УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ, А ТАКЖЕ СПОСОБ, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ ОСУЩЕСТВЛЯТЬ ЭТУ ПЕРЕДАЧУ
DEVICE, SYSTEM FOR TRANSMISSION OF ELECTROMAGNETIC ENERGY AND METHOD OF SUCH TRANSMISSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству с зарядным элементом, имеющим контактную поверхность, предназначенному для передачи через эту контактную поверхность электромагнитной энергии множеству электронных приборов, содержащих соответствующие улавливающие электрические цепи для приема электромагнитной энергии, когда эти электронные приборы позиционированы на контактной поверхности, причем данное устройство содержит первичную обмотку, составляющую по существу единое целое с указанной контактной поверхностью.
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе для передачи электромагнитной энергии, включающей в себя устройство в том его виде, в котором оно описано ранее.
Помимо этого, настоящее изобретение относится к способу, позволяющему реализовать передачу электромагнитной энергии.
В публикации WO 2005/106901 А описано беспроволочное резонансное устройство подачи электропитания, содержащее первую индуктивную обмотку, которая выполнена таким образом, что совместно с индуктивной обмоткой запитываемой нагрузки составляет трансформатор. Первая индуктивная обмотка выполнена таким образом, что образует резонансный контур, который может содержать необходимое количество электрических конденсаторов и катушек индуктивности. Компоненты резонансного контура выбираются, исходя из того, чтобы получаемая индуктивной обмоткой магнитная энергия демпфировала поток энергии в резонансном контуре, чтобы напряжение, наведенное в индуктивной обмотке, было существенно равномерным и независимым от магнитного сцепления между первой индуктивной обмоткой и индуктивной обмоткой приемника на рабочей частоте схемы управления. Этот резонансный контур возбуждается схемой управления, содержащей устройство управления, выполненное с возможностью создания переменного напряжения между первым полупроводниковым ключом и вторым полупроводниковым ключом. На выходе трансформатора генерируется переменное напряжение, преобразуемое диодным выпрямителем в напряжение постоянного тока, сглаживаемое затем выходным конденсатором. Резонансный контур работает от схемы управления на своей собственной резонансной частоте.
В европейской заявке ЕР 0817351 А показано, что конденсаторы установлены параллельно соответственно первичной индуктивной катушке зарядного устройства и параллельно вторичной индуктивной катушке бесконтактно заряжаемого прибора, и с участием этих же параллельных цепочек образованы параллельные резонансные LC-контуры и в зарядном устройстве, и в бесконтактно заряжаемом приборе. Каждая - и первичная, и вторичная индуктивная катушка - образованы спиралями печатного монтажа, причем эти печатные спирали и в зарядном устройстве, и в бесконтактно заряжаемом приборе выполнены таким образом, что когда бесконтактно заряжаемый прибор помещается на зарядное устройство, печатные спирали их обмоток располагаются одна относительно другой с предварительно заданным зазором.
В американской заявке 5279292 А описана система зарядки вживляемых слуховых аппаратов и аппаратов для подавления звона в ушах, оснащенных периодически подзаряжаемыми источниками постоянного тока. Зарядная система содержит вживляемое приемное резонансное устройство как источник электрической энергии для получения подаваемого на зарядку постоянного напряжения и передающий резонансный контур, находящийся вне тела человека, который индуктивно может быть связан с приемным резонансным устройством, для передачи таким образом электрической энергии в это устройство, расположенное внутри человека.
