RU2510558C1

RU2510558C1 - Wireless charging system for low-power consumers of electrical energy

Info

Publication number: RU2510558C1
Application number: RU2012130868/07A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Лопатин; Дмитрий Николаевич Кушнерев; Александр Викторович Атаманов
Original assignee: Александр Викторович Атаманов
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-03-27
Also published as: RU2012130868A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: wireless charging system for low-power consumers of electrical energy comprises a charging station with an emitter (1), and an electrical energy consumer receiver, which are provided with coils that operate on a feedback basis. The emitter coil is provided with two windings (15, 16), the length of the wire of which is divisible by λ/4, where λ is the wavelength used. The receiver is composed of an oscillating circuit comprising a spiral flat coil (6) having a wire length divisible by λ/4 or λ/2 and being connected in parallel to a tuning capacitor (7), which is connected in series via a controlled rectifier (8) to a storage capacitor (10), to a pulse width modulator (9) and to a controller (11), which is connected to a pulse generator (12) and to a storage battery (14).

EFFECT: high efficiency of the system.

16 cl

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки различных устройств. Изобретение может быть использовано для беспроводной зарядки маломощных электроприборов: телефонов, фотоаппаратов, камер, игрушек, сувениров в квартире, офисе, общественном здании.The invention relates to electrical engineering and is intended to provide guaranteed wireless power and charge various devices. The invention can be used for wireless charging of low-power electrical appliances: telephones, cameras, cameras, toys, souvenirs in an apartment, office, public building.

Из уровня техники известна беспроводная зарядная система (патент RU 2306654 C1, H02J 17/00; Н04В 1/38, дата публикации 20.09.2007 г.), содержащая узкополосный частотный генератор с излучающей антенной. Данная система генерирует в постоянном режиме высокочастотный сигнал, который поступает на антенну и передается посредством колебаний электромагнитного поля в пространство. Амплитуда колебаний падает пропорционально квадрату расстояния. По этой причине известные уже много лет схемы не нашли широкого применения, так как подаваемая в постоянном режиме энергия с генератора на 99% тратится впустую. Система на стороне приема содержит антенну, инвертор напряжения, контроллер заряда/разряда. Недостатком данного решения является неэффективность передачи энергии за счет неэффективного режима приема колебаний без явлений резонанса.The prior art wireless charging system (patent RU 2306654 C1, H02J 17/00; HB04 1/38, publication date 09/20/2007), containing a narrowband frequency generator with a radiating antenna. This system constantly generates a high-frequency signal, which is fed to the antenna and transmitted through the oscillations of the electromagnetic field into space. The amplitude of the oscillations decreases in proportion to the square of the distance. For this reason, the schemes known for many years have not found wide application, since the energy supplied from the generator in constant mode is wasted by 99%. The system on the receiving side includes an antenna, a voltage inverter, a charge / discharge controller. The disadvantage of this solution is the inefficiency of energy transfer due to the inefficient mode of receiving oscillations without resonance phenomena.

Из уровня техники известно устройство беспроводной передачи электрической энергии (см. патент РФ №2411142, B60L 9/00, дата публикации 10.08.2010 г.), которое предусматривает подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь на резонансной частоте, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя. Недостаток данного устройства заключается в наличии необходимости однопроводной линии к каждому потребителю.The prior art device for wireless transmission of electrical energy (see RF patent No. 2411142, B60L 9/00, publication date 08/10/2010), which provides for the supply of electrical energy from a resonant power supply system through a high-voltage high-frequency converter at a resonant frequency, a single-wire line and air gap to individual consumer current collectors. The disadvantage of this device is the need for a single-wire line to each consumer.

Из уровня техники известны устройство и способ беспроводной передачи энергии и/или данных между устройством-источником и по меньшей мере одним целевым устройством (см. патент RU 2419945, H02J 17/00; H01F 38/14, дата публикации 27.05.2011 г.). Беспроводная передача энергии и/или данных осуществляется с помощью по меньшей мере одной расположенной на стороне устройства-источника первичной катушки по меньшей мере одной первичной цепи тока в по меньшей мере одной расположенной на стороне целевого устройства вторичной катушке по меньшей мере одной вторичной цепи тока, и в по меньшей мере одной катушке по меньшей мере одного резонансного контура наводится напряжение. Резонансный контур расположен электрически изолированным от первичной цепи тока и вторичной цепи тока. Недостатком беспроводного зарядного устройства является низкая эффективность, так как генератор на стороне источника регулярно подает энергию в колебательную систему. При этом первичная катушка, вторичная катушка и образующая катушку индуктивности резонансного контура катушка расположены вокруг магнитного сердечника, образующего магнитный контур. Недостатком известной установки является также уменьшение радиуса действия (возможности электропитания) и уменьшение количества потребителей.The prior art device and method for wireless transmission of energy and / or data between a source device and at least one target device (see patent RU 2419945, H02J 17/00; H01F 38/14, publication date 05/27/2011) . Wireless transmission of energy and / or data is carried out using at least one primary coil located on the side of the source device of the at least one primary current circuit in at least one secondary coil of the at least one secondary current circuit located on the side of the target device, and voltage is induced in at least one coil of at least one resonant circuit. The resonant circuit is electrically isolated from the primary current circuit and the secondary current circuit. The disadvantage of a wireless charger is its low efficiency, since the generator on the source side regularly supplies energy to the oscillating system. In this case, the primary coil, the secondary coil, and the coil forming the inductor of the resonant circuit are located around the magnetic core forming the magnetic circuit. A disadvantage of the known installation is also a decrease in the radius of action (the possibility of power supply) and a decrease in the number of consumers.

