BRPI1009631B1

BRPI1009631B1 - método para detectar um receptor através de um transmissor, e transmissor para detectar um receptor

Info

Publication number: BRPI1009631B1
Application number: BRPI1009631-0A
Authority: BR
Inventors: Van Wageningen Andries; Michiel De Boer Bart; Loef Christoph; Waffenschmidt Eberhard; Yseboodt Lennart; Anne Treffers Menno
Original assignee: Koninl Philips Electronics Nv; Koninklijke Philips Nv
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2019-10-29
Also published as: US11050304B2; EP2436096A2; US20190214857A1; US10312750B2; KR101733403B1; CN102449874A; KR20120030444A; WO2010136927A2; EP2436096B1; US20120068550A1; WO2010136927A3; CN102449874B; RU2011152904A; BRPI1009631A2; RU2530539C2

Abstract

método para detectar um receptor através de um transmissor, e transmissor para detectar um receptor são providos um método para detectar um receptor (214) por um transmissor e um transmissor para detectar um receptor. o transmissor se destina a transmitir energia por indução para o receptor (214). o transmissor compreende uma primeira bobina de transmissão como um primeiro eletrodo (204) e um segundo eletrodo (206). o primeiro eletrodo (204) e o segundo eletrodo (206) formam um capacitor (202). o método compreende as etapas de aplicação de uma tensão (216) a qualquer um dos eletrodos (204, 206) e de detecção de uma variação da capacitância do capacitor (202).

Description

Para carregar as baterias de dispositivos alimentados por bateria, tais como telefones celulares, assistentes pessoais digitais (PDAs), controles remotos, notebooks etc., ou dispositivos alimentados diretamente, como lâmpadas ou aparelhos de cozinha, um sistema de energia indutiva que permite uma transferência de energia sem fio pode ser aplicado. Sistemas de energia indutiva para a transferência de energia ou carregamento de dispositivos móveis são, por exemplo, conhecidos em WO 2008/050260. Um sistema deste tipo, em geral, compreende um dispositivo de transmissão de energia, doravante denominado transmissor, compreendendo uma pluralidade de bobinas transmissoras que podem ser individualmente ser energizadas, gerando assim um campo magnético alternado. O sistema de energia indutiva compreende ainda um dispositivo de recepção de energia que compreende uma energia que requer carga. A fim de receber energia, o dispositivo de recepção de energia é provido com uma bobina receptora, na qual o campo magnético alternado, provido pelas bobinas transmissoras energizadas, induz uma corrente. Esta corrente pode conduzir a carga do dispositivo de recepção, por exemplo, carregar uma bateria ou acender uma lâmpada. Doravante um dispositivo de recepção de energia é dito como um receptor que compreende uma bobina receptora e uma carga.

É muito importante permitir uma energia em modo de espera baixa, de preferência zero (virtual). Por exemplo,

Petição 870190029147, de 27/03/2019, pág. 5/12

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quando não há dispositivo no transmissor de energia sem fio, a dissipação de energia deve ser quase zero.

O pedido de patente dos EUA US2008/0157909 provê um sistema para detectar o acoplamento entre uma bobina transmissora do dispositivo transmissor de energia e uma bobina reçeptora do dispositivo de recepção de energia. Durante a energização da bobina transmissora, um sensor de corrente monitora a corrente através da bobina transmissora para decidir se a bobina receptora do dispositivo de recepção de energia será acoplada a bobina transmissora. O sistema exige a energização da bobina transmissora regularmente e resulta em consumo de energia excessivo pelo dispositivo transmissor de energia, especialmente quando nenhum dispositivo de recepção de energia está presente.

Se o sistema do dito pedido de patente dos EUA for utilizado no dispositivo transmissor de energia, o qual compreende uma pluralidade de bobinas transmissoras, cada uma das bobinas transmissoras tem de ser energizada regularmente, levando a um aumento adicional do uso de energia. Adicionalmente, a energização regular da bobina transmissora introduz em ocasioes regulares um campo eletromagnético que pode causar, por exemplo, interferência eletromagnética, ou pode apagar informações em uma faixa magnética, por exemplo, de um cartão bancário, quando o cartão do banco é acidentalmente deixado sobre o dispositivo transmissor de energia.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Seria vantajoso prover um método e um transmissor com baixo consumo de energia no modo de espera.

Um primeiro aspecto da invenção provê um método para detectar um receptor através de um transmissor, como reivindicado na reivindicação 1. Um segundo aspecto da invenção provê um transmissor para detectar um receptor, como

3/40 reivindicado na reivindicação 8. Um terceiro aspecto da invenção provê um método para detectar um receptor através de um transmissor, como reivindicado na reivindicação 12. Um quarto aspecto da invenção provê um transmissor para detectar 5 um receptor, como reivindicado na reivindicação 13.

Realizações vantajosas são definidas nas reivindicações dependentes.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um método para detectar um receptor através de um 10 transmissor. O transmissor se destina a transmitir energia por indução para o receptor. O transmissor compreende uma primeira bobina de transmissão como um primeiro eletrodo e compreende um segundo eletrodo. O primeiro eletrodo e o segundo eletrodo formam um capacitor. O método compreende uma 15 etapa de aplicação de uma tensão a qualquer um dos eletrodos, e compreende uma etapa de detecção de uma variaçao da capacitância do capacitor.

A presente invenção propõe um método e um dispositivo para detectar se o receptor está colocado sobre a 20 superfície do transmissor através de detecção capacitiva, que é rápida e não interfere com a transferência de energia indutiva. Assim, a detecção de dispositivos em uma base de carga sem fio não sofre interferência por outro dispositivo já sendo carregado na mesma base. Ademais, o método de 25 detecção proposto trabalha com pouca (ou praticamente nenhuma) dissipação de energia.

O método é baseado no fato de que um dispositivo que é colocado sobre uma superfície do transmissor irá alterar a capacitância entre dois eletrodos localizados 30 abaixo da superfície do transmissor, ou entre um eletrodo e o aterramento, ou entre um eletrodo e o receptor. A colocação de tais dispositivos na superfície do transmissor altera as capacitâncias dos capacitores que existem entre os diferentes eletrodos. Isso resulta da alteração induzida na constante dielétrica do espaço entre os dois eletrodos, ou na distancia dielétrica entre os dois eletrodos, ou uma combinação de uma alteração na distância dielétrica e constante dielétrica. No 5 contexto da invenção, este método é também denominado método de detecção capacitiva.

A detecção de uma variação da capacitância pode ser feita de modo relativamente eficiente em relação à energia, em comparação com a detecção indutiva. Enquanto a 10 capacitância não varia e quando uma tensão CC é usada, nenhuma corrente flui a partir e para o capacitor - somente quando a capacitância varia uma pequena quantidade de corrente flui a partir ou para o capacitor. Além disso, se uma tensão AC for aplicada ao capacitor e a tensão AC puder 15 ser adequadamente dimensionada, uma quantidade relativamente pequena de corrente flui através do capacitor. Assim, a corrente através do capacitor pode ser relativamente pequena ou consideravelmente igual a zero e, portanto, o consumo de energia do método de detecção capacitiva é relativamente 20 baixo, A detecção pode ser realizada de forma eficiente em relação à energia, por exemplo, por meio de um circuito integrado de baixo consumo de energia. Assim, o método de detecção de um receptor é relativamente eficiente em relação à energia.

Adicionalmente, a detecção capacitiva não requer a operação indutiva das bobinas de transmissão e, assim, nenhum campo eletromagnético é gerado e nenhuma interferência eletromagnética é criada.

