204, 206, к которому также приложено напряжение источника 216 напряжения. В вариантах воплощения (viii)-(xi) источник 216 напряжения соединен с другим электродом конденсатора, чем схема 212 обнаружения. В вариантах воплощения (v) и (xii) показано, что множество передающих катушек 218 или множество электродов 204, 206 могут быть выполнены так, что они образуют множество конденсаторов в параллельной конфигурации. Следует отметить, что варианты воплощения (iii), (iv), (viii)-(xi) могут также иметь свои соответствующие эквиваленты, в которых множество конденсаторов расположены параллельно.
Варианты воплощения (vi), (vii), (xiii) и (xiv) фиг. 2b показывают другой аспект изобретения. Схема 212 обнаружения и источник 216 напряжения присоединены к одному и тому же электроду 220. Электрод может быть специальным электродом или может быть образован одной или более передающими катушками. Конденсатор, образованный этим электродом 220 и землей 222, отслеживается схемой 212 обнаружения. Схема 212 обнаружения измеряет при заданном приложенном напряжении, которое может быть переменным напряжением, постоянным напряжением или иметь форму импульсов, ток, текущий к электроду 220, который является показателем емкости. При помещении устройства изменяется емкость, и поэтому ток, текущий к электроду, изменяется. Следовательно, резкое изменение тока, текущего к электроду, указывает на размещение устройства. В варианте воплощения (xiii) передающая катушка используется в качестве одиночного электрода, а в вариантах воплощения (vii) и (xiv) множество электродов и/или множество передающих катушек соединены параллельно так, что каждая из них образует конденсатор относительно земли или приемника.
Фиг. 3 изображает представление в виде блок-схемы примера передатчика со свободным расположением точки отсчета. На этой фигуре, шестигранные катушки L1, L2 используются для передачи энергии, и они расположены в одной плоскости рядом друг с другом. Хотя показаны только две катушки L1, L2, имеется большее количество катушек (фактически вся плоскость может быть заполнена катушками) для обеспечения свободного расположения приемника на передатчике, то есть используются мультиплексоры MUX1, MUX2 для выбора обмотки, расположенной непосредственно под приемником для передачи энергии. Мультиплексоры MUX1, MUX2 соединяют соответствующую катушку L1, L2 с последовательным конденсатором C1, C2, так что комбинация катушек L1, L2 и конденсатора C1, C2 образует резонансный колебательный контур, необходимый для эффективной передачи энергии. Резонансный контур возбуждается от схемы полумоста HB1, HB2. Наконец, измерительное сопротивление Rsense используется для отслеживания тока катушки в целях управления.
Фиг. 4 изображает схематическое представление системы на фиг. 3. Полумост HB1, HB2 состоит из двух полевых транзисторов (FET) M1, M2, M3, M4, которые управляются микроконтроллером (не показан). Напряжение питания, приложенное к полумосту, обычно между 12 В и 16 В. Мультиплексор MUX1, MUX2 состоит из переключателей, которые используются для соединения соответствующей катушки L1, L2 с полумостовым драйвером.
Хотя для передачи энергии катушки L1, L2 используются в качестве индукторов, данное изобретение направлено на использование двух смежных катушек L1, L2 в качестве двух пластин конденсатора. Значение этого конденсатора будет меняться при размещении устройства на поверхности передатчика. Это значение можно отслеживать с помощью того же оборудования, что используется для передачи энергии. Это показано на фиг. 5. Если переключатели мультиплексора установлены и полевые транзисторы соединены согласно фиг. 5, результирующая эквивалентная схема показана на фиг. 6. Результатом приложения постоянного напряжения 12 В будет постоянное напряжение на конденсаторе Ceq, образованном двумя катушками L1, L2. При работе в установившемся режиме ток не будет течь, то есть никакая энергия не будет рассеиваться. Когда устройство помещено на поверхность передатчика, небольшой ток будет течь к Ceq, который может быть обнаружен в виде напряжения на Rsense.