Из патента РФ №2408476 (B60L 9/08, дата публикации 10.01.2011 г.) известно изобретение, направленное на создание беспроводного способа питания электротранспортных средств и устройства для его осуществления, обеспечивающего высокую мощность и скорость перемещения электротранспортного средства при многополосном (многорядном) движении. Устройство предусматривает подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя. Недостатком данного решения является необходимость однопроводниковой линии к каждому потребителю.From the patent of the Russian Federation No. 2408476 (B60L 9/08, publication date 01/10/2011), an invention is known aimed at creating a wireless method for powering electric vehicles and a device for its implementation, providing high power and speed of movement of electric vehicles in multi-lane (multi-lane) traffic . The device provides for the supply of electrical energy from a resonant power supply system through a high-voltage high-frequency converter, a single-conductor line and an air gap to individual consumer current collectors. The disadvantage of this solution is the need for a single-wire line to each consumer.

Из уровня техники известно изобретение «Способ и устройство для передачи электрической энергии» (RU 2341860, дата публикации 20.12.2008 г.), согласно которому способ передачи электрической энергии включает генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии. Проводящий канал формирует с помощью микроволнового излучения на частоте много больше резонансной частоты. Недостатком данного решения является необходимость формирования проводящего канала к каждому потребителю с помощью источника микроволнового излучения.The invention is known from the prior art “Method and apparatus for transmitting electric energy” (RU 2341860, publication date 12/20/2008), according to which the method of transmitting electric energy includes generating high-frequency electromagnetic waves and transmitting them through a conducting channel between the source and the receiver of electric energy . The conductive channel forms using microwave radiation at a frequency much higher than the resonant frequency. The disadvantage of this solution is the need to form a conductive channel to each consumer using a microwave source.

Основной проблемой рассмотренных выше систем питания является то, что генератор, работающий в постоянном режиме на антенну, колебательный контур, все время отдает энергию в электрическую цепь. В антенне, колебательном контуре происходит ее преобразование в электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве. Амплитуда колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния от источника. Следовательно, очень малая часть энергии генератора доходит до потребителя и используется. Поэтому в ряде патентов обязательно предлагают формировать как минимум однопроводниковый канал для передачи энергии.The main problem of the power systems discussed above is that the generator, which works continuously on the antenna, the oscillating circuit, all the time gives energy to the electric circuit. In the antenna, the oscillatory circuit, it is converted into electromagnetic waves that propagate in space. The amplitude of the oscillations decreases in proportion to the square of the distance from the source. Therefore, a very small part of the generator energy reaches the consumer and is used. Therefore, a number of patents necessarily propose to form at least a single-conductor channel for energy transfer.

Известна группа устройств «Wireless energy transfer converters» WO 2011112795A1 и «Method and Systems for wireless power transmission» US 2011241618A1, работающих за счет резонанса в магнитном поле со слабым излучением электромагнитных волн. Данное решение позволяет передавать до 60% изначальной энергии с минимальным рассеиванием. Устройство содержит зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи. Недостатком данной системы является возможность достижения высокого КПД только при совмещении осей передающей и приемной катушек. По совокупности существенных признаков данное решение принято за прототип.A known group of devices "Wireless energy transfer converters" WO 2011112795A1 and "Method and Systems for wireless power transmission" US 2011241618A1, operating due to resonance in a magnetic field with weak radiation of electromagnetic waves. This solution allows you to transfer up to 60% of the original energy with minimal dispersion. The device comprises a charging station with a radiator and a receiver of a consumer of electrical energy, made with coils operating using feedback. The disadvantage of this system is the ability to achieve high efficiency only when combining the axes of the transmitting and receiving coils. Based on the set of essential features, this decision was taken as a prototype.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности системы за счет зарядки маломощных устройств без непосредственного контакта со станцией зарядки на расстоянии более 10 см со слабой зависимостью от взаимной ориентации зарядной станции и приемника. Предлагаемая система позволяет увеличить радиус работы до 30-50 см с отсутствием постоянного направления зарядки и с КПД передачи до 55%.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the system by charging low-power devices without direct contact with the charging station at a distance of more than 10 cm with little dependence on the relative orientation of the charging station and receiver. The proposed system allows to increase the radius of work up to 30-50 cm with the absence of a constant charging direction and with a transmission efficiency of up to 55%.

Указанный технический результат достигается тем, что в беспроводной зарядной системе для маломощных потребителей электрической энергии, содержащей зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи, катушка излучателя выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, при этом приемник состоит из колебательного контура, включающего в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор, через управляемый выпрямитель последовательно соединенный с накопительным конденсатором, с широтно-импульсным модулятором и контроллером, который соединен с генератором импульсов и аккумулятором.The specified technical result is achieved by the fact that in a wireless charging system for low-power consumers of electric energy, comprising a charging station with a radiator and a receiver of a consumer of electric energy, made with coils operating using feedback, the radiator coil is made with two windings, the wire length of which is a multiple of λ / 4, where λ is the wavelength used, while the receiver consists of an oscillating circuit, including a parallel connected spiral flat coil with lengths a multiple of λ / 4 or λ / 2, and a tuning capacitor, through a controlled rectifier connected in series with a storage capacitor, with a pulse-width modulator and a controller that is connected to a pulse generator and a battery.

Длина первичной обмотки катушки излучателя может быть равна λ/4, а вторичной обмотки - λ.The length of the primary winding of the emitter coil can be equal to λ / 4, and the length of the secondary winding can be λ.

Зарядная станция может быть выполнена с усилителем, принимающим сигнал, приходящий на антенну зарядной станции от антенны приемника.The charging station may be configured with an amplifier receiving a signal arriving at the antenna of the charging station from the receiver antenna.

Для работы зарядной системы используется диапазон излучения от 100 кГц до 40 МГц.For the operation of the charging system, a radiation range from 100 kHz to 40 MHz is used.

Управляемый выпрямитель может быть выполнен в виде ВЧ-динистора с заданным пороговым напряжением.The controlled rectifier can be made in the form of an RF dynistor with a given threshold voltage.