Устройство, описанное во вступительном абзаце настоящей публикации, известно из заявки США 2005/0189910 A1. Известное устройство относится к системе для зарядки батарей питания, включающей в себя зарядный модуль с первичной зарядной цепью, которая выполнена по существу параллельной плоской контактной поверхности известного устройства. Первичная цепь включает в себя первичную обмотку трансформатора. Известное устройство выполнено таким образом, что может производить индуктивную зарядку какого-либо электронного прибора, в котором имеется вторичный контур, предназначенный для функционирования в качестве вторичной обмотки трансформатора, когда этот электронный прибор помещен на контактную поверхность известного устройства. Известное устройство, кроме того, содержит источник электрического тока высокой частоты, подающий этот ток в первичную обмотку трансформатора. Используемая первичная цепь трансформатора передает электромагнитную энергию на высокой частоте через контактную поверхность, которая включает в себя эту первичную обмотку трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора, образованная приемным контуром электронного прибора, принимает эту энергию и генерирует вторичное переменное напряжение высокой частоты, которое затем выпрямляется соответствующим выпрямителем и подается на заряд батарейки питания электронного прибора. Таким образом, никакого электрического контакта между первичной цепью зарядного устройства и электронным прибором не требуется.
Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения постоянного потока через первичную обмотку трансформатора необходимо предпринимать специальные меры, поскольку у плоской спиральной обмотки распределение магнитного потока по поперечному сечению данной первичной обмотки не является равномерным. В результате известное устройство становится более дорогим и требует создания электронной цепи для компенсации неравномерности магнитного потока.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей данного изобретения является предоставление простого, недорогого и надежного в работе устройства для передачи электромагнитной энергии.
С этой целью предложено устройство в соответствии с независимым п.1 формулы изобретения.
Техническая ценность изобретения основана на том обстоятельстве, что выполнение первичной цепи как части резонансного контура, включающей в себя емкостной и индуктивный элементы, значительно упрощает конфигурацию электронной цепи. Одним из преимуществ такого ее выполнения является то, что резонансный контур генерирует напряжение и ток по форме, близкие к синусоидальной, даже при импульсном переменном питании, которое обычно характерно для источников питания, работающих в переключаемом режиме. Кроме того, при этом устраняются проблемы, связанные с неравномерностью магнитного потока.
Устройство по настоящему изобретению пригодно для зарядки перезаряжаемых батарей самых разнообразных электронных приборов, особенно переносных электронных приборов, включая мобильные телефоны, бытовые электроприборы, медицинское оборудование, в том числе диагностические аппараты и устройства для персонального ухода и т.д. Как альтернативный или дополнительный вариант электрические приборы могут вообще не содержать в себе аккумулятора энергии, работая при этом, будучи установленными на зарядном элементе. Примером такого электронного прибора может быть лампа или иной другой подходящий прибор. В частности, устройство по настоящему изобретению пригодно для перезарядки интеллектуальных беспроводных герметично закрытых медицинских датчиков, используемых в отделениях интенсивной терапии для контроля состояния пациентов. Такие датчики должны иметь перезаряжаемые батарейки питания. В области клинического ухода обычное решение с использованием электрических контактов подвержено загрязнению. Таким образом, способ электромагнитной зарядки является предпочтительным. Существующие решения для достижения точно заданного магнитного контура требуют наличия определенных элементов, например, таких, которые присутствуют в известной электрической зубной щетке. Но пользоваться таким прибором все еще неудобно. Более того, в медицинском оборудовании есть и ряд других подобных приборов, которые требуют постоянного обслуживания. Таким образом, есть необходимость в беспроводных индуктивных решениях, которые не требуют точного позиционирования прибора и позволяют обслуживать несколько приборов.
В устройстве по настоящему изобретению электронные приборы помещаются на контактную поверхность, то есть на зарядный элемент. Зарядный элемент предпочтительно выполнен в виде удлиненной конструкции, размеры контактной поверхности которой значительно превышают другие размеры. В предпочтительном варианте осуществления зарядный элемент выполнен в виде бруска. В данном варианте осуществления достигается существенное упрощение пользования, поскольку пользователь может просто расположить электронный прибор в любом месте этого бруска, и нужный технический эффект все равно будет достигнут. Таким образом, устройство по настоящему изобретению обеспечивает простую и надежную зарядку переносных электронных приборов, особенно когда герметичная изоляция таких приборов требует исключить наличие любых электрических контактов для подвода питания.
В варианте осуществления данного устройства первичная обмотка содержит один виток спирали удлиненной формы, выполненный с возможностью генерации переменного магнитного поля по существу по всей контактной поверхности.
