Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными

Полезная модель относится к области электро- и радиотехники и предназначена для беспроводной зарядки различных устройств и одновременного обмена данными между заряжаемыми устройствами и заряжающим. Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными, содержащая передающий зарядный модуль, включающий в себя блок управления, соединенный с цифровым приемо-передатчиком, работающий в диапазоне частот 0.8-6 ГГц, усилителем и высокочастотным генератором, работающим в диапазоне частот 0.1-100 МГц, соединенного с усилителем, соединенного через согласующую цепь с резонатором, соединенный с другой стороны через согласующую цепь с цифровым приемопередатчиком и содержащий приемный зарядный модуль, включающий в себя резонатор, соединенный с одной стороны через согласующую цепь с цифровым приемопередатчиком, а с другой стороны через согласующую цепь с выпрямителем, соединенного с контроллером заряда-разряда, соединенного с блоком контроля, соединенного с цифровым приемо-передатчиком и выпрямителем. К выходам резонаторов, соединенным через согласующую цепь с цифровым приемо-передатчиком, параллельно подключена катушка индуктивности, а к выходам резонаторов, соединенным через согласующую цепь с усилителем или выпрямителем, подключен конденсатор. Резонаторы выполнены в виде плоских проводников в форме спирали, нанесенных на диэлектрическую подложку. 1 н.п. ф-лы, 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Область техники

Полезная модель относится к области электро- и радиотехники, и предназначена для беспроводной зарядки различных устройств и одновременного обмена данными между заряжаемыми устройствами и заряжающим. 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 беспроводной передачи энергии и/или данных между устройством-источником и по меньшей мере одним целевым устройством (патент RU 2419945, H02J 17/00; H01F 38/14 дата публикации 27.05.2011 г.) В указанной заявке авторы предлагают осуществлять беспроводную передачу энергии и/или данных с помощью, по меньшей мере, одной, расположенной на стороне устройства-источника первичной катушки (18), по меньшей мере, одной, расположенной на стороне целевого устройства вторичной катушки и, по меньшей мере, одного резонансного контура. Резонансный контур электрически изолирован от первичной и вторичной цепей токов.

Недостатком данной конструкции является невозможность одновременной передачи энергии и данных с помощью двух катушек и, по меньшей мере, одного резонансного контура.

Еще одним недостатком данной конструкции является то, что в системе необходимо, кроме первичной и вторичной катушек, использовать, по меньшей мере, один резонансный контур, что увеличивает габариты устройства.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является беспроводная зарядная система с обратной связью (патент RU 2306654 C1, H02J 17/00, Н04В 1/38, дата публикации 20.09.2007 г.), содержащая на питающей стороне высокочастотный генератор, вход которого соединен с управляющим выходом контроллера, а выход - с первым входом модулятора, выход которого соединен с антенной и входом декодера, выход которого через усилитель соединен со входом контроллера, информационный выход которого соединен со вторым входом модулятора, а на стороне зарядного блока имеет антенну, соединенную с выходом модулятора и входами декодера и инвертора, выходы которых соединены соответственно с информационным и энергетическим входами контроллера заряда-разряда, который соединен с блоком аккумуляторов и/или блоком ионисторов, при этом информационный и управляющий выходы контроллера заряда-разряда соединены соответственно с первым входом модулятора и входом генератора, выход которого соединен со вторым входом модулятора, а инвертор содержит последовательно соединенные выпрямитель и умножитель напряжения.

Недостатком данной системы является то, что передача энергии и информации осуществляется на одной частоте и требует дополнительных блоков разделения трактов приема и передачи, из-за чего невозможно одновременно выполнять беспроводную зарядку и передачу данных.

Еще одним недостатком системы является малая эффективность системы передачи энергии из-за использования нерезонансной магнитостатической индукции.

Раскрытие полезной модели

Задачей, решаемой полезной моделью, является осуществление одновременной беспроводной передачи энергии и обмена данными посредством системы, содержащей по одному резонатору на приемной и передающей стороне, при этом работающей на двух частотах, обладающей малыми размерами и высокой эффективностью для передачи энергии и передачи данных.

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 с усилителем, выход которого соединен через согласующую цепь с резонатором, соединенный через другую согласующую цепь с цифровым приемо-передатчиком и содержащий приемный зарядный модуль, включающий в себя резонатор, соединенный с одной стороны с через согласующую цепь с цифровым приемо-передатчиком, а с другой стороны через согласующую цепь с выпрямителем, выход которого соединен с контроллером заряда-разряда. Но, в отличие от известного, к выходам резонаторов, соединенным через согласующую цепь с цифровым приемо-передатчиком, параллельно подключена катушка индуктивности, а к выходам резонаторов, соединенным через согласующую цепь с усилителем или выпрямителем, подключен конденсатор.