Вся площадка 700 передатчика, состоящая из большого количества катушек, может отслеживаться одновременно удобным образом. Катушки на поверхности передатчика показаны на фиг. 7. Постоянное напряжение прикладывается к серым катушкам 704, а ток измеряется (при размещении устройства) с помощью белых катушек 702. Таким образом, все обмотки площадки 700 могут измеряться одновременно, при этом получается информация о местоположении при распознавании приемного устройства.
Фиг. 8 показывает вариант воплощения согласно этому изобретению. В этом варианте воплощения две смежных катушки 810, 812 системы 800, которые в противном случае используются для индуктивной энергии, образуют конденсатор 802. При использовании этого варианта воплощения не требуются специальные электроды обнаружения. В отличие от ранее обсужденного варианта воплощения может использоваться специальный источник 808 напряжения и, кроме того, используется специальная схема 804 обнаружения. Источник 808 напряжения используется для подачи напряжения, которое может быть переменным или постоянным напряжением с амплитудой, большей или равной нулю. В зависимости от приложенного напряжения применяется подходящая схема 804 обнаружения, которая генерирует сигнал 806 обнаружения. Некоторые из этих схем 804 обнаружения могут использоваться параллельно для проведения одновременного обнаружения и определения местоположения. Катушками 810, 812, к которым приложено напряжение, могут, например, быть серые катушки на фиг. 7, в то время как катушками, соединенными со схемами 804 обнаружения, могут быть белые катушки.
Фиг. 9 показывает другой третий вариант воплощения согласно этому изобретению. Этот вариант воплощения использует специальные электроды обнаружения 904, 906 и схему. Возможно множество конфигураций электродов 904, 906, все из которых попадают в рамки этого изобретения. Фиг. 10 изображает другой пример конфигурации электродов. В примере на фиг. 9 два гребенчатых электрода 904, 906 используются в поверхности 902 устройства передатчика. Источник 808 напряжения используется для подачи напряжения, которое может быть переменным или постоянным напряжением с амплитудой, большей или равной нулю, и в зависимости от приложенного напряжения используется подходящая схема 804 обнаружения. Определение местоположения устройства на поверхности 902 передатчика, если требуется, может быть выполнено с использованием других (известных) способов, например посредством попытки установить связь с устройством через локальное магнитное или электрическое поле.
Фиг. 10 показывает другой вариант воплощения согласно этому изобретению. В этом варианте воплощения присутствуют электроды в двух слоях 1002, 1004 под поверхностью передатчика. Специальная схема 1006, 1008 обнаружения присутствует для каждого возможного горизонтального и вертикального положения (слои 1002, 1004). Система 1010 управления управляет приложенными напряжениями, обрабатывает выходные сигналы схем 1006, 1008 обнаружения и генерирует сигнал 1012 обнаружения, который теперь также передает информацию о местоположении обнаруженного устройства. Эта электродная конфигурация имеет то преимущество, что число схем 1006, 1008 обнаружения масштабируется как квадратный корень площади передатчика. Однако возможны и другие конфигурации электродов, которые также позволяют комбинированное обнаружение и определение местоположения. Все эти конфигурации попадают в рамки этого изобретения.
Комбинированное обнаружение и определение местоположения могут альтернативно быть получены посредством использования одной схемы обнаружения в сочетании с множеством источников напряжения, прикладывающих напряжения, которые имеют зависящую от местоположения частоту. Амплитуда различных спектральных компонентов в сигнале обнаружения затем передает информацию об обнаружении и местоположении.
Далее представлены примеры схем обнаружения. Однако также могут использоваться другие реализации. Эти альтернативные схемы также попадают в рамки объема этого изобретения.
Фиг. 11 изображает реализацию схемы обнаружения 1102, когда постоянное напряжение больше или равное нулю вольт, приложено к одному из электродов конденсатора C. При размещении устройства значение C изменится и, как результат постоянного напряжения на C, величина заряда на обкладках конденсатора изменится. Этот поток заряда или ток подается операционным усилителем. В конфигурации, показанной на фиг. 11, ток, текущий к C, также протекает через сопротивление обратной связи операционного усилителя, что приводит к изменению напряжения на выходе операционного усилителя. Следовательно, ток заряда преобразуется в напряжение. Это напряжение усиливается в схеме (NPN-)транзистора, так что первоначально сигнал 1104 обнаружения равен напряжению питания транзистора, в то время как при размещении устройства сигнал обнаружения уменьшается до величины менее 0.5 В. Микропроцессор μP, соединенный со схемой 1102 обнаружения, может быть сконфигурирован так, чтобы регистрировать это изменение напряжения, которое свидетельствует о размещении устройства.