Зарядный элемент, то есть «брусок», предпочтительно содержит удлиненную генераторную спираль, которая создает переменное магнитное поле, равномерное по всей длине бруска. Каждый переносной электронный прибор содержит приемную спираль, в которой переменное магнитное поле индуцирует напряжение, используемое для зарядки его батарейки питания. Таким образом, любой электронный прибор может быть заряжен, будучи помещен в любое место зарядного элемента.
В другом варианте осуществления данного изобретения первичная обмотка содержит защелкивающий механизм. В качестве альтернативного или дополнительного варианта исполнения данного устройства элемент для позиционирования содержит постоянный магнит, выполненный с возможностью взаимодействия с электронным прибором, тем самым прижимающий его к контактной поверхности с силой магнитного притяжения. Как еще один альтернативный вариант элемент для позиционирования может включать в себя возвратные штифты, установленные на контактной поверхности зарядного элемента таким образом, что при наложении электронного прибора на контактную поверхность зарядного элемента и нажатии на штифт происходит срабатывание механического контакта с последующим включением соответствующей спирали.
Система для передачи электромагнитной энергии, содержащая устройство в том виде, как оно описано выше, а также электронный прибор, выполненный с улавливающей цепью для приема электромагнитной энергии. Система в соответствии с настоящим изобретением, описанная далее со ссылкой на фиг.4.
Кроме того, предложен способ, позволяющий реализовать передачу электромагнитной энергии в соответствии с независимым п.15 формулы настоящего изобретения.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут пояснены и станут понятными из последующего описания различных вариантов его осуществления.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 схематически показывает первый вариант исполнения устройства по настоящему изобретению.
Фиг.2 схематически показывает второй вариант осуществления устройства по настоящему изобретению.
На фиг.3 представлена диаграмма электрической схемы для системы с одной генераторной спиралью.
Фиг.4 показывает вариант осуществления электрической схемы электронного прибора в системе по настоящему изобретению.
Фиг.5 схематически представляет вариант осуществления системы по изобретению.
Фиг.1 схематически показывает первый вариант осуществления устройства по настоящему изобретению. Устройство (10) содержит зарядный элемент (1) с контактной поверхностью (4). Контактная поверхность (4) предпочтительно выполнена в плоской конфигурации. На контактной поверхности (4) сформирована составляющая с ней единое целое генераторная спираль (2), образующая первичную обмотку. Генераторная спираль (2) выполнена как часть резонансного контура с конденсатором (на фигуре не показан) таким образом, что вокруг нее образуется переменное магнитное поле с магнитным потоком, существенно равномерно распределенным по поперечному сечению этой генераторной спирали (2). Работа устройства (10) будет рассмотрена со ссылками на фиг.3. Зарядный элемент (1), на который может быть помещен ряд заряжаемых электронных приборов (5), предпочтительно выполнен в виде бруска, удлиненного в направлении, показанном буквой L. Преимуществом данного варианта осуществления является то, что электронный прибор (5) может быть полностью заряжен независимо от его расположения на бруске (1), поскольку размер L бруска существенно больше дополнительного размера R электронного прибора.
Электронный прибор (5) предпочтительно оснащен кнопкой (7а) включения и кнопкой (7b) выключения, а также индикатором (8) полной зарядки батарейки питания (на фигуре не показана). Для того чтобы осуществить описываемую передачу электромагнитной энергии от зарядного элемента (1) к электронному прибору (5), последний должен быть оснащен улавливающей электрической цепью (на фигуре не показана), которая в соответствии с законом Фарадея создает в своем контуре вторичный переменный ток. Для фиксации положения электронного прибора (5) на зарядном бруске (1) на этом зарядном элементе предпочтительно имеется выступ (3), выполненный вдоль плоскости контактной поверхности (4). Конфигурация электронного прибора (5) может быть такой, которая позволяла бы навешивать его на этот выступ и снимать его с выступа движением по направлению стрелки (6).