Ainda adicionalmente, o uso da primeira bobina de 30 transmissão como um dos eletrodos reduz o numero de componentes que são necessários para construir um transmissor que usa a detecção capacitiva para detectar um receptor. Em vez de introduzir um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo

5/40 . 25 adicionais, o método da invenção requer apenas a introdução de um segundo eletrodo, e, portanto, o transmissor tem um projeto menos complicado e economiza custos.

Em uma realização, o transmissor compreende ainda uma segunda bobina de transmissão, que atua como o segundo eletrodo. Isto é, duas bobinas de transmissão vizinhas podem ser usadas como dois eletrodos de um capacitor. A detecção da presença e a localização de uma bobina receptora podem ser feitas por meio da medição da variação da capacitância do capacitor formado por duas bobinas de transmissão.

Uma primeira bobina de transmissão funciona como um primeiro eletrodo capacitor, que é conectado a um primeiro terminal. Isto é, duas bobinas de transmissão vizinhas funcionam como um segundo eletrodo capacitor, que é conectado a um segundo terminal. Outra bobina próxima funciona, por exemplo, como um terceiro eletrodo capacitor, que é conectado a um terceiro terminal. A localização da bobina receptora com relação à localização das bobinas transmissoras determina a capacitância entre o primeiro e o segundo terminal, ou, por exemplo, entre o primeiro e o terceiro terminal.

Em outras palavras, o transmissor pode ter mais de uma bobina de transmissão. Cada par de bobinas de transmissão do transmissor pode formar um capacitor. Usando uma primeira bobina de transmissão como o primeiro eletrodo e a segunda bobina de transmissão como o segundo eletrodo, um uso eficiente dos componentes do transmissor é realizado. Nenhum eletrodo adicional tem de ser introduzido na superfície do transmissor, o que impede possíveis interações entre bobinas de transmissão do transmissor e os eletrodos adicionais.

Se um receptor é colocado em cima da primeira bobina de transmissão, em cima da segunda bobina de transmissão, ou parcialmente sobre a primeira bobina de transmissão e/ou parcialmente sobre a segunda bobina de

6/40 transmissão, a capacitância do capacitor formado pelas duas bobinas de transmissão se altera, o que é detectado pelos circuitos de detecção. Assim, a detecção revela que um receptor está colocado sobre ou perto da primeira bobina de 5 transmissão, e/ou sobre ou perto da segunda bobina de transmissão. Esse conhecimento pode iniciar um processo adicional de identificação do receptor pelo transmissor, ou a transferência de energia para o receptor pode ser iniciada pela primeira bobina de transmissão e/ou pela segunda bobina 10 de transmissão.

Se o transmissor tem uma pluralidade de bobinas de transmissão e se entre cada par de bobinas de transmissão vizinhas a capacitância é monitorada para detectar alterações na capacitância, uma estimativa razoavelmente precisa da 15 localização do receptor com relação à posição das bobinas de transmissão pode ser obtida. A posição detectada pode ser usada para ativar um processo adicional de identificação do receptor ou para iniciar a transferência de energia para o receptor por uma bobina de transmissão que está perto ou o 20 mais próxima da posição detectada do receptor.

Como exemplo desta realização, os circuitos de detecção são conectados à segunda bobina, e uma tensão é aplicada às primeiras bobinas de transmissão, os ditos circuitos de detecção sendo utilizados para monitorar a 25 variação da capacitância entre o capacitor formado pela primeira bobina e pela segunda bobina.

Em outra realização, o segundo eletrodo da capacitância está posicionado no centro da primeira bobina de transmissão.

3Q a realização propõe localizar um receptor usando a detecção capacitiva. O método quase não envolverá consumo de energia, é rápido e nao interfere com a transferencia de energia indutiva. O capacitor de detecção é constatado entre

Ί/40 uma bobina primária como primeiro eletrodo e um segundo eletrodo que está posicionado no centro da bobina primária. A detecção de um receptor, portanto, corresponde diretamente à posição da bobina transmissora de energia e requer um 5 algoritmo de localização de menor complexidade.

Em outras palavras, a provisão de um eletrodo no centro da primeira bobina de transmissão permite uma detecção mais precisa da posição do receptor com relação à posição da primeira bobina de transmissão. Especialmente, o transmissor 10 é capaz de distinguir com mais precisão entre uma situação em que o receptor está exatamente posicionado em cima da primeira bobina de transmissão e outra situação em que o receptor cobre parcialmente a primeira bobina de transmissão. Se o receptor está posicionado exatamente em cima da primeira 15 bobina de transmissão, a variação da capacitância será maior do que nos casos em que o receptor está parcialmente posicionado em cima da primeira bobina de transmissão.

Adicionalmente, se o transmissor compreende uma pluralidade de bobinas de transmissão, cada bobina de 20 transmissão sendo provida com um eletrodo no centro da bobina de transmissão, cada uma das bobinas de transmissão forma um capacitor com seu eletrodo central. Se um receptor é colocado sobre a superfície do transmissor, um dos capacitores mostra a maior variação de sua capacitancia. O dito capacitor é o 25 capacitor formado pela bobina de transmissão e seu eletrodo central correspondente que está mais próximo do receptor. Assim, é relativamente simples decidir qual bobina transmissora está mais próxima do receptor.

O segundo eletrodo pode ter vários formatos incluindo uma placa metálica retangular, oval, redonda, possivelmente com fendas para reduzir correntes de Foucault, uma bobina, um conjunto de condutores conectados entre si de um lado, etc. O segundo eletrodo pode estar posicionado

8/40 exatamente no centro da primeira bobina de transmissão, entretanto, para formar um capacitor entre a primeira bobina de transmissão e o segundo eletrodo, o segundo eletrodo também pode estar posicionado fora do centro. É necessário apenas que o segundo eletrodo esteja posicionado dentro da primeira bobina de transmissão.

Como exemplo desta realização, os circuitos de detecção são conectados a qualquer um dos eletrodos do capacitor, e uma tensão é aplicada as primeira bobinas de transmissão, os circuitos de detecção detectando a variação da capacitância entre o capacitor formado pela primeira bobina de transmissão e os segundos eletrodos no centro da primeira bobina de transmissão.

Um transmissor de energia sem fio para a detecção de um dispositivo receptor, o dito transmissor compreendendo uma primeira bobina de transmissão como o primeiro eletrodo de um capacitor e um segundo eletrodo do capacitor posicionado no centro da primeira bobina de transmissão, o transmissor compreendendo ainda os circuitos de detecção conectado a qualquer um dos eletrodos do capacitor, o dito transmissor compreendendo:

- uma primeira unidade para a aplicação de uma tensão às primeiras bobinas de transmissão,

- circuitos de detecção para detectar a variação da capacitância de um capacitor formado pelo primeiro e pelo segundo eletrodo.

Em uma realização, um enrolamento da primeira bobina de transmissão compreende uma parte interna do enrolamento e uma parte externa do enrolamento. A parte interna do enrolamento é o primeiro eletrodo e a parte externa do enrolamento é o segundo eletrodo.

Se o enrolamento interno e o enrolamento externo estiverem, por exemplo, no modo de espera do dispositivo

9/40 transmissor, desconectados uns dos outros, o arranjo torna-se um arranjo capacitivo, onde a parte interna e a parte externa são usadas como eletrodos. A capacidade entre estes eletrodos aumenta se um dispositivo com propriedades capacitivas for colocado em cima do arranjo. Ao medir a capacitância, usando um dos métodos descritos, um dispositivo pode ser detectado. Se um dispositivo é detectado, o enrolamento interno e o enrolamento externo podem tornar-se conectados para operar a bobina transmissora como um transmissor de energia indutiva. Nenhum eletrodo adicional tem que ser fornecido na superfície do transmissor. Usar o enrolamento interno e o enrolamento externo permite a detecção precisa da posição do receptor no que diz respeito à posição da primeira bobina de transmissão.