Технический результат заключается в осуществлении одновременной беспроводной передачи энергии и обмена данными посредством системы, содержащей по одному резонатору на приемной и передающей сторонах, при этом работающей на двух частотах, обладающей малыми размерами и высокой эффективностью передачи энергии и передачи данных.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Структурная схема системы, осуществляющей одновременно беспроводную передачу энергии и информации.

Фиг. 2. Конструкция резонатора, работающего в двух частотных диапазонах (0.1-100 МГц для передачи энергии и 0.8-6 ГГц для передачи данных).

Осуществление полезной модели

Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременной передачи данных (Фиг. 1) содержит в передающем зарядном модуле 1 генератор 2, усилитель 3, согласующую цепь (балансный трансформатор) 4, резонатор 5, цепь согласования 6, цифровой приемо-передающий модуль 7, блок управления 8, а в приемном зарядном модуле 9 - резонатор 10, согласующую цепь 11, выпрямитель 12, контроллер заряда-разряда 13, согласующую цепь 14, цифровой приемо-передающий модуль 15, блок контроля 16 и аккумулятор 17.

Резонаторы 5 и 10, представляют собой планарную структуру (Фиг. 2), состоящую из проводящей рамки 18, выполненной в виде плоского проводника, расположенного на диэлектрической подложке 19, имеющую два входа (выхода) «Канал 1» и «Канал 2», конденсатор 20 и катушка индуктивности 21, которые подключаются параллельно соответствующим входам. Проводящая рамка 18, выполненная в виде плоского проводника, может иметь круглую форму, форму спирали или многоугольника с произвольным числом сторон одинаковой или различной длины.

Конденсатор 20 и катушка индуктивности 21 могут быть выполнены как элементы навесного монтажа, либо как элементы с распределенными параметрами, реализуемые по планарной технологии. Номиналы катушки индуктивности 21 и конденсатора 20 выбираются таким образом, что катушка индуктивности 21 в нижнем рабочем диапазоне (0.1-100 МГц) эквивалентна короткому замыканию, а конденсатор 20 - холостому ходу, а в верхнем рабочем диапазоне (0.8-6 ГГц) катушка индуктивности 21 эквивалента холостому ходу, а конденсатор 20 - короткому замыканию.

Передающий зарядный модуль может быть подсоединен к родительскому устройству (например, компьютеру) и обмениваться с ним данными. Приемный зарядный модуль может обмениваться данными с мобильным устройством. Кроме того, передающий зарядный модуль может бесконтактно обмениваться данными с приемным зарядным модулем и обеспечивать беспроводной обмен данными между родительским и мобильным устройствами.

Работа устройства

Работа устройства происходит следующим образом. После подачи питания на передающий зарядный модуль 1 включается цифровой приемо-передатчик 7, который вырабатывает сигналы запроса с несущей частотой от 0.8 ГГц до 6 ГГц, которые через цепь согласования 6 поступают на резонатор 5 и излучаются в окружающее пространство. При появлении приемного зарядного модуля 9 в зоне досягаемости сигнала передающего зарядного модуля 1 на резонаторе 10 наводится переменная ЭДС сигнала запроса, который поступает через согласующую цепь 14 на цифровой приемо-передатчик 15, который вырабатывает сигнал ответа, проходящий обратным путем, и излучается обратно в окружающее пространство. Сигнал ответа принимает резонатор 5 и через цепь согласования 6 попадает в цифровой приемо-передатчик 7, где декодируется. Декодированный сигнал поступает на блок управления 8, который включает генератор 2 и усилитель 3.

Включенный генератор 2 вырабатывает гармонический сигнал частотой от 0.1 до 100 МГц, который поступает на усилитель 3. Усиленный сигнал проходит через цепь согласования 4, которая выполняет преобразование небалансного выхода усилителя 3 к балансному входу резонатора 5 и их согласование. Резонатор 5 излучает гармонический сигнал в окружающее пространство. Излученный сигнал принимает резонатор 10 и через цепь согласования 11 поступает на выпрямитель 12, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Выпрямленное напряжение поступает на контроллер заряда-разряда 13, который заряжает аккумулятор 17.