Схема 1202 на фиг. 12 отличается от приведенной на фиг. 11 тем, что диод и конденсатор подключены к базе транзистора. Этот конденсатор заряжается во время размещения устройства и медленно разряжается через базу транзистора, таким образом увеличивая время, когда сигнал 1104 обнаружения мал, облегчая обнаружение этого состояния микропроцессором μP.
Схема 1302 на фиг. 13 отличается от приведенной на фиг. 11 в пределах того, что схема транзистора заменена компаратором 1304 с определенным пороговым напряжением Vref. Выход компаратора 1304 равен нулю, если выходное напряжение операционного усилителя меньше Vref, и равно его напряжению питания, если выходное напряжение операционного усилителя 1306 превышает Vref. Выход компаратора 1304 отслеживается микропроцессором μP. В некоторых случаях диод и конденсатор могут быть добавлены между выходом компаратора 1304 и входом микропроцессора μP для увеличения продолжительности сигнала обнаружения.
Фиг. 14 изображает схему 1402 обнаружения, которая является применимой при приложении переменного напряжения Vref. Изменение емкости, индуцированное размещением устройства, приводит к изменению амплитуды выходного сигнала операционного усилителя 1404. Эта амплитуда получается путем осуществления демодуляции этого выходного сигнала операционного усилителя 1404 в демодуляторе 1406 и фильтрации в фильтре 1408 низких частот.
Конденсатор обнаружения 1502, который, например, показан на фиг. 15, реализован между первичной катушкой 1504 в качестве первого электрода и вторым электродом 1506, который расположен в центре первичной катушки 1504. Второй электрод может иметь несколько форм, в том числе в виде круглой, овальной, прямоугольной металлической пластины, возможно снабженной разрезами для уменьшения вихревых токов, в виде катушки, набора тонких проводников, соединенных между собой с одной стороны, и т.д.
Фиг. 15 показывает пример со звездообразным электродом 1506 в центре первичной катушки 1504. Фигура также показывает в правой части условное обозначение конденсатора обнаружения, образуемого между первичной катушкой 1504 и вторым электродом 1506.
Когда устройство помещается на или удаляется от первичной катушки 1504, значение конденсатора C изменяется. Значение значительно увеличивается, когда устройство накрывает второй электрод 1506 конденсатора C (размещенного в центре первичной катушки 1504) и по меньшей мере часть первичной катушки 1504. Емкость увеличивается незначительно, когда устройство не накрывает второй электрод 1506 конденсатора C. Поэтому конденсатор C хорошо подходит для обнаружения помещения устройства сверху первичной катушки 1504.
Фиг. 16 показывает схему 1602 передатчика с одной катушкой, представленной L1, и конденсатором обнаружения C2. Последовательный резонансный контур формируется посредством L1 и C1. Резонансный контур возбуждается полумостовым инвертором, представленным переключателями S1 и S2. Блок 1604 обнаружения соединен через переключатель S3 для обнаружения изменения тока к C2. Во время обнаружения оба переключателя S1 и S2 открыты или по меньшей мере один открыт, а другой раскрыт, в то время как S3 закрыт. Во время передачи энергии S3 открыт, а S1 и S2 попеременно закрываются. Когда устройство помещается на или удаляется от первичной ячейки, изменение значения C2 приводит к небольшому току к/от C2, который измеряется блоком 1604 обнаружения.
Направление тока, вызванного изменением емкости C2, может быть использовано для определения направления перемещения устройства относительно первичной ячейки. Если устройство перемещается в направлении к передающей ячейке, емкость будет увеличиваться, приводя к положительному току. Если устройство удаляется от ячейки, то емкость уменьшается, приводя к отрицательному току.