Для оказания стимулирующего воздействия на человеческий организм и предотвращения негативного воздействия резонансная частота излучателя модулируется низкой частотой от 10 до 30 Гц, а для оказания бактерицидного воздействия на пищу и напитки, находящиеся на столе резонансная частота излучателя модулируется низкой частотой от 0 до 10 Гц.To provide a stimulating effect on the human body and prevent negative effects, the resonant frequency of the emitter is modulated with a low frequency from 10 to 30 Hz, and to provide a bactericidal effect on food and drinks located on the table, the resonant frequency of the emitter is modulated with a low frequency from 0 to 10 Hz.

При использовании двух и более потребителей мощность потребления и энергия, необходимая для зарядки каждого потребителя, передаются в виде кодовых сигналов.When using two or more consumers, the power consumption and the energy required to charge each consumer are transmitted in the form of code signals.

Зарядная станция может быть выполнена с двумя излучателями, включенными противофазно и создающими встречные магнитные поля, и с тремя и более катушками со смещением по фазе подаваемого сигнала, расположенными центрами в вершинах правильного многоугольника.The charging station can be made with two emitters switched in antiphase and creating counter magnetic fields, and with three or more coils with a phase shift of the supplied signal, located at the vertices of the vertices of the regular polygon.

Первичная обмотка катушек может быть выполнена из многожильного провода с диаметром жилы менее 0.5 мм с общим сечением более 2 кв. мм,The primary winding of the coils can be made of stranded wire with a core diameter of less than 0.5 mm with a total cross section of more than 2 square meters. mm

Передающая и приемные катушки могут быть намотаны на ферромагнитный сердечник с минимальной петлей гистерезиса, работающий в диапазоне 500 кГц-100 МГц.Transmitting and receiving coils can be wound on a ferromagnetic core with a minimum hysteresis loop, operating in the range of 500 kHz-100 MHz.

Для взаимной ориентации излучателя и приемника излучатель выполнен подвижным с автоматическим направлением на приемник.For the relative orientation of the emitter and the receiver, the emitter is made movable with automatic direction to the receiver.

Приемная антенна, конденсаторы, схема управления, выпрямители выполнены с толщиной менее 3 мм и собраны в виде плоской наклейки, прикрепляющейся на аккумулятор мобильного устройства и к контактам аккумулятора.The receiving antenna, capacitors, control circuit, rectifiers are made with a thickness of less than 3 mm and are assembled in the form of a flat sticker attached to the battery of the mobile device and to the contacts of the battery.

Излучатель может быть выполнен в форме настольной лампы, при этом свет от лампы очерчивает с точностью 7-10 см зону зарядки, или с плоской антенной и плоскими электронными компонентами.The emitter can be made in the form of a table lamp, while the light from the lamp outlines the charging zone with an accuracy of 7-10 cm, or with a flat antenna and flat electronic components.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана блок-схема системы зарядки в общем виде;Figure 1 shows a block diagram of a charging system in General;

на фиг.2 - импульсы по вершинам полуволн, амплитудная модуляция по импульсам, рост колебаний при накачке;figure 2 - pulses along the vertices of the half-waves, amplitude modulation of the pulses, the growth of oscillations during pumping;

фиг.3 - встречное включение катушек, где а-б - направления распространения поля;figure 3 - counter inclusion of coils, where a-b - the direction of propagation of the field;

фиг.4 - система со смещаемой осью из нескольких катушек,figure 4 - system with a movable axis of several coils,

диаграмма направленности;radiation pattern;

фиг.5 - катушка со смещением фазы;5 is a phase offset coil;

фиг.6 - схема генератора с непосредственной обратной связью по базе транзистора и рекуперационной защитой;6 is a diagram of a generator with direct feedback on the base of the transistor and recovery protection;

фиг.7 - схема генератора с ФАПЧ на микросхеме CD4046.7 is a diagram of a generator with a PLL on a CD4046 chip.

Зарядная станция состоит из излучателя 1, генератора 2 с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), силового ключа 3, усилителя 4, источника питания 5. Источник питания 5 подает необходимое напряжение на усилитель 4, генератор 2 с ФАПЧ, силовой ключ 3. Генератор 2 подает сигнал на ключ 3, подающий колебания, резонансные с собственными колебаниями катушки излучателя 1.The charging station consists of a radiator 1, a generator 2 with phase-locked loop (PLL), a power switch 3, an amplifier 4, a power source 5. A power supply 5 supplies the required voltage to an amplifier 4, a generator 2 with a PLL, a power switch 3. Generator 2 supplies the signal to the key 3, feeding vibrations resonant with the natural vibrations of the emitter coil 1.

Приемная сторона представляет собой четвертьволновую антенну 6, свернутую в спираль, параллельно с которой подсоединен конденсатор с изменяющейся емкостью 7. Конденсатор и четвертьволновая антенна представляют собой колебательный контур.The receiving side is a quarter-wave antenna 6, rolled into a spiral, in parallel with which a capacitor with a variable capacitance is connected 7. The capacitor and the quarter-wave antenna are an oscillatory circuit.

Использование энергии контура происходит в такт с колебаниями. Управляемый выпрямитель 8 открывается с частотами в 4, 8, 16 раз меньше, чем частота в контуре, после этого энергия попадает на широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 9 через накопительный конденсатор 10. С ШИМ 9 энергия поступает на контроллер заряда 11. Приемник содержит генератор 12 сигналов, подающий сигнал через систему 13 переключения. Заряд с контроллера заряда 11 поступает на аккумулятор 14.The use of the energy of the circuit occurs in time with the oscillations. The controlled rectifier 8 opens with frequencies 4, 8, 16 times less than the frequency in the circuit, after which the energy enters the pulse-width modulator (PWM) 9 through the storage capacitor 10. With the PWM 9, the energy is supplied to the charge controller 11. The receiver contains a signal generator 12 supplying a signal through a switching system 13. The charge from the charge controller 11 is supplied to the battery 14.