Em uma realização adicional, a variação da capacitância detectada indica que o receptor está na proximidade do transmissor. O método compreende ainda a etapa de ativar o transmissor de modo que o transmissor comece a se comunicar com o receptor ou transmita energia para o receptor.

A realização permite que o transmissor entre em um estado de latência de baixa potência, a partir do que ele é ativado após a detecção de um evento relacionado a um receptor de energia sem fio. Tal evento pode ser a detecção de uma variação capacitiva.

Em outras palavras, quando nenhum receptor é detectado, o transmissor está em modo de espera, o que significa que nenhuma bobina de transmissão está ativada para transmitir energia ou se comunicar com um receptor. Se uma variação da capacitância for detectada, o mais provável é que o receptor esteja colocado sobre o transmissor. Assim, o transmissor é ativado, o que significa que o modo de espera está terminado e que o transmissor entra em um modo operacional. No modo operacional, o transmissor pode

10/40 indutivamente prover energia para o receptor, ou pode primeiro iniciar um processo de comunicação adicional para identificar adicionalmente o receptor. No modo operacional, uma ou mais bobinas de transmissão do transmissor são usadas 5 para indutivamente transferir energia para o receptor, ou indutivamente se comunicar com o receptor.

Em uma realização, a tensão aplicada é uma tensão AC, ou uma tensão CC, ou um pulso de tensão, ou uma função degrau.

Se uma tensão, que é aplicada a um dos eletrodos do capacitor, é uma tensão AC, flui através do capacitor uma corrente que é proporcional à capacitância do capacitor. Pelo dimensionamento correto do valor e da frequência da tensão AC, a corrente pode ser relativamente pequena, tal que uma pequena quantidade de energia seja dissipada. Variações na corrente referem-se a uma possível colocação de um receptor sobre o transmissor. A detecção de variações em uma corrente, por exemplo, detectando se a corrente excede um valor pré definido, e/ou detectando se a corrente diminui abaixo de um valor pré-definido, é relativamente simples e pode ser realizada de forma eficiente em relaçao à energia,

Se a tensão aplicada for um pulso de tensão ou uma função degrau, a resposta do capacitor no domínio do tempo pode ser analisada pelos circuitos de detecção. Dependendo da . 25 capacitância do capacitor, uma resposta específica pode ser detectada. Se o receptor for colocado sobre o transmissor, a resposta é diferente de uma situaçao em que o receptor nao esteja colocado sobre o dispositivo de energia sem fio.

A medição de uma característica da resposta pode

0 ser feita pelo acoplamento de um resistor em série com o capacitor e pela aplicação do pulso de tensão ou função degrau ao arranjo em série. A tensão sobre a capacitância aumenta quando a tensão muda de forma neutra para um valor

11/40 pré-definido, e dependendo do valor pré-definido da tensão e da capacitância do capacitor um aumento específico pode ser medido. A capacitância aumenta quando um dispositivo é colocado, e, portanto, o tempo de subida é maior se o 5 dispositivo é colocado. Quando um pulso de tensão de um comprimento definido é aplicado ao arranjo em série, a tensão sobre o capacitor diminui gradualmente quando a tensão aplicada cai a partir da tensão pré-definida para a tensão neutra. O tempo de decaimento é uma medida da capacitância do 10 capacitor.

Em uma realização adicional, o transmissor compreende uma pluralidade de capacitâncias formadas pelos pares de primeiro e segundo eletrodos. O método compreende ainda a etapa de detecção da variação da capacitância de cada 15 um dentre a pluralidade de capacitores, e compreende a etapa de determinação da posição do receptor dependendo de qual dentre a pluralidade de variações de capacitância de capacitores foi detectada.

Ao fornecer uma pluralidade de eletrodos, cada par 20 de eletrodos vizinhos forma um capacitor. Através da detecção de uma variação da capacitância entre cada um dos pares de eletrodos, o transmissor é capaz de detectar de forma relativamente precisa, onde o receptor está posicionado sobre o transmissor. As capacitâncias que têm a maior variação na . 25 capacitância estão perto do receptor.

De acordo com o segundo aspecto da invenção, é provido um transmissor para a detecção de um receptor. O transmissor se destina a transmitir por indução para o receptor. O transmissor compreende uma primeira bobina de 30 transmissão como um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo.

O primeiro eletrodo e o segundo eletrodo formam um capacitor.

O transmissor compreende ainda uma primeira unidade para a aplicação de uma tensão a qualquer um dos eletrodos, e

12/40 circuitos de detecção conectados a qualquer um dos eletrodos da capacitância para a detecção de uma variação da capacitância do capacitor.

Em uma realização, o transmissor compreende ainda uma segunda bobina de transmissão sendo o segundo eletrodo.

Em outra realização, o segundo eletrodo está posicionado no centro da primeira bobina de transmissão.

Em uma realização adicional, a detecção da variação da capacitância indica que o receptor está na proximidade do transmissor, e o transmissor compreende uma segunda unidade para a ativação do transmissor de modo que o transmissor possa começar a se comunicar com o receptor ou transmitir energia para o receptor.

O transmissor e realizações do transmissor proveem os mesmos benefícios que o método de acordo com o primeiro aspecto da invenção e realizações correspondentes do método de acordo com o primeiro aspecto da invenção. O transmissor tem realizações similares com efeitos similares aos das realizações correspondentes do método.

De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é provido outro método para detectar um receptor através de um transmissor. O transmissor se destina a transmitir energia por indução para o receptor, O transmissor compreende uma primeira bobina de transmissão como um eletrodo. O método . 25 compreende as etapas de aplicação de uma tensão ao eletrodo, e detecção de uma variação da capacitância de um capacitor formado pelo primeiro eletrodo e o aterramento ou formado pelo primeiro eletrodo e o receptor.

O primeiro eletrodo forma uma capacitância com o

0 aterramento ou com um receptor. Se um receptor vem na proximidade do primeiro eletrodo, a capacitancia muda e uma carga fluirá para o primeiro eletrodo ou longe do primeiro eletrodo. Através da detecção da corrente ou a partir do

13/40 primeiro eletrodo, obtém-se uma solução eficaz e eficiente para a detecção do receptor, a qual não é um projeto complicado e, portanto, economiza custos.

De acordo com o quarto aspecto da invenção, é provido um transmissor adicional para a detecção de um receptor. 0 transmissor se destina a transmitir energia por indução para o receptor. O transmissor compreende uma primeira bobina de transmissão como um primeiro eletrodo, uma primeira unidade para a aplicação de uma tensão ao eletrodo, 10 e circuitos de detecção conectados ao eletrodo para a detecção de uma variação da capacitância de um capacitor formado pelo eletrodo e o aterramento ou pelo eletrodo e um receptor.

No contexto deste documento, deve-se notar que o uso da palavra capacitor não se refere a um capacitor combinado (lumped). Além disso, transmissor, transmissor de energia e transmissor de energia sem fio são termos intercambiáveis no contexto da invenção. Uma característica do transmissor é a de que o transmissor destina-se a transmitir indutivamente energia a um receptor. Receptor, dispositivo receptor e dispositivo receptor de energia são termos intercambiáveis no contexto da invenção. Uma característica do receptor é a de que o receptor destina-se a receber energia indutivamente. Adicionalmente, a primeira . 25 unidade para a aplicação de uma tensão a qualquer um dos eletrodos ou qualquer uma das bobinas de transmissão pode ser uma fonte de tensão.

Estes e outros aspectos da invenção são evidentes a partir das e serão esclarecidos com referência às realizações 30 descritas adiante.

Será apreciado pelos técnicos no assunto que duas ou mais das realizações, implementações e/ou aspectos acima mencionados da invenção podem ser combinados de qualquer

14/40 forma considerada útil.