Передатчик может быть оснащен матрицей первичных ячеек, в которой каждая первичная ячейка содержит, по меньшей мере, первичную катушку, конденсатор обнаружения и блок обнаружения. Альтернативно все конденсаторы обнаружения соединены параллельно в одну схему обнаружения. В этом случае не получается информация о местоположении. Передатчик может определить положение и форму устройства, которое помещено на поверхности передатчика, путем исследования того, какие блоки обнаружения измерили увеличение емкости C2. Разрешение такой локализации определяется физическим размером передающих катушек и чувствительностью блоков обнаружения.
Фиг. 17 показывает вариант воплощения схемы 1702, где блок 1704 обнаружения измеряет напряжение вместо тока. Чтобы иметь возможность использовать центральный блок 1704 обнаружения и центральный генератор сигнала, обслуживающие множество первичных ячеек, добавлены переключатели S4 и S5. Это позволяет оборудовать передатчик усовершенствованной и более дорогостоящей реализацией и генератора сигнала, и блока 1704 обнаружения, в результате чего стоимость в расчете на каждую первичную ячейку лишь умеренно увеличивается.
S4 может быть частью мультиплексора, позволяя выборочное соединение первичной ячейки с центральным генератором колебаний. S5 может быть частью мультиплексора, позволяя выборочное соединение первичной ячейки с блоком обнаружения.
Во время передачи энергии S4 закрыт, в то время как S3 и S5 открыт. Во время локализации устройства на передатчике переключатель S4 открыт для каждой первичной ячейки, которая участвует в локализации. Чтобы определить изменение местоположения устройства, нижеследующее повторяется циклически для каждой участвующей первичной ячейки, используя предварительно заданную длительность цикла.
В начале цикла конденсатор C2 первичной ячейки заряжается с помощью постоянного напряжения при закрытии переключателя S3 в течение короткого периода времени.
Во время цикла конденсатор разряжается через (паразитное) сопротивление R известной большой величины.
В конце цикла изменение напряжения измеряется блоком обнаружения. С этой целью закрывается переключатель S5.
Должны различаться следующие ситуации:
- если ни одно устройство не присутствовало сверху первичной ячейки, и ни одно устройство не помещается на первичную ячейку, емкость C2 не изменяется, и измеряемое напряжение будет в пределах предварительно определенного диапазона в зависимости от разряда конденсатора через сопротивление в течение длительности цикла;
- если ни одно устройство не присутствовало сверху первичной ячейки, и устройство помещается на первичную ячейку, емкость C2 увеличивается, и измеряемое напряжение будет ниже заранее определенного диапазона согласно разряду конденсатора через сопротивление в течение длительности цикла;
- если устройство присутствовало сверху первичной ячейки, и устройство удаляется от первичной ячейки, емкость C2 уменьшается, и измеряемое напряжение будет выше заранее определенного диапазона согласно разряду конденсатора через сопротивление в течение длительности цикла;
- если устройство присутствовало сверху первичной ячейки, и устройство не было удалено от первичной ячейки, емкость C2 не изменяется, и измеряемое напряжение будет в пределах заранее определенного диапазона согласно разряду конденсатора через сопротивление в течение длительности цикла.
Дополнительный способ обнаружения и локализации устройства измеряет емкость C2 посредством использования источника переменного тока вместо источника постоянного тока.
Описанный способ может быть применен для обнаружения и определения местоположения устройства на передатчике для того, чтобы выбрать одну или более передающих катушек для передачи энергии на приемник.
Описанный способ может применяться в сочетании с существующим методом обнаружения и локализации приемника, который требует сигнал энергии на передающей катушке, который длится относительно долго для того, чтобы дождаться отклика от приемника на сигнал энергии (например, посредством предоставления данных с использованием модуляции нагрузки). В этом случае описанный способ может ограничить число передающих катушек, которые должны быть исследованы существующим способом, что приводит к ограничению суммарной энергии и времени исследования передающих катушек при отклике приемника.