ШИМ 9 использует частоту между импульсами от 1 до 10 кГц. В качестве управляемого выпрямителя используются биполярные или полевые транзисторы последовательно с ограничительным диодом. При резонансе напряжений в качестве управляемого выпрямителя используется динистор с определенным пороговым напряжением, открываемого на максимуме резонанса. При резонансе токов используется дополнительная обмотка, в которой возникают максимумы, управляющие тиристором или транзистором.PWM 9 uses a frequency between pulses of 1 to 10 kHz. As a controlled rectifier, bipolar or field effect transistors are used in series with a limiting diode. In voltage resonance, a dynistor with a certain threshold voltage, which opens at the maximum resonance, is used as a controlled rectifier. When resonant currents, an additional winding is used, in which there are maxima that control the thyristor or transistor.

Катушка излучателя 1 в простейшем виде представляет собой резонатор со стоячей волной в виде резонансного трансформатора Теслы усложненной конструкции, состоит из первичной обмотки 15, вторичной обмотки 16, обмотки обратной связи 17, ко вторичной обмотке может быть подсоединена обмотка согласования 18, вторичная обмотка снабжена уединенной емкостью 19. Излучение расходится радиально и ограниченно экранирующими стенками. Обмотки выполнены в уплощенном виде - цилиндрические, конические, спиральные.The coil of the emitter 1 in its simplest form is a resonator with a standing wave in the form of a Tesla resonant transformer of a complicated design, consists of a primary winding 15, a secondary winding 16, a feedback winding 17, a matching winding 18 can be connected to the secondary winding, the secondary winding is equipped with a solitary capacity 19. Radiation diverges radially and bounded by shielding walls. The windings are made in a flattened form - cylindrical, conical, spiral.

Первичная обмотка (индуктор) выполнена из многожильного провода диаметром жилы менее 0.5 мм с общим сечением более 2 кв. мм, так чтобы в режиме резонанса токов обмотка смогла пропускать через себя токи в 10-30 А, при этом индукция внешнего поля может доходить до 1.5 Т.The primary winding (inductor) is made of stranded wire with a core diameter of less than 0.5 mm with a total cross section of more than 2 square meters. mm, so that in the current resonance mode the winding could pass currents of 10-30 A through itself, while the induction of the external field can reach 1.5 T.

Импульс на первичной обмотке 15 порождает импульс на вторичной обмотке 16, который распространяется по проводу, достигает конца обмотки и отражается, возвращается к началу обмотки. При выполнении вторичной обмотки 16 длиной в 4, 2 раза меньше длины волны используемого сигнала обратный сигнал возвращается в то же время (синфазно), что и поступающий импульс из первичной обмотки, что приводит к сложению волн и формирует постоянное переизлучение образующейся стоячей волны между обмотками и формированию более мощного поля. При этом излучаемая мощность концентрируется внутри катушки.The pulse on the primary winding 15 generates a pulse on the secondary winding 16, which propagates through the wire, reaches the end of the winding and is reflected, returns to the beginning of the winding. When performing the secondary winding 16, 4, 2 times shorter than the wavelength of the signal used, the return signal returns at the same time (in phase) as the incoming pulse from the primary winding, which leads to wave addition and forms a constant re-emission of the generated standing wave between the windings and the formation of a more powerful field. In this case, the radiated power is concentrated inside the coil.

Вторичная и первичная обмотки составляют кратное от λ/4 (λ/4, λ/2, 3λ/4, λ, 5λ/4, 3λ/2, 2λ), где λ - используемая длина волны. Наилучший результат при длине вторичной обмотки λ, первичной - λ/4.The secondary and primary windings are a multiple of λ / 4 (λ / 4, λ / 2, 3λ / 4, λ, 5λ / 4, 3λ / 2, 2λ), where λ is the wavelength used. The best result when the length of the secondary winding λ, the primary - λ / 4.

Согласующая обмотка 17 соединяется для регулировки длины и достижения условия резонанса. Катушка излучателя передает в пространство импульсы магнитного поля, в промежутках между импульсами работает в режиме приема. В режиме передачи сигнал с обмотки обратной связи 17 подается на генератор 2 с ФАПЧ, в режиме приема - на усилитель 4.Matching winding 17 is connected to adjust the length and achieve resonance conditions. The emitter coil transmits magnetic field pulses into space, and in the intervals between pulses it operates in the reception mode. In the transmission mode, the signal from the feedback winding 17 is supplied to the generator 2 with a PLL, in the reception mode, to the amplifier 4.

Генератор 2 подает импульсы на первичную обмотку по вершинам полуволн синусоидальных колебаний с регулируемой шириной импульса и заполнением от 5 до 35% (фиг.2) и с возможной модуляцией. Регулировкой ширины импульсов осуществляется изменение передаваемой мощности. Генератор 2 работает в режиме фазовой автоподстройки частоты, т.е. подстраивает свою частоту при изменении температуры, влажности и т.д.Generator 2 delivers pulses to the primary winding along the vertices of the half-waves of sinusoidal oscillations with an adjustable pulse width and filling from 5 to 35% (figure 2) and with possible modulation. By adjusting the pulse width, the transmitted power is changed. Generator 2 operates in a phase locked loop, i.e. adjusts its frequency when changing temperature, humidity, etc.