Modificações e variações do sistema e/ou do método, que correspondam às descritas modificações e variações do sistema, podem ser realizadas por um técnico no assunto com 5 base na presente descrição.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Nos desenhos:

a Fig. 1 representa o princípio de detecção capacitiva de acordo com a presente invenção, a Fig. 2a representa a estrutura básica para a detecção capacitiva de acordo com a presente invenção, a Fig. 2b representa uma pluralidade de diferentes topologias de circuito para a detecção capacitiva, a Fig. 3 representa um sistema de representação esquemática em blocos de um transmissor de posicionamento livre de acordo com a invenção, a Fig. 4 representa um circuito de representação esquemática do sistema na Fig. 3, a Fig. 5 representa um circuito de acordo com a 20 primeira realização da presente invenção, a Fig.6 representa um circuito equivalente à Fig.

5, a Fig. 7 representa uma superfície de transmissor coberta por múltiplas bobinas, . 25 a Fig. 8 representa um sistema de detecção capacitiva de acordo com uma realização, a Fig. 9 representa um sistema de detecção capacitiva de acordo com uma realizaçao, a Fig.10 representa um sistema de detecção capacitiva com localização de acordo com outra realização, a Fig. 11 representa um primeiro exemplo de circuitos de detecção quando uma tensão CC é aplicada, a Fig.12 representa um segundo exemplo de circuitos

15/40 de detecção quando uma tensão CC é aplicada, a Fig. 13 representa um terceiro exemplo de um circuitos de detecção quando uma tensão CC é aplicada, a Fig. 14 representa um quarto exemplo de circuitos de detecção quando uma tensão CC é aplicada, a Fig. 15 representa um exemplo com um eletrodo em forma de estrela no centro de uma bobina primária, a Fig. 16 representa um transmissor com uma única bobina representada por LI e um capacitor de detecção, a Fig. 17 representa uma realização onde a unidade de detecção mede uma tensão, em vez de uma corrente, a Fig. 18 representa um esboço do circuito de medição de capacitância entre duas bobinas, a Fig. 19 representa um esboço básico do circuito de medição capacitivo entre uma bobina e um eletrodo centralizado, a Fig. 20a representa um esboço mecânico com capacitância implementada, a Fig. 20b representa um circuito elétrico equivalente ao do método de medição descrito, a Fig. 20c representa um circuito elétrico equivalente ao da segunda realizaçao descrita do método de medição, a Fig. 21 representa uma plotagem do espectro de permissividade dielétrica em uma ampla faixa de frequências. As partes real e imaginária da permissividade são mostradas, e vários processos são representados: relaxamento iônico e dipolar, e ressonâncias atômica e eletrônica em energias mais elevadas, a Fig. 22 representa uma arquitetura de baixa energia em modo de espera, a Fig. 23 mostra esquematicamente um diagrama de fluxo do método da invenção.

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Note-se que os itens indicados pelos mesmos numerais de referência em Figuras diferentes têm as mesmas características estruturais e as mesmas funções, ou são os mesmos sinais. Onde a função e/ou a estrutura de tal item 5 houverem sido explicadas, não há necessidade de explicação repetida delas na descrição detalhada.

As Figuras são puramente diagramáticas e não desenhadas em escala. Particularmente para maior clareza, algumas dimensões são fortemente exageradas.

DESCRIÇÃO DETALHADA

A Figura 1 representa o princípio de um método para a detecção de um dispositivo 106 que é colocado sobre a superfície 102 do transmissor de acordo com a presente invenção. Os eletrodos 108, 110, 112, 114 abaixo da superfície do transmissor são usados para detectar dispositivos 106 a serem carregados que são colocados na superfície de transmissor 102. O método é baseado no fato de que um dispositivo 106 que é colocado sobre uma superfície 102 de um transmissor mudará a capacitância entre dois 20 eletrodos 108, 110, 112, 114 localizados abaixo da superfície superior 102 de um transmissor. A colocação de tais dispositivos 106 na superfície de transmissor 102 altera o valor da capacitância que existe entre os diferentes eletrodos 108, 110, 112, 114. Isso resulta da variação , 25 induzida na constante dielétrica de parte do espaço entre as duas placas do capacitor formadas pelos eletrodos 108, 110, 112, 114, da distância dielétrica dos dois eletrodos ou de uma combinação destes. A variação na capacitância é representada na Fig. 1 pela diferença no padrão das linhas do 30 campo elétrico 104 entre uma superfície coberta e uma descoberta.

Para um capacitor de placas paralelas, a capacitância entre os dois eletrodos é dada por

17/40 (1) onde ε é a constante dielétrica do meio entre as placas, A é a área das placas e d é a distância entre as placas. Assim, a capacitância é linearmente dependente da 5 constante dielétrica do meio entre as placas. Para duas placas no mesmo plano existe uma relação mais complexa. Entretanto, a dependência da constante dielétrica permanece. Para um capacitor formado entre dois eletrodos 108, 110, 112, 114 abaixo da superfície 102 de um transmissor, a constante 10 dielétrica mudará (aumento) quando um dispositivo 106 for colocado sobre a superfície superior de transmissor 102. A variação resultante na capacitância pode ser detectada de várias maneiras.

A Fig. 2a representa um método de detecção de 15 acordo com uma realização. A fonte de tensão 216 é empregada para aplicar uma tensão, que pode ser uma tensão AC ou CC de uma amplitude maior ou igual a zero, a um eletrodo 204 (representando uma placa de capacitor). Circuitos de detecção 212, conectados a outro eletrodo 206 (representando a segunda 20 placa do capacitor), são usados para monitorar a capacitância entre os dois eletrodos 204, 206 que formam um capacitor 202. Uma variação na capacitância é indicativa de colocação do dispositivo 214 e este evento será sinalizado por meio de um sinal de detecção 208. As linhas 210 representam as linhas do 25 campo elétrico entre os eletrodos 204, 206 do capacitor 202.

Quando uma tensão CC é aplicada em todo o capacitor 202 e quando um dispositivo 214 é posteriormente colocado sobre o transmissor, a redistribuição de carga resulta em uma pequena corrente que pode ser detectada como uma tensão 30 através de um resistor de percepção.

A variação na carga armazenada na placa do capacitor é dada por

18/40

AQ = U-AC ₍₂₎ onde U é a tensão CC aplicada ao capacitor e &C é a variação na capacitância mediante a colocação do dispositivo.

A corrente resultante é dada por ._dQ dl (3) onde ÔQ/dt é a carga por unidade de tempo que flui na direção da placa do capacitor. É de notar-se que a redistribuição de carga também ocorrerá quando um dispositivo compreendendo uma carga estática for colocado. Portanto, o sinal de detecção pode compreender um componente como resultado de uma variação na capacitância e/ou um componente como resultado da colocação de um dispositivo estaticamente carregado.

Quando uma tensão AC é aplicada através do capacitor 202, uma corrente flui através do capacitor e a corrente pode ser monitorada. Quando a capacitancia aumenta mediante a colocação do dispositivo 214, a amplitude da corrente que flui também irá aumentar, indicando a presença do dispositivo 214. A amplitude da corrente é dada por & (3) onde u é a tensão AC aplicada através do capacitor 202, ω é a frequência da tensão AC aplicada e C é a capacitância entre os eletrodos 204, 206. Assim, a corrente depende linearmente da capacitância que mudou mediante a colocação do dispositivo 214. Note que a corrente pode ser mantida arbitrariamente pequena para limitar a dissipação de energia.

O método de detecção do receptor através de uma variação da capacitância é um assim chamado método ping analógico e é baseado em uma variação da capacitância de um

19/40 eletrodo sobre ou perto da superfície da interface, devido à colocação de um objeto sobre a superfície de interface.