На фиг. 18 показан эскиз схемы 1100 передатчика для измерения емкости между катушками Lx1, Lx2. В качестве примера схема состоит из двух полумостов 1811, 1812. Каждый из полумостов в качестве примера оборудован двумя переключателями на полевых МОП-транзисторах. Каждый переключатель состоит из активного управляемого контура 1101, который охватывает емкость Cds 1802 и произвольно ориентированный диод 1803. Ответвление от средней точки полумоста соединено с передающей катушкой Lx1, Lx2 1806 через резонансный конденсатор Cr 1804 и в некоторых случаях последовательную индуктивность Lr 1805. Резонансная частота схемы определяется емкостью, последовательной индуктивностью и индуктивностью рассеяния преобразователя.
На фиг. 18 в качестве примера два полумоста 1811, 1812, которые подают переменное напряжение на резонансный контур во время передачи энергии, изображены для пояснительных целей. В компоновке может использоваться большее число передающих катушек и схем питания, как показано на фиг. 7.
На фиг. 18 передающие катушки Lx1, Lx2 питаются от полумостов 1811, 1812. Эта компоновка использована для целей пояснения. Возможны другие компоновки для питания от переменного напряжения (например, компоновка с полным мостом или аналоговым усилителем класса-A/B).
На Фиг. 19 показан эскиз второй схемы 1900 передатчика для обнаружения емкости между передающей катушкой 1806 и электродом 1909, расположенным в центре передающей катушки 1806.
В дополнительном варианте воплощения измеряется собственная емкость передающих катушек. Так как это плоская катушка, собственная емкость увеличивается, если устройство с емкостными свойствами размещается на передающей катушке. Собственная емкость может, например, быть измерена с помощью измерения собственного резонанса передающей катушки. Если собственный резонанс уменьшается ниже заранее заданной опорной частоты, то устройство обнаружено. Для измерения собственного резонанса в области техники известны несколько способов.
В дополнительном варианте воплощения обмотка передатчика разделена на внутреннюю и внешнюю часть обмотки. Обе части расположены концентрически в одном горизонтальном слое. Они соединены переключателем (например, транзистором). Если переключатель открыт, компоновка становится емкостной компоновкой, где внутренняя часть и внешняя часть используются в качестве электродов. Емкость между этими электродами увеличивается, если устройство с емкостными свойствами размещено поверх компоновки. Путем измерения емкости с использованием одного из описанных способов устройство может быть обнаружено. Если устройство обнаружено, переключатель замыкается для работы передающей катушки в качестве индуктивного передатчика энергии.
В варианте воплощения емкость измеряется в области частот. Описанный вариант воплощения подразумевает две емкости Ck 1807 на концах каждой задействованной передающей катушки 1806. Для измерения емкости между показанными в качестве примера двумя катушками, как показано на фиг. 18, концы обеих катушек соединяются одинаковым образом. Блок 1813 измерения емкости расположен на точке соединения конденсаторов Ck 1807 связи. Для измерения емкости катушки и ее центрированного электрода 1909, как показано на фиг. 19, блок 1813 измерения емкости расположен между точкой соединения конденсаторов Ck 1807 связи и ее центрируемым электродом 1909. Предпочтительно, измерительная частота отличается от рабочей частоты передающей катушки. Способ, описанный в настоящем документе, использует недорогой специальный блок 1813 измерения емкости.
Полумостовой драйвер плюс дополнительное сопротивление может использоваться для выполнения измерения емкости. Отдельные катушки, которые рассматриваются в одном измерительном цикле, разъединяются посредством мультиплексора, который может содержать реле. Измерение переменного тока производится путем подачи переменного напряжения к одному выводу емкости (которая дана в виде первичной обмотки катушки). Частота переменного тока формируется посредством драйвера передающей катушки. Однако высокая частота, предпочтительно в нижнем МГц-диапазоне, является подходящей для измерения емкости. Таким образом, должно проверяться частотное ограничение или драйвер передающей катушки.
Измерение емкости выполняется более точно посредством схемы 1813 измерения емкости. Этот блок 1813 измерения соединен с передающими катушками через емкость 1807.