Система излучателя и приемника работает в режиме ожидания и в режиме зарядки (фиг.1). В режиме ожидания генератор 2 через систему ключей 3 устройства подает редкие импульсы со скважностью порядка 1000-5000 в виде серии высокочастотных импульсов с частотой от 100 кГц до 5 МГц по 15-30 импульсов в серии раз в 0.5-2 секунды, что приводит к потребляемой мощности от питания сети 5 менее 1 Вт. Во время промежутков между импульсами излучатель переключается в режим принимающей антенны, при этом сигнал принимается на усилитель-приемник. При внесении в зону работы зарядной системы мобильного устройства (6-14) с приемником излучение попадает на спиральную антенну 6 приемника, которая вырабатывает слабый ток, питая генератор 12 сигналов, который подает сигнал через систему переключения 13 на туже приемную антенну 6, которая излучает сигнал, воспринимаемый антенной излучателя 1 и усилителем 4 зарядной станции, и приводит к уменьшению скважности до 4-10, которая приводит к зарядке аккумулятора мобильного устройства. Усилитель 4 излучателя настроен на частоту, в два раза большую, чем излучаемая данным устройством. Серия импульсов заряжает конденсатор, который питает генератор 12 сигналов, приемная антенна 6 переключается в режим излучателя. Сигнал подается по частоте в 2 раза выше основного. Сигнал, принимаемый зарядной станцией, приводит к снижению скважности и увеличению мощности излучения, достаточной для зарядки мобильного устройства. По окончании зарядки приемная часть излучает сигнал, который вызывает снижение мощности излучения зарядной системы.The system of the emitter and receiver is in standby mode and in charging mode (figure 1). In standby mode, the generator 2 through the key system 3 of the device delivers rare pulses with a duty cycle of the order of 1000-5000 in the form of a series of high-frequency pulses with a frequency from 100 kHz to 5 MHz for 15-30 pulses in a series of times every 0.5-2 seconds, which leads to consumed power supply from mains 5 less than 1 W. During the intervals between pulses, the emitter switches to the receiving antenna mode, while the signal is received at the receiver amplifier. When a mobile device (6-14) is introduced into the operating system of the charging system of the mobile device with the receiver, the radiation enters the helical antenna 6 of the receiver, which generates a weak current, feeding the signal generator 12, which supplies a signal through the switching system 13 to the same receiving antenna 6, which emits a signal perceived by the antenna of the emitter 1 and the amplifier 4 of the charging station, and reduces the duty cycle to 4-10, which leads to charging the battery of the mobile device. The amplifier 4 of the emitter is tuned to a frequency two times higher than that emitted by this device. A series of pulses charges the capacitor, which feeds the signal generator 12, the receiving antenna 6 switches to the emitter mode. The signal is emitted at a frequency 2 times higher than the main one. The signal received by the charging station leads to a decrease in duty cycle and an increase in the radiation power sufficient to charge the mobile device. At the end of charging, the receiving part emits a signal that causes a decrease in the radiation power of the charging system.

При использовании двух и более потребителей при полной зарядке одного мобильного устройства снижается ширина импульсов по вершинам полуволн. При этом мощность потребления и энергия, необходимая для зарядки каждого потребителя, передаются в виде кодовых сигналов. В устройстве-источнике рассчитывается суммарная мощность и мощность, необходимая для излучения.When using two or more consumers with a full charge of one mobile device, the width of the pulses along the tops of half-waves decreases. At the same time, the power consumption and the energy required to charge each consumer are transmitted in the form of code signals. In the source device, the total power and power required for radiation are calculated.

В изолированном колебательном контуре, выполненном в виде катушки индуктивности и емкости, начинается колебание на собственной частоте резонанса. Время протекания колебаний в колебательном контуре до падения амплитуды колебаний превышает время подачи импульса от источника в 2-10 раз. Амплитуда излучаемых электромагнитных волн также убывает пропорционально квадрату расстояния, но источник 90% времени работы не посылает собственную энергию в контур. Основную часть времени зарядка электрической энергией на стороне приема осуществляется за счет собственных колебаний контура с большой индуктивностью на стороне генератора.In an isolated oscillatory circuit, made in the form of an inductor and capacitance, oscillation begins at the natural resonance frequency. The flow time of oscillations in the oscillatory circuit before the oscillation amplitude drops exceeds the pulse supply time from the source by 2-10 times. The amplitude of the emitted electromagnetic waves also decreases in proportion to the square of the distance, but the source of 90% of the operating time does not send its own energy to the circuit. Most of the time, charging with electric energy on the receiving side is due to the natural oscillations of the circuit with high inductance on the generator side.

Модуляция производится в диапазоне 10-30 Гц для нейтрализации угнетающего воздействия электромагнитных волн. При этом вносятся небольшие девиации и смена частот с периодичностью в 10-20 секунд. Возможно также модулировать частотами и для оказания стимулирующего воздействия на некоторые системы организма.Modulation is performed in the range of 10-30 Hz to neutralize the inhibitory effect of electromagnetic waves. At the same time, small deviations and frequency changes are introduced with a frequency of 10-20 seconds. It is also possible to modulate with frequencies and to provide a stimulating effect on some body systems.

В более сложном варианте используются две катушки Тесла, включенные синфазно и создающие встречное поле (фиг.3). Благодаря этому излучение концентрируется в плоскости определенной ширины, например в плоскости стола. Излучение за пределами плоскости убывает нелинейно, так что на расстоянии более 30 см излучение стремится к нулю. Ширина плоскости регулируется прецизионными отклонениями по фазе от 180 градусов подаваемых сигналов. Катушки при этом выполнены спиральными и плоскими.In a more complex version, two Tesla coils are used, connected in phase and creating a counter field (Fig. 3). Due to this, the radiation is concentrated in a plane of a certain width, for example, in the plane of a table. The radiation outside the plane decreases nonlinearly, so that at a distance of more than 30 cm the radiation tends to zero. The width of the plane is regulated by precision phase deviations from 180 degrees of the supplied signals. The coils are made spiral and flat.

Несколько катушек позволяют формировать смещаемую зону зарядки, перестраиваемую при изменении положения приемника на мобильном устройстве (фиг.4).Several coils allow you to form a biased charging zone, tunable when you change the position of the receiver on a mobile device (figure 4).