O método é particularmente adequado para transmissores de energia que usam posicionamento livre, porque permite implementações que têm uma energia em modo de espera muito baixa, e ainda apresentam um tempo de resposta aceitável para um usuário. A razão é que (continuamente) a varredura da superfície de interface por variações no arranjo dos objetos e respectivos receptores de energia é uma operação relativamente cara. Em contraste, as variações de sensoriamento na capacitância de um eletrodo podem ser muito baratas (em termos de requisitos de energia). Note-se que o sensoriamento da capacitância pode prosseguir com partes consideráveis da estação base desligada.

Projetos de transmissores de energia, que são baseados em uma série de bobinas primárias (de transmissão) podem usar o arranjo de bobinas primárias como o eletrodo em questão. Para esse efeito, o multiplexador deve conectar todas as (ou um subconjunto relevante de) bobinas primárias em uma série a uma unidade de sensoriamento de capacitância e ao mesmo tempo desconectar as bobinas primárias do circuito de direcionamento. Projetos de transmissores de energia, que são baseados em uma bobina primária que se move podem usar as bobinas de detecção na Superfície da Interface como eletrodos.

Recomenda-se que a capacitância do circuito de sensoriamento seja capaz de detectar alterações com uma resolução de 100 fF ou melhor. Se a variação da capacitância percebida exceder algum limite definido por implementação, o transmissor de energia pode concluir que um objeto está posto sobre ou foi removido da superfície de interface. Nesse caso, o transmissor de energia deve prosseguir para localizar os objetos e tentar identificar os receptores de energia sobre a

20/40 superfície de interface.

A Fig. 2b representa uma pluralidade de topologias alternativas de circuito para a detecção capacitiva. Na realização (i) dois eletrodos formam um capacitor. Na realização (ii) duas bobinas transmissoras 218 formam o capacitor. As realizações (i) -(iv) combinam-se com as realizações (viii)-(xi), respectivamente, e elas diferem em relação à posição dos circuitos de detecção 212. Nas realizações (i) a (iv) os circuitos de detecção está conectado ao eletrodo 204, 206 ao qual também a tensão da fonte de tensão 216 é aplicada. Nas realizações (viii)-(xi) a fonte de tensão 216 está conectada a outro eletrodo do capacitor que não os circuitos de detecção 212. Nas realizações (v) e (xii) é mostrado que uma pluralidade de bobinas transmissoras 218 ou uma pluralidade de eletrodos 204, 206 pode ser configurada tal que eles formam uma pluralidade de capacitores em uma configuração paralela. É de notar que as realizações (iii) , (iv) , (viii) a (xi) também podem ter sua contraparte respectiva na qual uma pluralidade de capacitores são dispostos em uma configuração em paralelo.

As realizações (vi) , (vii) , (xiii) e (xiv) da Fig. 2b mostram outro aspecto da invenção. O circuito de detecção 212 e a fonte de tensão 216 estão conectados ao mesmo eletrodo 220. O eletrodo pode ser um eletrodo dedicado ou pode ser formado por uma ou mais bobinas transmissoras. O capacitor formado por este eletrodo 220 e aterramento 222 é monitorado pela circuito de detecção 212. O circuito de detecção 212 mede, a uma tensão aplicada pré-definida, que pode ser uma tensão AC, uma tensão CC ou um padrão de pulso, a corrente que flui em direção ao eletrodo 220, o que é indicativo da capacitância. Mediante a colocação do dispositivo, a capacitância mudará e, portanto, a corrente que flui em direção ao eletrodo mudará. Assim, uma variação

21/40 brusca na corrente que flui em direção ao eletrodo indica a colocação do dispositivo. Na realização (xiii), uma bobina transmissora é usada como o único eletrodo, e nas realizações (vii) e (xiv) uma pluralidade de eletrodos e/ou uma pluralidade de bobinas transmissoras estão conectadas em paralelo de tal forma que cada uma delas forme um capacitor com relação ao aterramento ou ao receptor.

A Fig. 3 representa uma representação esquemática de blocos de um transmissor de referência de posicionamento livre exemplar. Nesta Figura, bobinas hexagonais Ll, L2 são usadas para a transferência de energia e estão localizadas no mesmo plano perto uma da outra. Embora apenas duas bobinas Ll, L2 sejam mostradas, há mais bobinas (na verdade, todo o plano pode ser preenchido com bobinas) para permitir o posicionamento livre do receptor sobre o transmissor, ou seja, multiplexadores MUX1, MUX2 são usados para selecionar as bobinas localizadas diretamente abaixo do receptor para a transferência de energia. Os multiplexadores MUX1, MUX2 conectam a bobina apropriada Ll, L2 a um capacitor em série Cl, C2, tal que a combinação da bobina Ll, L2 e do capacitor Cl, C2 forma um circuito tanque ressonante necessário para a transferência eficiente de energia. O tanque ressonante é conduzido a partir de um circuito meia-ponte circuito HB1, HB2. Finalmente, um resistor de percepção Rsense é usado para monitorar a corrente da bobina para fins de controle.

A Fig. 4 descreve uma representação esquemática do sistema na Fig. 3. A meia-ponte HB1, HB2 consiste em dois TECs Ml, M2, M3, M4, que são conduzidos por um microcontrolador (não mostrado). A tensão de alimentação aplicada à meia-ponte está, geralmente, entre 12V e 16V. O multiplexador MUX1, MUX2 consiste em comutadores que são utilizados para conectar a bobina apropriada Ll, L2 ao driver meia-ponte.

22/40

Embora para a transferência de energia as bobinas Ll, L2 sejam usadas como indutores, esta invenção objetiva o uso de duas bobinas adjacentes Ll, L2 como as duas placas de um capacitor. O valor deste capacitor mudará mediante a colocação de um dispositivo na superfície do transmissor. Este valor pode ser monitorado usando o mesmo hardware que o utilizado para a transferência de energia. Isso é mostrado na Fig. 5. Se os comutadores multiplexadores estiverem definidos e os TECs conectados de acordo com a Fig. 5, o circuito equivalente resultante é mostrado na Fig. 6. A tensão CC de 12 V aplicada resultará em uma tensão CC em todo o capacitor Ceq formado pelas duas bobinas Ll, L2. Nenhuma corrente fluirá durante a operação em estado estacionário, ou seja, nenhuma energia é dissipado. Quando um dispositivo é colocado na superfície do transmissor, irá fluir em direção ao Ceq uma pequena corrente, que pode ser detectada como uma tensão através de Rsense.

Uma base transmissora completa 700, consistindo de um grande número de bobinas, pode ser monitorada simultaneamente de forma conveniente. As bobinas sobre uma superfície transmissora são mostradas na Fig. 7. Uma tensão CC é aplicada às bobinas cinzas 704 e a corrente é percebida (mediante a colocação do dispositivo) com as bobinas brancas 702. Desta forma todas as bobinas da base 700 podem ser percebidas simultaneamente, enquanto informações sobre a localização ainda são obtidas quando um dispositivo receptor é percebido.

A Fig. 8 mostra a realização de acordo com esta invenção. Nesta realização duas bobinas adjacentes 810, 812 de um sistema 800, que são de outra maneira usadas para energia indutiva, formam o capacitor 802. Usando esta realização, eletrodos de detecção dedicados não são necessários. Em oposição a uma realização discutida

23/40 anteriormente, uma fonte de tensão dedicada 808 pode ser usada e ademais, os circuitos de detecção dedicados 804 são usados. A fonte de tensão 808 é empregada para aplicar uma tensão, que pode ser uma tensão AC ou CC de amplitude maior ou igual a zero. Dependendo da tensão aplicada, os circuitos de detecção adequado 804 é aplicado, o que gera um sinal de detecção 806. Vários desses circuitos de detecção 804 podem ser usados em paralelo para obter a detecção e a localização simultânea. As bobinas 810, 812 âs quais uma tensão é aplicada podem, por exemplo, ser as bobinas cinzas na Fig. 7, enquanto as bobinas conectadas aos circuitos de detecção 804 poderiam ser as bobinas brancas.