Последовательная индуктивность Lr 1805 отделяет высокую частоту, используемую для измерения емкости, от паразитных емкостей Cds 1802 переключателя.
Емкость между двумя катушками Lx1, Lx2 или между катушкой Lx1 1806 и его центрированным электродом 1909 изменяется, когда объект, имеющий определенную электрическую проводимость или демонстрирующий высокую диэлектрическую проницаемость, помещается на или удаляется от передающей катушки(ек).
Подключение катушки так, как показано на фиг. 18 и фиг. 19, обеспечит емкостную связь с обмоткой и позволит избежать возмущений, вызванных влиянием внешних факторов.
Емкость, измеренная блоком 1813 на фиг. 18, указывает, покрывает ли приемная катушка две (или часть) передающих катушки Lx1, Lx2 или нет. Путем измерения емкости между каждой соседней парой передающих катушек Lx1, Lx2 передатчик может вычислить местоположение приемной катушки, например, путем суммирования измеренной емкости для каждой передающей ячейки с ее соседними передающими катушками. Этот метод работает до тех пор, пока приемная катушка покрывает, по меньшей мере, часть двух передающих катушек (например, когда приемная катушка больше, чем каждая передающая катушка).
Емкость, измеренная блоком 1813 на фиг. 19, указывает, покрывает ли приемная катушка передающую катушку (или часть) и ее центрированный электрод. Этот способ непосредственно указывает, расположена ли приемная катушка над передающей катушкой, а также он может применяться, если приемная катушка покрывает только одну (или часть) передающую катушку.
В другом примерном варианте воплощения емкость между электродами измеряется посредством применения импульсной или ступенчатой функции к емкостной компоновке для измерения емкости во временной области. Импульсный генератор подключен к емкостным компоновкам с последовательно включенным сопротивлением. Измеряется напряжение между электродами.
В примерном варианте воплощения ступенчатая функция применяется к схеме после того, как емкостная компоновка разряжена. Это может быть аппроксимировано импульсом, который длится достаточно долго, чтобы рассматриваться как ступенчатая функция для всех случаев, которые возможно могут встретиться. Время нарастания и время спада этого напряжения зависит от емкости емкостной компоновки и может, таким образом, быть связано с наличием объекта между электродами емкостной компоновки. Время нарастания напряжения на электроде измеряется путем сравнения напряжения на электроде с опорным напряжением с помощью компаратора. Контроллер может измерить время от начала ступенчатой функции до времени, когда компаратор изменяет свой выход. Если это время превышает предварительно заданное значение, устройство обнаружено. Эталонное значение может непрерывно адаптироваться алгоритмом управления.
В дополнительном примерном варианте воплощения применен импульс определенной длины и амплитуды после того, как емкостная компоновка разряжена. Более подробно, форма импульса и длина выбраны так, что количество заряда, доставленного к электродам, четко определено. После подачи импульса, напряжение на электродах измеряется и сравнивается с эталонным значением. Если емкостная компоновка имеет низкую емкость, которая соответствует "отсутствию устройств сверху", результирующее напряжение высоко. Если устройство с емкостными свойствами размещено на компоновке, компоновка имеет высокую емкость. Тогда результирующее напряжение мало. Таким образом, если измеренное напряжение ниже эталонного значения, то устройство обнаружено.
Дополнительный вариант воплощения показан на фиг. 20a, 20b, 20c.
Если объект с высокой диэлектрической проницаемостью (но который не является приемной катушкой) расположен на передающей катушке(ках), то значение измеренной емкости тоже изменится. Размещение, например, ключа на поверхности будет тоже влиять на емкость между катушками или между катушкой и ее центрированным электродом. В обоих упомянутых случаях передающие катушки не будут начинать передавать энергию, так как объекты, размещенные на поверхности, являются не подходящими объектами для получения энергии.
Чтобы различать и идентифицировать приемную катушку, могут использоваться два способа.