При использовании трех и более катушек со смещением фазы возможно формирование зоны интерференции с равномерной амплитудой сигнала в определенном радиусе и быстрым дальнейшим затуханием за счет вычитания волн. Три и более катушки со смещением по фазе подаваемого сигнала расположены центрами в вершинах правильного многоугольника. При формировании тороидальной зоны зарядки угол фазы сигналов на катушках определяется α=360/N, где N - количество катушек и вершин многоугольника. Это позволяет ограничивать зону зарядки и обеспечивать стабильность параметров заряда в ней. Для формирования выделенной зоны зарядки смещение по фазе распределяется α=360/N+β, где β=360/2N+k, k<=β. k~β для тех катушек, которые находятся по направлению к выделенной зоне зарядки, k>=0 для катушек на противоположной стороне от зоны зарядки.When using three or more coils with a phase shift, it is possible to form an interference zone with a uniform signal amplitude in a certain radius and fast further attenuation due to subtraction of the waves. Three or more coils with a phase shift of the supplied signal are located at the vertices of the regular polygon. When forming a toroidal charging zone, the phase angle of the signals on the coils is determined by α = 360 / N, where N is the number of coils and vertices of the polygon. This allows you to limit the charging zone and ensure the stability of the charge parameters in it. To form a dedicated charging zone, the phase shift is distributed α = 360 / N + β, where β = 360 / 2N + k, k <= β. k ~ β for those coils that are in the direction of the allocated charging zone, k> = 0 for the coils on the opposite side of the charging zone.

Смещение фазы формируется цифровым способом с использованием типовой схемы. Также возможно использования ВЧ трехфазных драйверов. На фиг.5 изображены варианты изготовления катушек со смещением фазы, выполненных тороидальными на одном намоточном корпусе.The phase offset is digitally generated using a typical circuit. It is also possible to use RF three-phase drivers. Figure 5 shows the manufacturing options for the coils with phase displacement, made toroidal on one winding casing.

Несколько катушек используются также в качестве принимающих антенн для определения местоположения мобильных устройств. При этом несколько катушек отправляют тестовый сигнал раз в 0.5-2 секунды. При внесении в зону работы зарядной станции мобильного устройства с приемником, как и в случае с одной катушкой, антенны излучателя принимают сигнал от приемной части. Те катушки, на которых сигнал будет максимальным, указывают направление на мобильное устройство.Several coils are also used as receiving antennas to determine the location of mobile devices. In this case, several coils send a test signal every 0.5-2 seconds. When a mobile device with a receiver is introduced into the operating station of the charging station, as in the case of a single coil, the radiator antennas receive a signal from the receiving part. Those coils on which the signal will be maximum indicate the direction to the mobile device.

При использовании двух, трех и более катушек с контролируемым смещением фазы появляется возможность формировать один и более лучей излучения определенной ширины. При подстройке смещения фазы катушек согласно сигналу приемной системы возможно формирование луча по направлению мобильного устройства.When using two, three or more coils with a controlled phase displacement, it becomes possible to form one or more radiation beams of a certain width. When adjusting the phase displacement of the coils according to the signal of the receiving system, beam formation in the direction of the mobile device is possible.

Передающую и приемные катушки также возможно намотать на ферромагнитный сердечник, работающий в диапазоне 500 кГц-100 МГц используя нанопермаллои, СВЧ-ферриты и пр. При этом сердечник выбирается из материалов с минимальной петлей гистерезиса.Transmitting and receiving coils can also be wound around a ferromagnetic core operating in the range of 500 kHz-100 MHz using nanopermalloys, microwave ferrites, etc. In this case, the core is selected from materials with a minimum hysteresis loop.

Система беспроводного зарядного устройства работает не в режиме постоянной генерации. При этом обеспечивается высокий уровень выходного сигнала за счет собственных колебаний индуктивной системы на стороне генератора.The wireless charger system is not in continuous generation mode. This ensures a high level of the output signal due to the natural oscillations of the inductive system on the generator side.

Силовая часть может работать с непосредственной обратной связью (ОС) либо с ОС генератора.The power unit can work with direct feedback (OS) or with the generator OS.

При непосредственной ОС (фиг.6) при подаче на транзистор Q1 напряжения, меньшего, чем нужно для полного открытия, он работает как ключ с большим сопротивлением (порядка десятков кОм), подавая ток на Т2, в результате чего обратная волна (Back EMF) с обмотки Т2 закрывает транзистор Q1. После этого обратная волна опять открывает транзистор. Таким образом, создается циклический режим.With a direct OS (Fig. 6), when voltage is applied to transistor Q1 that is less than necessary for full opening, it works like a key with high resistance (of the order of tens of kOhm), supplying current to T2, resulting in a backward wave (Back EMF) from the winding T2 closes the transistor Q1. After that, the backward wave opens the transistor again. Thus, a cyclic mode is created.

При этом частота рассчитывается как:The frequency is calculated as:

$\underset{\land \land \land \land}{ƒ 21} : = \frac{c}{L 22 \cdot 4}, (1)$

\underset{\land \land \land \land}{ƒ 21} : = \frac{c}{L 22 \cdot four}, (one)

где L22 - длина провода высоковольтной обмотки L2.where L22 is the length of the wire of the high-voltage winding L2.

Это будет максимум спектра для частоты первого основного резонанса (четверть волны) на базе катушки U_мин и в точке Н (вверху) U_макс. Для следующей моды (частоты) на базе катушки U_мин и U_макс появляется на 1/3 Н, потом следующий U_мин на 2/3 Н и, наконец, U_макс на самом верху (высота катушки 3/4 длины волны). Все происходит как для ряда Фурье:This will be the maximum of the spectrum for the frequency of the first main resonance (a quarter wave) at the base of the coil U _min and at point H (above) U _max . For the next mode (frequency) based on the coil, U _min and U _max appear at 1/3 N, then the next U _min at 2/3 N and, finally, U _max at the very top (coil height 3/4 wavelength). Everything happens as for the Fourier series:

$ƒ (x) = a_{0} + \sum_{n = 1}^{\infty} (a_{n} \cos \frac{n π x}{L} + b_{n} \sin \frac{n π x}{L}) . (2)$

ƒ (x) = a_{0} + \sum_{n = one}^{\infty} (a_{n} \cos \frac{n π x}{L} + b_{n} \sin \frac{n π x}{L}) . (2)