A Fig. 9 mostra outra, a terceira realização de acordo com esta invenção. Esta realização utiliza eletrodos de detecção dedicados 904, 906 e circuitos. Muitas configurações de eletrodos 904, 906 são possíveis, as quais caem todas no escopo desta invenção. A Fig. 10 representa outro exemplo de uma configuração de eletrodo. No exemplo da Fig. 9 dois eletrodos interdigitados 904, 906 são usados na superfície 902 do dispositivo transmissor. A fonte de tensão 808 é empregada para aplicar uma tensão, que pode ser um tensão AC ou CC de amplitude maior ou igual a zero, e dependendo da tensão aplicada, são usados circuitos de detecção adequados 804. A localização do dispositivo sobre a superfície de transmissor 902, se for necessário, pode ser realizada usando outros métodos (conhecidos), como por exemplo, tentando se comunicar com o dispositivo através de um campo elétrico ou magnético local.

A Fig. 10 mostra outra realização de acordo com esta invenção. Nesta realização, os eletrodos estão presentes em duas camadas 1002, 1004 abaixo da superfície do transmissor. Circuitos dedicados de detecção 1006, 1008 estão presentes para cada possível posição horizontal e vertical

24/40 (camadas 1002, 1004). Um sistema de controle 1010 controla as tensões aplicadas, processa os sinais de saída dos circuitos de detecção 1006, 1008 e gera o sinal de detecção 1012 que agora também transmite informações sobre a localização do 5 dispositivo detectado. Esta configuração do eletrodo tem a vantagem de que o número de circuitos de detecção 1006, 1008 dimensiona-se com a raiz quadrada da área do transmissor. Entretanto, são possíveis outras configurações de eletrodo que também permitem a detecção e a localização combinadas.

Todas estas configurações caem no do escopo desta invenção.

A detecção e a localização combinadas podem em alternativa ser obtidas através do uso de um único circuito de detecção combinado com uma pluralidade de fontes de tensão aplicando tensões que possuem frequências dependentes de 15 localização. A amplitude dos diferentes componentes espectrais no sinal de detecção então transmite informações de detecção e localização.

A seguir, exemplos de circuitos de detecção são apresentados. Entretanto, outras implementações também podem 20 ser usadas. Estes circuitos alternativos também caem no escopo desta invenção.

A Fig.11 representa uma implementação dos circuitos de detecção 1102 quando uma tensão CC maior ou igual a zero Volt é aplicada a um dos eletrodos do capacitor C. Mediante a . 25 colocação do dispositivo, o valor de C mudará e, como resultado da tensão sobre C sendo constante, a quantidade de carga nas placas do capacitor mudará. Este fluxo de carga, ou corrente, é fornecido por um amplificador operacional. Na realização mostrada na Fig. 11, a corrente que flui em 30 direção a C também está fluindo através do resistor de realimentação do ampop, resultando em uma variação de tensão na saída do ampop. Assim, a corrente de carga é convertida em uma tensão. Esta tensão é amplificada no circuito de

25/40 transistor (NPN), tal que, inicialmente, o sinal de detecção 1104 é igual à tensão de alimentação do transistor, enquanto mediante a colocação do dispositivo, o sinal de detecção diminui abaixo de 0,5 V.Um microprocessador μΡ conectado ao 5 circuito de detecção 1102 pode ser configurado de tal forma que ele registra essa variação de tensão, que é indicativa de colocação de dispositivo.

circuito 1202 na Fig. 12 difere daquele na Fig.

na medida em que um diodo e capacitor são inseridos na base do transistor. Este capacitor é carregado durante a colocação do dispositivo e, lentamente, descarregado através da base do transistor, aumentando assim o tempo que o sinal de detecção 1104 está baixa, permitindo uma detecção mais fácil deste estado pelo μΡ.

O circuito 1302 da Fig. 13 difere daquele na Fig.

na medida em que o circuito de transistor é substituído por um comparador 1304 com certa tensão limítrofe Vref. A saída do comparador 1304 é zero se a tensão de saída do ampop for menor que Vref, e igual à sua tensão de alimentação se a 20 tensão de saída do ampop 1306 for superior a Vref. A saída do comparador 1304 é monitorada por um microprocessador μΡ. Opcionalmente, um diodo e um capacitor podem ser adicionados entre a saída do comparador 1304 e a entrada do microprocessador μΡ para estender a duração do sinal de • 25 detecção.

A Fig. 14 representa um circuito de detecção 1402 que é adequado se uma tensão AC Vref for aplicada. A variação na capacitância induzida pela colocação de um dispositivo resulta em uma variação na amplitude do sinal de saída do 30 ampop 1404. Essa amplitude é obtida submetendo esse sinal de saída de ampop 14 04 à demodulação em um demodulador 14 06 e filtragem em um filtro passa-baixa 1408.

Um capacitor de detecção 1502, que é, por exemplo,

26/40 mostrado na Fig. 15, é compreendido entre uma bobina primária 1504 como primeiro eletrodo e um segundo eletrodo 1506 que está posicionado no centro da bobina primária 1504. 0 segundo eletrodo pode ter vários formatos, incluindo uma placa metálica retangular, oval, redonda, possivelmente provida com fendas para reduzir correntes de Foucault, uma bobina, um conjunto de condutores finos conectados entre si de um lado, etc.

A Fig. 15 mostra um exemplo com um eletrodo em forma de estrela 1506 no centro de uma bobina primária 1504. A figura também mostra no lado direito uma representação simbólica do capacitor de detecção formado entre a bobina primária 1504 e o segundo eletrodo 1506.

Quando um dispositivo é colocado sobre ou removido da bobina primária 1504, o valor do capacitor C muda. O valor aumenta significativamente quando um dispositivo cobre o segundo eletrodo 1506 de C (colocado no centro da bobina primária 1504) e pelo menos parte da bobina primária 1504. A capacitância não aumenta muito quando o dispositivo não cobre o segundo eletrodo 1506 de C. O capacitor C é, portanto, bem adequado para detectar se um dispositivo está posicionado em cima de uma bobina primária 1504.

A Fig. 16 mostra os circuitos de transmissor 1602 com uma única bobina representada por LI e um capacitor de detecção C2. Um circuito de ressonância em série é formado por LI e Cl. O circuito de ressonância é conduzido por um inversor de meia ponte representado pelos comutadores SI e S2. A unidade de detecção 1604 está conectada através do comutador S3 para detectar uma variação na corrente para C2. Durante a detecção, os comutadores SI e S2 estão ambos abertos, ou pelo menos um está aberto e o outro fechado, enquanto S3 está fechado. Durante a transferência de energia, S3 está aberto e SI e S2 estão fechados alternadamente.

27/40

Quando um dispositivo é colocado sobre ou removido da pilha primária, a alteração do valor de C2 resulta em uma pequena corrente em direção a/vindo de C2 a ser medida pela unidade de detecção 1604.