Вариант воплощения для идентификации допустимого приемника использует свойства диэлектрического материала приемника. Вариант воплощения состоит из специального материала вокруг или, по меньшей мере, в нижней поверхности приемника, который имеет определенную частотную характеристику. Это может быть достигнуто посредством предоставления корпуса (например, из пластика), который имеет частотно-зависимый импеданс. Частотная зависимость может быть достигнута посредством использования дебаевской релаксации, которая является диэлектрическим релаксационным откликом идеальной, невзаимодействующей совокупности диполей на внешнее переменное электрическое поле. Зная материал корпуса приемной катушки, может быть выполнено обнаружение и особенно идентификация корпуса. На фиг. 21 показан спектр диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот. Показаны вещественная и мнимая части диэлектрической проницаемости и изображены различные процессы: ионная и дипольная релаксация, атомарные и электронные резонансы при более высоких энергиях. Зная специальные частоты электронных, атомарных, дипольных и ионных релаксационных частот, материал может быть идентифицирован. Используя специальные материалы, зависящие от материала релаксационные частоты могут быть установлены равными требуемой частоте. Предпочтительно, идентификация осуществляется на частотах, которые отличаются от рабочей частоты катушки/операции по передаче энергии.
Другой вариант воплощения для идентификации допустимого приемника использует частотно-зависимую диэлектрическую проницаемость, которая меняется с частотой, без использования эффекта дебаевской релаксации. Это может быть реализовано путем добавления специального материала между приемной катушка и корпусом. Такая комбинация показана на фиг. 20a, 20b, 20c.
Система состоит из корпуса 2001 массива передающих катушек, в котором расположены передающие катушки 2002. Каждая передающая катушка необязательно состоит из магнитного сердечника 2004, который улучшает характеристики магнитного потока передающих катушек. Магнитный сердечник может быть или отдельным для каждой катушки, или может быть реализована общая магнитная панель.
В другом варианте воплощения для идентификации допустимого приемника обмотка 2005 приемника встроена в и электрически соединена с материалом 2006 с определенной диэлектрической проницаемостью. Таким образом, обмотка приемника действует как сеть индуктивностей/емкостей. Эквивалентная электрическая схема показана на фиг. 20b.
Для целей пояснения на фигуре показаны только три передающих катушки и одна приемная катушка. Однако возможно больше чем три передающих катушки и/или приемных катушек. Чертеж повернут против часовой стрелки.
Передающие катушки 2002 и блок 2013, 2014 измерения емкости расположены в корпусе 2001 передатчика. Приемные катушки 2005 расположены в корпусе 2003 приемника. Каждый виток Lw обмотки имеет определенную емкость Cw, которая определяет в целом заданную резонансную частоту. В зависимости от местоположения приемной катушки измеренная емкость между первой обмоткой и второй обмоткой будет отличаться от емкости, измеренной между второй и третьей обмоткой. Только измерение емкости между обмотками является частью этого варианта воплощения. Изменение измеряющей частоты покажет частотную зависимость измеряемой емкости. Так как импеданс изменяется в зависимости от частоты, наличие приемника можно отличить от наличия других предметов, положенных на массив передатчика. Заданная частотная зависимость может использоваться в качестве ключа. Если различные типы приемников (например, с различным расходом энергии/характеристиками) размещаются на массиве передатчика, они могут быть идентифицированы и рассматриваться индивидуально с точки зрения расхода энергии или потребностей в зарядке. В этом варианте воплощения измеряющая частота для измерения емкости и частота, при которой изменяется частотная зависимость приемной катушки, отличаются от рабочей частоты при подаче энергии на приемную катушку.
Емкости, добавленные к приемным катушкам, могут быть меньше, чем последовательная емкость, которая может быть применена в дополнение к приемной катушке. Таким образом, встроенная емкость не будет влиять на характеристики передачи энергии.
На эскизе, описанном выше, блок для измерения емкости/частотной зависимости устройства присоединяется к концам обмотки передающей катушки. В соответствии с другим вариантом воплощения блок измерения может соединяться с ответвлением от средней точки каждой из передающих катушек. Этот эскиз показан на фиг. 20c.