На следующем резонансном режиме узлы (минимумы) напряжения на базе 2/5 Н и 4/5 Н и соответственно U_макс появляются на 1/5 Н, 3/5 Н и на самом верху (высота является 5/4 длины волны). Чтобы четко увидеть узлы, надо быть на резонансных частотах (импеданс циклически изменяется по кругу диаграммы Смита и напряжение изменяется соответственно). Моды (частоты) будут нумероваться по количеству укладывающихся ¹/₄ волн на высоту:In the next resonant mode, the nodes (minimums) of the voltage based on 2/5 N and 4/5 N and, accordingly, U _max appear at 1/5 N, 3/5 N and at the very top (the height is 5/4 of the wavelength). To clearly see the nodes, one must be at resonant frequencies (the impedance changes cyclically around the Smith diagram and the voltage changes accordingly). Fashion (frequency) will be numbered according to the number of fitting into ^_1/4 the height of the waves:

$n = 4 H / λ_{G} . (3)$

n = four H / λ_{G} . (3)

Плоская спираль - случай резонатора с дисперсией частоты - скорость не является линейной функцией частоты и, следовательно, обертоны резонатора не являются целыми кратными фундаментальной. Для следующей гармоники узлы (минимумы) напряжения приходятся на базу 2/7 Н, 4/7 Н и 6/7 Н. А максимумы U_макс появляются на 1/7 Н, 3/7 Н, 5/7 Н и на верху. Для всех нечетных резонансных обертонов всегда на верху U_макс и U_мин на базе.A flat spiral - the case of a resonator with frequency dispersion - speed is not a linear function of frequency and, therefore, the resonator overtones are not integral multiples of the fundamental. For the next harmonic, the nodes (minima) of the voltage fall on the base 2/7 N, 4/7 N and 6/7 N. And the maxima U _max appear on 1/7 N, 3/7 N, 5/7 N and on the top. For all odd resonant overtones, always on top of U _max and U _min at base.

При этом для достижения наилучших условий стоячих волн, длина провода в L2 должна быть кратна четному или лучше квадратичному значению длины провода первичной катушки L1. Обычно здесь используются в 2, 4, 8 раз длиннее. Кроме того, в данной схеме используется схема «матрешки».Moreover, in order to achieve the best conditions of standing waves, the wire length in L2 must be a multiple of an even or better quadratic value of the wire length of the primary coil L1. Usually used here 2, 4, 8 times longer. In addition, the scheme uses the scheme "matryoshka".

При этом для разных цилиндров необходимо использовать соотношения длин волн так, чтобы во всех цилиндрах была либо равная длина провода, либо меньше в 2 или 4 раза, тогда в обмотках не будет противофазных волн.In this case, for different cylinders it is necessary to use the ratio of wavelengths so that in all cylinders there is either an equal wire length, or 2 or 4 times less, then there will be no antiphase waves in the windings.

Поскольку диаметры концентрических обмоток матрешки разные, то для того, чтобы выполнялись условия равной длины, можно наматывать обмотки разной толщиной провода, соответственно наружные более толстым, внутренние - тонким.Since the diameters of the concentric windings of the nesting dolls are different, in order to satisfy the conditions of equal length, it is possible to wind the windings with different wire thicknesses, respectively, the outer ones are thicker, the inner ones are thin.

ОС с генератора используется либо от наводимого поля, либо от отводов вторичной катушки, которая далее попадает в цепи фазовой автоподстройки частоты генератора, который корректирует частоту при изменении параметров контура или линии. Таким образом, поддерживается резонансный режим вне зависимости от внешних условий. Пример схемы генератора с ФАПЧ на микросхеме CD4046 представлен на фиг.7OS from the generator is used either from the induced field or from the taps of the secondary coil, which then falls into the phase-locked loop of the generator frequency, which adjusts the frequency when changing the parameters of the circuit or line. Thus, the resonant mode is maintained regardless of external conditions. An example of a PLL generator circuit on a CD4046 chip is shown in FIG. 7

Задающий генератор с ФАПЧ - PLL драйвер на микросхеме CD4046. В задающем генераторе была применена стандартная схема включения синтезатора частоты CD4046 для использования режима работы с обратной связью и микросхема IR2104, формирующая импульсы с фиксированным dead-time - паузы между управляющими импульсами длительностью 120ns, необходимой для корректной работы схем. Выводы low и high out далее идут на силовые каскады по типу полно- и полумостовой схемы на основе быстродействующих полевых или биполярных транзисторов с временем релаксации менее 300 нс.PLL driver - PLL driver on CD4046 chip. In the master oscillator, the standard CD4046 frequency synthesizer switching circuit was used to use the feedback operation mode and the IR2104 microcircuit, which generates pulses with a fixed dead-time - pauses between control pulses with a duration of 120ns, necessary for the correct operation of the circuits. The low and high out conclusions are further drawn to power cascades as a full- and half-bridge circuit based on high-speed field-effect or bipolar transistors with a relaxation time of less than 300 ns.

Также в силовой части применяется рекуперационная защита, она возвращает энергию самоиндукции в питающую цепь, а не рассеивает ее, т.е. практически не ухудшает КПД преобразователя.Also, in the power unit, regenerative protection is used, it returns the self-induction energy to the supply circuit, but does not dissipate it, i.e. practically does not worsen the efficiency of the converter.

На фиг.4 показана схема защиты. Параллельно силовой обмотке преобразователя через диод подключается рекуперационный трансформатор. Диод подключен таким образом, чтобы через него шел ток самоиндукции. Вторичная обмотка этого трансформатора через второй диод подключается к питающей цепи.4 shows a protection circuit. In parallel with the power winding of the converter, a recovery transformer is connected through a diode. The diode is connected in such a way that a self-induction current flows through it. The secondary winding of this transformer through a second diode is connected to the supply circuit.

Как только напряжение самоиндукции станет больше питающего напряжения, этот диод откроется и "излишек" тока уйдет в конденсатор питания.As soon as the self-induction voltage becomes more than the supply voltage, this diode will open and the "excess" current will go to the power capacitor.

Рекуперационный трансформатор должен иметь индуктивность обмоток 10…100 мкГ. Наматывается в ферритовой "чашке" из сильноточного феррита. В чашку в два провода укладываются обмотки, ориентировочно около 40..60 витков провода. Толщина провода и рабочие токи диодов выбираются исходя из их равенства рабочим токам силовой обмотки преобразователя.The recovery transformer must have a winding inductance of 10 ... 100 μG. It is wound in a ferrite "cup" of high-current ferrite. Windings are laid in a cup in two wires, approximately 40..60 turns of wire. The thickness of the wire and the operating currents of the diodes are selected based on their equality to the working currents of the power winding of the converter.

Claims

1. Беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии, содержащая зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи, отличающаяся тем, что катушка излучателя выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, при этом приемник состоит из колебательного контура, включающего в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор, через управляемый выпрямитель последовательно соединенный с накопительным конденсатором, с широтно-импульсным модулятором и контроллером, который соединен с генератором импульсов и аккумулятором.1. A wireless charging system for low-power consumers of electric energy, comprising a charging station with a radiator and a receiver of a consumer of electric energy, made with coils operating using feedback, characterized in that the radiator coil is made with two windings, the wire length of which is a multiple of λ / 4 , where λ is the wavelength used, while the receiver consists of an oscillatory circuit, including a parallel connected spiral flat coil with a wire length that is a multiple of λ / 4 or λ / 2, and n an adjustment capacitor, through a controlled rectifier, connected in series with a storage capacitor, with a pulse-width modulator and a controller, which is connected to a pulse generator and a battery.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что длина первичной обмотки катушки излучателя равна λ/4, а вторичной обмотки - λ.2. The system according to claim 1, characterized in that the length of the primary winding of the emitter coil is λ / 4, and the secondary winding is λ.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что зарядная станция выполнена с усилителем, принимающим сигнал, приходящий на антенну зарядной станции от антенны приемника.3. The system according to claim 1, characterized in that the charging station is made with an amplifier that receives a signal coming to the antenna of the charging station from the antenna of the receiver.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что используется диапазон излучения от 100 кГц до 40 МГц.4. The system according to claim 1, characterized in that the radiation range from 100 kHz to 40 MHz is used.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляемый выпрямитель выполнен в виде ВЧ-динистора с заданным пороговым напряжением.5. The system according to claim 1, characterized in that the controlled rectifier is made in the form of an RF dynistor with a given threshold voltage.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что резонансная частота излучателя модулируется низкой частотой от 10 до 30 Гц для оказания стимулирующего воздействия на человеческий организм и предотвращения негативного воздействия.6. The system according to claim 1, characterized in that the resonant frequency of the emitter is modulated by a low frequency from 10 to 30 Hz to provide a stimulating effect on the human body and prevent negative effects.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что резонансная частота излучателя модулируется низкой частотой от 0 до 10 Гц для оказания бактерицидного воздействия на пищу и напитки, находящиеся на столе.7. The system according to claim 1, characterized in that the resonant frequency of the emitter is modulated by a low frequency from 0 to 10 Hz to provide bactericidal effects on food and drinks on the table.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что при использовании двух и более потребителей мощность потребления и энергия, необходимая для зарядки каждого потребителя, передаются в виде кодовых сигналов.8. The system according to claim 1, characterized in that when using two or more consumers, the power consumption and the energy required to charge each consumer are transmitted in the form of code signals.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что зарядная станция выполнена с двумя излучателями, включенными противофазно и создающими встречные магнитные поля.9. The system according to claim 1, characterized in that the charging station is made with two emitters included in antiphase and creating counter magnetic fields.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что зарядная станция выполнена с тремя и более катушками со смещением по фазе подаваемого сигнала, расположенными центрами в вершинах правильного многоугольника.10. The system according to claim 1, characterized in that the charging station is made with three or more coils with a phase shift of the supplied signal, located at the centers at the vertices of the regular polygon.

11. Система по п.1 отличающаяся тем, что первичная обмотка выполнена из многожильного провода с диаметром жилы менее 0.5 мм с общим сечением более 2 мм²,11. The system according to claim 1, characterized in that the primary winding is made of stranded wire with a core diameter of less than 0.5 mm with a total cross section of more than 2 mm ² ,

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что передающая и приемные катушки намотаны на ферромагнитный сердечник с минимальной петлей гистерезиса, работающий в диапазоне 500 кГц-100 МГц.12. The system according to claim 1, characterized in that the transmitting and receiving coils are wound on a ferromagnetic core with a minimum hysteresis loop, operating in the range of 500 kHz-100 MHz.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что излучатель выполнен подвижным с автоматическим направлением на приемник.13. The system according to claim 1, characterized in that the emitter is made movable with automatic direction to the receiver.

14. Система по п.1, отличающаяся тем, что приемная антенна, конденсаторы, схема управления, выпрямители выполнены с толщиной менее 3 мм и собраны в виде плоской наклейки, прикрепляющейся на аккумулятор мобильного устройства и к контактам аккумулятора.14. The system according to claim 1, characterized in that the receiving antenna, capacitors, control circuit, rectifiers are made with a thickness of less than 3 mm and are assembled in the form of a flat sticker attached to the battery of the mobile device and to the contacts of the battery.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что излучатель выполнен в форме настольной лампы, при этом свет от лампы очерчивает с точностью 7-10 см зону зарядки.15. The system according to claim 1, characterized in that the emitter is made in the form of a table lamp, while the light from the lamp outlines the charging zone with an accuracy of 7-10 cm.

16. Система по п.2, отличающаяся тем, что излучатель выполнен с плоской антенной и плоскими электронными компонентами. 16. The system according to claim 2, characterized in that the emitter is made with a flat antenna and flat electronic components.