Фиг.2 схематически показывает второй вариант осуществления устройства по настоящему изобретению. Устройство (20) содержит зарядный элемент (21) с контактной поверхностью (27). Контактная поверхность (27) предпочтительно выполнена в плоской конфигурации. В плоскости контактной поверхности (27) выполнены составляющие с этой поверхностью единое целое перекрывающиеся генераторные спирали (22), образуя первичную обмотку. Каждая из генераторных спиралей (22) выполнена как часть резонансного контура с конденсатором (на фигуре не показан) или с набором конденсаторов (на фигуре не показаны) таким образом, что вокруг нее образуется переменное магнитное поле с магнитным потоком, существенно равномерно распределенным по поперечному сечению этих генераторных спиралей (22). Пунктирными линиями на рисунке схематически в виде дорожек (25) показаны частично перекрытые индукторы. Работа устройства в данном варианте исполнения подобна работе устройства, описанного применительно к фиг.3. Зарядный элемент (21) предпочтительно выполнен в виде продолговатого бруска, на котором могут быть расположены несколько заряжаемых электронных приборов (28). Преимуществом данного исполнения устройства является то, что электронный прибор (28) может быть полностью заряжен независимо от места его положения на бруске (21). Далее, зарядный брусок (21) предпочтительно содержит набор датчиков (24), выполненных с возможностью активизации только тех генераторных спиралей, в зоне которых находится электронный прибор (28). Датчики (24) предпочтительно представляют собой механические (нажимные) датчики или фотодатчики. Кроме того, эти датчики - также предпочтительно - выполнены с возможностью регистрации обратного электромагнитного излучения электронного прибора (28). Подходящим примером таких датчиков являются датчики, содержащие ферритовые чувствительные элементы, а также датчики радиочастотной идентификации. Для того чтобы осуществить передачу электромагнитной энергии от зарядного элемента (21) к электронному прибору (28), последний должен быть оснащен улавливающей электрической цепью (на фигуре не показана), которая в соответствии с законом Фарадея создаст в своем контуре вторичный переменный ток. Для фиксации положения электронного прибора (28) на зарядном элементе (21) на этом зарядном элементе предпочтительно имеется выступ (23), выполненный вдоль плоскости контактной поверхности (27). Конфигурация электронного прибора (28) может быть такой, которая позволяла бы навешивать электронный прибор на этот выступ зарядного элемента и снимать его с выступа движением по направлению стрелки (26).
На фиг.3 представлена электрическая схема 30 для системы с одной генераторной спиралью, которая может использоваться для генерации переменного тока в системе с одной генераторной спиралью (35). Схема содержит два выключателя (33а) и (33b), которые, поочередно включаясь, подают на генераторную спираль (35) входное напряжение (31), в результате чего на выходе схемы питания создается переменное напряжение прямоугольной формы. Работа выключателей (33а) и (33b) управляется контроллером (32), который тем самым осуществляет и управление рабочей частотой. Установленный последовательно конденсатор (34) вместе с генераторной спиралью (35) образует резонансный контур. Конденсатор (34) выбирается таким образом, чтобы резонансная частота данного резонансного контура была равна рабочей частоте. Поэтому переменный ток на выходе схемы имеет синусоидальную форму с низким содержанием высокочастотных гармоник, которые могли бы влиять на работу другого электронного оборудования. Резонансные цепи в передатчике и/или в приемнике могут содержать конденсатор, включенный параллельно индуктивной обмотке. Он может использоваться в дополнение к последовательно включенному конденсатору (34). В схеме передатчика он может использоваться для компенсации тока индуктивной обмотки с тем, чтобы генератор работал при меньшем индуктивном токе и, соответственно, имел бы меньшие потери. Кроме того, он может использоваться вместо последовательно включенного конденсатора (34). В электронных устройствах большую резистивную нагрузку целесообразно шунтировать параллельно включенным конденсатором, потому что в этом случае возможно лучшее согласование ее полного сопротивления, и для получения более высокого напряжения на ней требуется меньший входной сигнал.