Напряжение, прямо пропорциональное значению выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя 12, поступает на блок контроля 16, который вырабатывает соответствующий сигнал данных и передает их цифровому приемо-передатчику 15, который вырабатывает соответствующий информационный сигнал, впоследствии излучаемый резонатором 10. После приема информационного сигнала резонатором 5 он поступает на цифровой приемо-передатчик 7, который преобразует информацию об уровне принятого сигнала приемным зарядным модулем 9 и передает блоку управления 8, который сравнивает его с уровнем сигнала, необходимым контроллеру заряда-разряда 13, переданного тем же способом, и изменяет уровень мощности на выходе усилителя 3 так, чтобы достичь необходимый уровень на входе контроллера заряда-разряда 13.

Команда о прекращении заряда аккумулятора вырабатывается контроллером заряда-разряда 13 и поступает на блок контроля 16, и дальше аналогично сигналу об уровне выпрямленного напряжения передается на передающее зарядное устройство 1 в блок управления 8, который выключает генератор 2 и усилитель 3.

Контроллер заряда-разряда 13 является стандартным элементом, применяемым в современных мобильных устройствах. Он служит для оптимизации режима заряда-разряда аккумуляторов. Цифровые приемо-передающие модули 7 и 15 являются стандартными элементами системы беспроводного обмена данными. Каналы передачи данных могут использовать временное, частотное, частотно-временное и кодовое разделение в зависимости от типа цифрового приемо-передающего модуля.

Использование блоков управления 8 и контроля 16 позволяет увеличить эффективность системы за счет отключения мощных устройств передающего модуля 1 (генератора 2 и усилителя 3) в режиме ожидания или после окончания заряда аккумулятора 17, а также за счет управления мощностью усилителя 3 для достижения оптимального уровня заряда аккумулятора 17.

Беспроводная передача энергии с дополнительным каналом одновременного обмена данными, в которой каждый из резонаторов 5 и 10 представляет собой проводящую рамку 18, имеющую два входа, конденсатор 20 и катушку индуктивности 21, которые подключаются параллельно входам канала передачи энергии и информации соответственно, используется для одновременной передачи и/или приема энергии и информации. Причем передача энергии с передающего зарядного модуля 1 и прием ее приемным зарядным модулем 9 осуществляется на достаточно низких частотах (0.1-100 МГц), поскольку излучение низкой частоты безопасно для биологических объектов. Передача и прием информации могут осуществляться в обе стороны, как передающим зарядным модулем 1, так и приемным зарядным модулем 9, и производится на достаточно высоких частотах (0.8-6 ГГц), что позволяет обмениваться данными с высокой скоростью. За счет большой разницы между частотами, используемыми для каналов передачи энергии и информации, оба резонатора 5 и 10 получаются электрически развязанными при использовании катушки индуктивности 21 и конденсатора 20, подключаемых параллельно соответствующим входам.

Таким образом, достигается технический результат.

1. Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными, содержащая передающий зарядный модуль, включающий в себя высокочастотный генератор, выход которого соединен с усилителем, выход которого соединен через согласующую цепь с резонатором, соединенный с другой стороны через согласующую цепь с цифровым приемопередатчиком и содержащий приемный зарядный модуль, включающий в себя резонатор, соединенный с одной стороны через согласующую цепь с цифровым приемопередатчиком, а с другой стороны - через согласующую цепь с выпрямителем, выход которого соединен с контроллером заряда-разряда, отличающаяся тем, что к выходам резонаторов, соединенным через согласующую цепь с цифровым приемопередатчиком, параллельно подключена катушка индуктивности, а к выходам резонаторов, соединенным через согласующую цепь с усилителем или выпрямителем, подключен конденсатор.

2. Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными по п. 1, отличающаяся тем, что передающий зарядный модуль включает в себя блок управления, соединенный с цифровым приемопередатчиком, генератором и усилителем.

3. Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными по п. 1, отличающаяся тем, что приемный зарядный модуль содержит блок контроля, соединенный с цифровым приемопередатчиком, выпрямителем и контроллером заряда-разряда.

4. Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными по п. 1, отличающаяся тем, что резонаторы выполнены в виде плоских проводников в форме спирали, нанесенных на диэлектрическую подложку.

5. Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными по п. 1, отличающаяся тем, что высокочастотный генератор работает в диапазоне частот 0.1-100 МГц для передачи энергии, а цифровой приемопередатчик работает в диапазоне частот 0.8-6 ГГц для передачи данных.

РИСУНКИ