A direção da corrente causada pela variação da capacitância de C2 pode ser aplicada para determinar a direção do movimento do dispositivo em relação à pilha primária. Se um dispositivo é movido em direção à pilha transmissora, a capacitância aumentará, resultando em uma 10 corrente positiva. Se o dispositivo é removido da pilha, a capacitância diminuirá, resultando em uma corrente negativa,

O transmissor pode ser equipado com uma matriz de pilhas primárias, em que cada pilha primária contém pelo menos uma bobina primária, um capacitor de detecção e uma 15 unidade de detecção. Em alternativa, todos os capacitores de detecção são conectados em paralelo a um circuito de detecção. Neste caso, nenhuma informação de localização é obtida. O transmissor pode determinar a posição e o formato de um dispositivo que é colocado sobre a superfície do 20 transmissor, examinando quais as unidades de detecção mediram um aumento da capacitância C2. A resolução dessa localização é determinada pelo tamanho físico das bobinas do transmissor e pela sensibilidade das unidades de detecção.

A Fig. 17 mostra uma realização de circuitos 1702 25 onde a unidade de detecção 1704 mede uma tensão, em vez de uma corrente. Para ser capaz de fazer uso de uma unidade central de detecção 1704 e de um gerador de sinal de energia central que serve múltiplas pilhas primárias, os comutadores S4 e S5 são adicionados, Isto permite equipar o transmissor 30 com uma implementação mais avançada e cara, tanto do gerador de sinal como da unidade de detecção 1704, como resultado de que o custo por pilha primária é apenas moderadamente aumentado.

28/40 . 25

	S4 pode ser parte de um multiplexador que permite a
conexão	seletiva	de	uma	pilha	primária a	um	oscilador
central.	S5 pode	ser	parte	de um	multiplexador	que	permite a
conexão	seletiva	de	uma pilha	primária a uma unidade de
detecção

Durante a transferência de energia, S4 está fechado enquanto S3 e S5 estão abertos. Durante a localização de um dispositivo, sobre o transmissor, o comutador S4 está aberto para cada pilha primária que está envolvida na localização. Para examinar uma variação de localização do dispositivo, o seguinte é repetido ciclicamente para cada pilha primária envolvida, usando um tempo de ciclo pré-definido.

No início do ciclo, o capacitor C2 da pilha primária é carregado com uma tensão DC, fechando o comutador S3 por um curto período de tempo.

Durante o ciclo, o capacitor descarrega através de um resistor R (parasita) de um alto valor conhecido.

No final do ciclo, a variação de tensão é medida por uma unidade de detecção. IO comutador S5 está fechado para este fim.

As seguintes situações devem ser diferenciadas:

- Se nenhum dispositivo estava presente em cima da pilha primária e nenhum dispositivo for colocado sobre a pilha primária, a capacitância de C2 não é alterada e a tensão medida estará dentro de um intervalo pré-definido de acordo com a descarga do capacitor sobre o resistor dentro do tempo de ciclo.

- Se nenhum dispositivo estava presente em cima da pilha primária e um dispositivo for colocado sobre a pilha primária, a capacitância de C2 é aumentada e a tensão medida estará abaixo de um intervalo pré-definido de acordo com a descarga do capacitor sobre o resistor dentro do tempo de ciclo

29/40

- Se nenhum dispositivo estava presente em cima da pilha primária e o dispositivo foi removido da pilha primária, a capacitância de C2 é diminuída e a tensão medida estará acima de um intervalo pré-definido de acordo com a descarga do capacitor sobre o resistor dentro do tempo de ciclo.

- Se um dispositivo estava presente em cima da pilha primária e o dispositivo não foi removido da pilha primária, a capacitância de C2 não é alterada e a tensão medida estará dentro de um intervalo pré-definido de acordo com a descarga do capacitor sobre o resistor dentro do tempo de ciclo.

Um método adicional de detecção e localização de um dispositivo mede a capacitância de C2 usando um fonte AC em vez de uma DC.

O método descrito pode ser aplicado para detectar e localizar dispositivos sobre um transmissor, a fim de selecionar uma ou mais bobinas transmissoras para transferir energia para um receptor.

O método descrito pode ser aplicado com um método de localização de receptor e de detecção existente que requer um sinal de energia em uma bobina transmissora que dura relativamente bem, a fim de esperar por uma resposta de um receptor para o sinal de energia (por exemplo, provendo dados usando modulação de carga). Neste caso, o método descrito pode limitar o número de bobinas transmissoras que precisam ser examinadas pelo método existente, causando uma limitação da energia total e tempo para examinar as bobinas transmissoras mediante uma resposta de um receptor.

Na Fig. 18 um esboço de um circuito transmissor 1100 é indicado para a detecção da capacitância entre as bobinas Lxl, Lx2. O circuito consiste exemplarmente em duas meias pontes 1811, 1812. Cada uma das meias pontes é

30/40 exemplarmente equipada com dois comutadores de transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET). Cada comutador consiste em um caminho ativo controlável 1101, que envolve uma capacitância Cds 1802 e um diodo de roda livre 1803. O grampo central da meia ponte é conectado a uma bobina transmissora LX1 1806, LX2 através de um capacitor de ressonância Cr 1804 e, opcionalmente, uma indutância em série Lr 1805. A frequência de ressonância do circuito é determinada pela capacitância, pela indutância em série e pela indutância de dispersão do transformador.

Na Fig. 18, exemplarmente, duas meias pontes 1811, 1812, que abastecem a tensão ac para o circuito ressonante durante a transmissão de energia, são descritas para fins de explicação. Um maior número de bobinas transmissoras e circuitos de alimentação pode ser usado em um arranjo como mostrado na Fig. 7.

Na Fig. 18 as bobinas transmissoras Lxl, Lx2 são fornecidas por meio de meias pontes 1811, 1812. Este arranjo é usado para fins de explicação. Outros arranjos para o fornecimento de tensão ac (por exemplo, arranjo de ponte completa ou um amplificador analógico de Classe-A/B) podem ser pensados.

Na Fig.19 um esboço de um segundo circuito transmissor 1900 é indicado para a detecção da capacitância entre uma bobina transmissora 1806 e um eletrodo 1909 posicionado no centro da bobina transmissora 1806.

Em uma realização adicional, a autocapacitância das bobinas transmissoras é medida. Uma vez que é uma bobina planar, a autocapacitância aumenta se um dispositivo com propriedades capacitivas for colocado sobre a bobina transmissora. A autocapacitância pode, por exemplo, ser medida pela medição da autorressonância da bobina transmissora. Se o autorressonância diminui abaixo de uma

31/40 frequência de referência pré-definida, um dispositivo é detectado. Para medir a autorressonância, vários métodos são conhecidos na técnica.

Em uma realização adicional, o enrolamento do transmissor é dividido em uma parte interna e uma parte externa do enrolamento. Ambas as partes estão localizados concentricamente na mesma camada horizontal. Elas são conectadas por um comutador (por exemplo, um transistor). Se o comutador estiver aberto, o arranjo torna-se um arranjo capacitivo, onde a parte interna e a parte externa são usadas como eletrodos. A capacidade entre estes eletrodos aumenta se um dispositivo com propriedades capacitivas for colocado em cima do arranjo. Ao medir a capacidade, usando um dos métodos descritos, um dispositivo pode ser detectado. Se um dispositivo é detectado, o comutador é fechado para operar a bobina transmissora como um transmissor de energia indutiva.

Em uma realização, a capacitância é medida no domínio da frequência. A realização descrita implica duas capacitâncias Ck 1807 nos terminais de cada bobina transmissora envolvida 1806. Para medir a capacitância entre as duas bobinas exemplarmente mostradas como mostrado na Fig. 18, os terminais de ambas as bobinas são conectados de forma idêntica. A unidade de medição de capacitância 1813 situa-se nos pontos de junção dos capacitores de acoplamento Ck 1807. Para medir a capacitância de uma bobina e seu eletrodo centralizado 1909 como mostrado na Fig. 19, a unidade de medição de capacitância 1813 está localizada entre o ponto de junção dos capacitores de acoplamento Ck 1807 e seu eletrodo centralizado 1909. De preferência, a frequência de medição é diferente da frequência de operação da bobina transmissora. O método descrito neste documento usa uma unidade de medição de capacitância dedicada de baixo custo 1813.