Фиг. 22 изображает архитектуру 2200 с низким энергопотреблением в режиме ожидания. В этой архитектуре 2200 источник 2204 напряжения смещения, который часто дает наибольший вклад в рассеяние энергии в режиме ожидания, выключается посредством переключателя 2202 переменного тока, когда передатчик находится в состоянии сна (то есть режиме ожидания). Во время этого состояния только контроллер 2208 и схемы 2210 обнаружения питаются энергией, сохраненной в конденсаторе 2209. Эта подсистема отделена от остальной части электроники передатчика посредством переключателя 2205, чтобы гарантировать, что только эти два компонента питаются от накопительного конденсатора 2209. Небольшая программа, запущенная на контроллере 2208, периодически проверяет, достаточно ли высоко его напряжение питания, например напряжение на конденсаторе 2209. Если это не так, оба переключателя 2202, 2205 закрываются на короткий период времени для зарядки накопительного конденсатора 2209. Таким образом, контроллер 2208 и схемы 2210 обнаружения всегда включены, в то время как остальная часть системы находится большую часть времени в энергосберегающем режиме сна.
Использование нормально закрытых переключателей 2202, 2205 улучшит проблему пуска из холодного состояния, то есть когда передатчик впервые соединяется с сетью, он будет питаться полностью, пока управляющее устройство 2208 не решит, что система должна войти в режим бездействия, то есть когда никакое устройство не присутствует на поверхности передатчика.
Система 2200 просыпается, когда к передатчику применен стимул 2212, то есть обнаружение устройства электроникой 2210 обнаружения, которая посылает сигнал контроллеру 2208 о том, что система 2200 должна проснуться. Контроллер 2208 затем закрывает оба переключателя 2202, 2205, чтобы привести всю электронику передатчика в действие.
Стимул 2212, примененный к беспроводному передатчику энергии, должен указывать на размещение приемного устройства на поверхности передатчика. Обнаружение стимула, основанное на емкостном обнаружении, было описано в предыдущих вариантах воплощения.
Фиг. 23 схематично показывает блок-схему последовательности операций способа согласно первому аспекту изобретения. Способ выполняется беспроводным передатчиком энергии для обнаружения приемного устройства. Беспроводной передатчик энергии содержит первый электрод конденсатора и второй электрод конденсатора. Беспроводной передатчик энергии, кроме того, содержит схему обнаружения, соединенную с любым из электродов. Способ включает в себя этап 2302 подачи напряжения на другой электрод и этап 2304 обнаружения схемой обнаружения изменения емкости конденсатора, образованного электродами. Обнаруженное изменение емкости может рассматриваться как событие, связанное с приемным устройством. Способ может, кроме того, включать в себя этап 2306 пробуждения передающего устройства, являющегося беспроводным передатчиком энергии, так что передающее устройство приводится в действие для питания приемного устройства или установления связи с приемным устройством. Другими словами, передатчик приводится в действие.
Фиг. 23 также может использоваться для объяснения способа 2300 согласно третьему аспекту изобретения. Способ 2300 является способом обнаружения приемника передатчиком. Передатчик предназначен для индуктивной передачи энергии приемнику. Передатчик содержит первую передающую катушку в качестве электрода. Электрод образует конденсатор с землей или с приемником. На первом этапе 2302 способа 2300 подается напряжение на электрод. На втором этапе 2304 способа 2300 производится обнаружение изменения емкости конденсатора.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты воплощения изображают, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в области техники будут в состоянии разработать много альтернативных вариантов воплощения, не отступая от объема прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения любые ссылочные позиции, размещенные между круглыми скобками, не должны толковаться как ограничение пункта формулы изобретения. Использование глагола "содержать" и его спряжений не исключает наличие элементов или этапов помимо заявленных в пункте формулы изобретения. Единственное число элемента не исключает наличие множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано с помощью технических средств, содержащих несколько различных элементов, а также посредством соответственно запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, касающемся устройства, который перечисляет несколько средств, несколько из этих средств могут быть воплощены одним и тем же элементом технических средств. Сам факт, что некоторые меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды.