ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ С АДАПТИВНОЙ ПОДСТРОЙКОЙ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДНОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к области электро- и радиотехники и предназначена для беспроводной зарядки различных устройств. Полезная модель может быть использована для беспроводной зарядки портативных устройств, например мобильных телефонов, карманных компьютеров, беспроводных устройств ввода/вывода, фото-, видеокамер, кардиостимуляторов или любых других электронных устройств.
Уровень техники
Известно устройство и способ подстройки рабочей частоты резонатора, находящегося в передающем устройстве, при изменении взаимного расположения между передающим и приемным устройствами (статья Juseop L. Yong-Seok L. Woo-Jin Y. and Seung-Ok L. Wireless Power Transfer System Adaptive to Change in Coil Separation // IEEE Transactions On Antennas And Propagation. Vol. 62. №2. 2014). В указанной статье авторы предлагают осуществлять подстройку рабочей частоты резонатора, находящегося в передающем устройстве, с помощью массива конденсаторов различных номиналов, используя ключи для параллельного их подключения к резонатору передающего устройства. Устанавливая соответствующие состояния ключей, можно изменять суммарную емкость массива конденсаторов, подключенного к резонатору, тем самым подстраивая его рабочую частоту, что позволяет повысить эффективность системы при изменении взаимного расположения между передающим и приемным устройствами.
Недостатком данной конструкции является малая эффективность системы при близком расположении передающего и приемного устройств из-за использования лишь одного массива конденсаторов с изменяемой емкостью, что не может обеспечить подстройку входного сопротивления, которое изменяется в широких пределах при сильном взаимном влиянии резонаторов друг на друга.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является метод и аппарат адаптивной подстройки входного импеданса антенн, входящих в состав системы беспроводной передачи энергии (патент US 20090284220, Method and apparatus for adaptive tuning of wireless power transfer, Nov. 19, 2009 г.). В данном патенте авторами предложена система, позволяющая осуществлять адаптивное согласование передающей и приемной антенн в непрерывном режиме. Основными элементами рассмотренной системы являются детектор КСВН, согласующая цепочка, состоящая из конденсаторов переменной емкости, и микроконтроллер, осуществляющий управление номиналами конденсаторов.
Недостатком данной системы является то, что работа системы передачи энергии осуществляется на строго фиксированной частоте. Это, в свою очередь, требует подстройки согласующих цепей как передающей, так и приемной антенн. Однако адаптивно управляемая согласующая цепь приемной антенны значительно увеличивает массогабаритные параметры, что неприемлемо в случае мобильных заряжаемых электронных устройств.
Раскрытие полезной модели
Задачей, решаемой полезной моделью, является увеличение эффективности системы передачи энергии при изменении взаимного положения между передающим и приемным модулями без увеличения габаритов приемного модуля.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая система так же, как и известная, содержит передающий зарядный модуль, включающий в себя высокочастотный генератор, выход которого соединен через согласующую цепь с резонатором, соединенный с другой стороны с цифровым приемником и содержащий приемный зарядный модуль, включающий в себя резонатор, соединенный с одной стороны с цифровым передатчиком, а с другой стороны через согласующую цепь с выпрямителем, выход которого соединен с контроллером заряда-разряда. Но в отличие от известного, согласующая цепь передающего зарядного модуля содержит массив конденсаторов и катушек индуктивности разных номиналов, подключаемых последовательно и/или параллельно к выходу резонатора с помощью управляемых электронных ключей.
Техническим результатом, обеспечивающим решение задачи, является увеличение эффективности системы передачи энергии при изменении взаимного положения между передающим и приемным модулями за счет подстройки согласующей цепи передающего резонатора с помощью массива переключаемых элементов.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы ПМ, характеризует беспроводную зарядную систему, в которой рабочая частота высокочастотного генератора передающего зарядного модуля может перестраиваться.
Техническим результатом является изменение рабочей частоты системы, что позволяет увеличить эффективность системы при изменении взаимного положения между передающим и приемным модулями без увеличения габаритов приемного модуля, за счет отсутствия схемы подстройки согласующей цепи в приемном модуле.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 формулы ПМ, характеризует беспроводную зарядную систему, в которой передающий зарядный модуль включает в себя блок управления, соединенный с цифровым приемником, высокочастотным генератором и управляемыми электронными ключами согласующей цепи.
Техническим результатом является возможность адаптивного управления массивом переключаемых элементов согласующей цепи и рабочей частотой перестраиваемого высокочастотного генератора передающего зарядного модуля на основе сигналов обратной связи, полученных от приемного модуля и обработанных цифровым приемником.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 4 формулы ПМ, характеризует беспроводную зарядную систему, в которой приемный зарядный модуль содержит блок контроля, соединенный с цифровым передатчиком, выпрямителем и контроллером заряда-разряда.
Техническим результатом является возможность формировать и передавать сигналы обратной связи с помощью цифрового передатчика, содержащие информацию об уровне принятого сигнала, мощности и текущего состояния заряда, полученные с выпрямителя и контроллера заряда-разряда.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 5 формулы ПМ, характеризует беспроводную зарядную систему, в которой резонаторы передающего и приемного зарядных модулей содержат ферритовую пластину и металлический экран, расположенные с обратной стороны резонатора.
Техническим результатом является исключение влияния посторонних объектов с обратной стороны резонатора и частей корпуса устройства, в которое может быть встроен приемный модуль, на характеристики резонаторов передающего и приемного модулей без снижения эффективности системы.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Структурная схема системы с автоподстройкой согласующей цепи.
Фиг. 2. Схема согласующей цепи, осуществляющая подстройку резонатора передающего модуля.
Фиг. 3. Конструкция резонатора, позволяющего исключить влияние посторонних объектов с обратной стороны резонатора,
Фиг. 4. Пример взаимного расположения резонаторов приемного и передающего модулей.
Фиг. 5. Частотные зависимости коэффициентов передачи системы при изменении взаимного положения без использования подстройки согласующей цепи передающего модуля и с подстройкой.
Осуществление полезной модели
Беспроводная зарядная система с адаптивной подстройкой (Фиг. 1) содержит в передающем зарядном модуле 1 генератор 2, согласующую цепь 3, резонатор 4, цифровой приемник 5, блок управления 6, а в приемном зарядном модуле 7 - резонатор 8, цифровой передатчик 9, согласующую цепь 10, выпрямитель 11, контроллер заряда-разряда 12, блок контроля 13 и аккумулятор 14.
11
1n
m1
mn
11
mn
Согласующая цепь 3, осуществляющая подстройку резонатора 4 передающего модуля 1 (Фиг. 2), включает в себя конденсаторы С-С, катушки индуктивности L-L, а также ключевые элементы A-A, в качестве которых могут выступать PIN диоды или полевые транзисторы.
Резонаторы 4 и 8 представляют собой планарную структуру (Фиг. 3), состоящую из проводящей рамки 15, расположенной на диэлектрической подложке 16, имеющую один вход (выход) и содержащую ферритовую пластину 17 и металлический экран 18, расположенные с обратной стороны структуры. Проводящая рамка может иметь круглую форму, форму спирали или многоугольника с произвольным числом сторон одинаковой или различной длины.
При изменении положения резонатора 8 приемного модуля, встроенного в заряжаемое устройство 19, относительно передающего резонатора 4 (Фиг. 4) изменяется импеданс резонаторов, что приводит к рассогласованию и изменению центральной частоты и уровня коэффициента передачи 20 (Фиг. 5), осуществляя подстройку резонатора и изменяя рабочую частоту системы можно увеличить коэффициент передачи 21, что приводит к увеличению эффективности системы.
Работа устройства
Работа устройства происходит следующим образом. После подачи питания на передающий зарядный модуль 1 включается блок управления 6, который запускает генератор 2 в импульсном режиме, сформированный сигнал которого, проходя через согласующую цепь 3, поступает на резонатор 4 и излучается в окружающее пространство. При появлении приемного зарядного модуля 7 в зоне действия передающего зарядного модуля 1 на резонаторе 8 наводится переменная ЭДС, которая поступает через согласующую цепь 10 на выпрямитель 11. Постоянное напряжение на выходе выпрямителя 11 питает блок контроля 13, который посылает в цифровой передатчик 9 информацию о заряжаемом устройстве. Цифровой передатчик 9 кодирует информацию с помощью амплитудной модуляции на резонаторе 8, и благодаря индуктивной связи резонатора 4 и резонатора 8 информационный сигнал поступает на резонатор 4. Далее цифровой приемник 5 демодулирует информационный сигнал и отправляет его в блок управления 6, который, получив необходимую информацию, переводит генератор 2 в режим непрерывной генерации гармонического сигнала.
После завершения процедуры обнаружения приемного зарядного модуля 7 блок управления 6 начинает подстройку согласующей цепи 3 и частоты гармонического сигнала, вырабатываемого генератором 2 для достижения максимального КПД системы. Изменение параметров происходит последовательно по специальному алгоритму, а значение амплитуды напряжения, наведенного в резонаторе 8 с выпрямителя 11, для каждой итерации, определяемой пачкой из нескольких импульсов, поступает на АЦП блока контроля 13, входящий в состав цифрового приемника 5. Значение напряжения для каждой итерации записывается в память блока управления 6, который на основании полученных данных выбирает параметры согласующей цепи и частоты генератора, которые соответствуют максимальной амплитуде напряжения на резонаторе 8. После завершения процедуры подстройки согласующей цепи 3 и частоты генератора 2 блок управления продолжает с определенной периодичностью записывать в память значения наведенного в резонаторе 4 напряжения и, если последние несколько значений отличаются от максимального значения на определенную величину, то процедура подстройки согласующей цепи 3 и частоты генератора 2 запускается снова.
Команда о прекращении заряда аккумулятора вырабатывается контроллером заряда-разряда 12 и поступает на блок контроля 13 и дальше аналогично сигналу о заряжаемом устройстве передается на передающее зарядное устройство 1 в блок управления 6, который переводит генератор 2 в импульсный режим.
Таким образом, осуществляется технический результат.