Генераторная спираль (35) предпочтительно выполнена в виде нанесенных на печатную плату дорожек печатного монтажа. Лучше всего, если вся схема генератора будет расположена на одной печатной плате. Предпочтительно, чтобы за генераторной спиралью был установлен лист из магнитомягкого материала. Он служит экраном для остального оборудования и людей, а также способствует улучшению сцепления магнитного поля с приемным устройством. Образованное описанным образом устройство для передачи электромагнитной энергии содержит контактную поверхность (36), на которой расположена генераторная обмотка в виде спирали (35), выполненная как единое целое с контактной поверхностью (36). Устройство может использоваться для зарядки нескольких электронных приборов. В данном конкретном исполнении показаны только два таких прибора (А, В). Каждый электронный прибор содержит улавливающую электрическую цепь, включающую в себя вторичные обмотки (37) и (38), а также нагрузки (А) и, соответственно, (В). В качестве нагрузки могут использоваться любые электронные приборы или перезаряжаемая батарейка питания.
На фиг.4 вторичная обмотка (51) и конденсатор (52) составляют вторичный резонансный контур, в котором в результате воздействия переменного магнитного поля создается переменное напряжение. Это переменное напряжение выпрямляется выпрямителем (53), в результате чего создается постоянный ток, подаваемый на перезаряжаемую батарейку питания (54). Нагрузочный резистор (55) представляет собой электрическую цепь электронного прибора.
Фиг.5 схематически представляет вариант осуществления системы по настоящему изобретению. Данная система (40) содержит устройство (41) для передачи электромагнитной энергии в соответствии с настоящим изобретением, а также электронный прибор (42). Конструкция данной системы будет более понятна из рассмотрения показанного на рисунке ее общего вида. Электронный прибор (42) содержит печатную плату (47), на которой нанесена обмотка (46) приемного устройства. Прибор (42) предпочтительно содержит пластину (45), выполненную из магнитомягкого материала, которая предназначена для экранирования внутренних элементов электронного прибора, в которые входит и плата (44) приемного устройства, от магнитных полей, а также для увеличения магнитного сцепления. Электронный прибор (42) предпочтительно может быть собран на печатной плате (44). Также предпочтительно, чтобы первичная обмотка зарядного устройства была нанесена на свою собственную плоскую печатную плату.
Для компенсации утечек индуктивности всего устройства последовательно может быть включен конденсатор (49). Переменное напряжение выпрямляется в постоянное напряжение выпрямителем (48), после чего подается на батарейку питания (43). С целью упрощения производственного процесса лист из магнитомягкого материала генератора и спирали приемного устройства приформованы к печатной плате.
Электронный прибор (42) предпочтительно содержит ряд индикаторов (а), (b), (c), (d), установленных для указания статуса передачи электромагнитной энергии. Например, индикатор (а) может быть предназначен для указания пользователю наличия питания, индикатор (b) может быть предназначен для указания идущего процесса зарядки, индикатор (c) может быть предназначен для указания окончания процесса зарядки, а индикатор (d) может указывать длительность процесса зарядки. Специалистами в данной области техники могут быть разработаны и другие возможные варианты использования этих индикаторов. В качестве альтернативного варианта размещения индикаторы могут быть размещены непосредственно на зарядном элементе (41).
В соответствии с настоящим изобретением зарядный элемент (41) системы (40) по изобретению удобно разместить на участке вертикальной поверхности, предпочтительно на стене. С этой целью зарядный элемент может быть оснащен средствами крепления (на фигуре не показаны), например крючками, скрепками и т.п. В дополнительном варианте осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением зарядный элемент (41) может быть выполнен как часть какого-либо оборудования: так, он может являться элементом мебели, например кромкой мебельного изделия, частью вертикальной поверхности стола или подходящим участком какого-либо медицинского оборудования, например рентгеновской установки.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано рисунками и подробно раскрыто в предшествующем описании, эти рисунки и предшествующее описание следует рассматривать именно как иллюстративные, приведенные лишь в качестве примера, но не как ограничительные; данное изобретение не сводится к описанным здесь вариантам его выполнения.