O driver de meia-ponte, mais um resistor adicional

32/40 pode ser utilizado para cumprir a medição de capacitância. As bobinas individuais, que são abordadas em um ciclo de medição são dissociadas por meio de um multiplexador que pode compreender relés. A medição-ac é feita pela provisão de uma tensão-ac a um terminal de capacitância (que é dado por uma primeira bobina de enrolamento). A frequência-ac é gerada por meio do driver da bobina transmissora. Entretanto, uma alta frequência, de preferência na faixa de baixos MHz, é adequada para a medição de capacitância. Assim, a limitação de frequência ou o driver de bobina transmissora tem de ser validado.

A medição da capacitância é feita com mais precisão por meio de um circuito de medição de capacitância 1813. Esta unidade de medição 1813 é conectada às bobinas transmissoras através de uma capacitância 1807.

A indutância em série Lr 1805 desacopla a alta frequência utilizada para a medição da capacitância a partir das capacitâncias parasitas de comutador 1802.

A capacitância entre duas bobinas Lxl, Lx2, ou entre uma bobina Lxl, 1806 e seu eletrodo centralizado 1909 mudará quando um objeto, o que implica certa condutividade elétrica ou o que mostra uma alta permissividade, for colocado sobre, ou removido das bobinas transmissoras.

Conectando as bobinas da maneira mostrada na Fig.

e Fig. 19 proverá um acoplamento capacitivo ao enrolamento e evitará perturbações causadas por influência externa.

A capacitância medida pela unidade 1813 na Fig. 18 indica se uma bobina receptora está cobrindo (parte de) duas bobinas transmissoras Lxl, Lx2, ou não. Ao medir a capacitância entre cada par de bobinas transmissoras vizinhas Lxl, Lx2, o transmissor pode calcular a localização de uma bobina receptora, por exemplo, somando-se a capacitância medida para cada pilha transmissora a suas bobinas

33/40 transmissoras vizinhas. Este método funciona desde que a bobina receptora esteja, pelo menos, cobrindo parte de duas bobinas transmissoras (por exemplo, quando a bobina receptora é maior do que cada bobina transmissora)

A capacitância medida pela unidade 1813 na Fig. 19 indica se uma bobina receptora está cobrindo (parte) da bobina transmissora e seu eletrodo centralizado. Este método indica diretamente se uma bobina receptora está posicionado acima de uma bobina transmissora e também pode ser aplicado 10 se a bobina receptora estiver cobrindo (uma parte de) uma bobina transmissora apenas.

Em outra realização exemplar, a capacidade entre os eletrodos é medida por aplicação de um pulso ou uma função degrau para o arranjo capacitivo para medir a capacitância no 15 domínio do tempo. O gerador de pulso é conectado ao arranjo capacitivo com um resistor definido em série. A tensão entre os eletrodos é medida.

Em uma realização exemplar, uma função degrau é aplicada ao circuito após o arranjo de capacitância ser descarregado. Isto pode ser aproximado por um pulso, que é suficientemente longo para ser considerado como uma função degrau para todos os casos que possam eventualmente ocorrer. O tempo de subida e o tempo de decaimento desta tensão depende da capacitância do arranjo capacitivo e podem, assim, 25 estar relacionados com a presença de um objeto entre os eletrodos do arranjo capacitivo. O tempo de subida da tensão de eletrodo é medido através da comparação da tensão de eletrodo com uma tensão de referência usando um comparador.

Um controlador pode medir o tempo desde o início da função 30 degrau até o momento em que o comparador muda a sua saída. Se este tempo exceder um valor pré-definido, um dispositivo é detectado. O valor de referência pode ser adaptado continuamente pelo algoritmo de controle.

34/40

Em uma realização adicional exemplar, um pulso de duração e amplitude definidas é aplicado após o arranjo capacitivo ser descarregado. Em detalhe, a formato e a duração do pulso são selecionados de modo que a quantidade de carga distribuída aos eletrodos seja bem definida. Após o pulso ser aplicado, a tensão nos eletrodos é medida e comparada com um valor de referência. Se o arranjo capacitivo tiver uma baixa capacitância, o que corresponde a nenhum dispositivo em cima, a tensão resultante é alta. Se um dispositivo com propriedades capacitivas for colocado sobre o arranjo, o arranjo tem uma alta capacitância. Então a tensão resultante é baixa. Assim, se a tensão medida estiver abaixo de um valor de referência, um dispositivo é detectado.

Uma realização adicional é mostrada nas Figs. 20a, 20b, 20c.

Se um objeto com alta permissividade, (mas que não é uma bobina receptora) for colocado sobre as bobinas transmissoras, o valor da capacitância medida irá mudar também. A colocação, por exemplo, de uma chave sobre a superfície influenciará a capacitância entre as bobinas ou também entre uma bobina e seu eletrodo centralizado. Em ambos os casos mencionados, as bobinas transmissoras não começarão a transmitir energia, pois as unidades colocadas na superfície não são unidades válidas para receber energia.

Para distinguir e identificar uma bobina receptora dois métodos podem ser utilizados.

Uma realização para identificar um receptor válido usa as propriedades de material dielétrico do receptor. A realização consiste em um material dedicado ao redor ou, pelo menos, na superfície inferior do receptor, que tem um comportamento de frequência definida. Isto pode ser conseguido através de um alojamento (por exemplo, de plásticos), que tem uma impedância dependente da frequência.

35/40

A dependência da frequência pode ser alcançada usando o relaxamento Debye, que é a resposta de relaxamento dielétrico de uma população ideal, não interativa de dipolos a um campo elétrico externo em alternância. Conhecer o material do alojamento da bobina receptora, a detecção e especialmente a identificação do alojamento podem ser realizadas. Na Fig. 21, o espectro de permissividade dielétrica em uma ampla faixa de frequências é mostrado. As partes real e imaginária da permissividade são mostradas, e vários processos são representados: relaxamento iônico e dipolar, e ressonâncias atômica e eletrônica em energias mais elevadas, Conhecendo as frequências especiais das frequências de relaxamento eletrônico, atômico, de dipolo e iônico, o material pode ser identificado.

Utilizando materiais dedicados, as frequências de relaxamento específicas para materiais podem ser definidas para uma frequência desejada. De preferência, a identificação é feita em frequências que são diferentes da frequência de operação da operação de transferência de energia/bobina.

Outra realização para identificar um receptor válido usa uma permissividade elétrica dependente da frequência, que mudará com a frequência sem usar o efeito de relaxamento Debye. Isto pode ser realizado pela adição de um material dedicado entre a bobina receptora e o alojamento. A realização é mostrada nas Figs. 20a, 20b, 20c.

O sistema consiste em um alojamento de arranjo de bobina transmissora 2001, no qual as bobinas transmissoras 2002 estão localizadas. Cada bobina transmissora consiste opcionalmente em um núcleo magnético 2004, que melhora as características de fluxo magnético das bobinas transmissoras. O núcleo magnético pode ser individual para cada núcleo ou um backplane magnético comum pode ser implementado.

Em outra realização para identificar um receptor

36/40 válido, o enrolamento receptor 2005 é embutido em e eletricamente conectado a um material 2006, com uma permissividade elétrica definida. Assim, o enrolamento receptor atua como uma rede de indutância/capacitância. O circuito elétrico equivalente é mostrado na Fig. 20b.

Para fins de explicação apenas três bobinas transmissoras e uma bobina receptora são mostradas na Figura. Entretanto, mais de três bobinas transmissoras e/ou bobinas receptoras podem ser pensadas.0 desenho gira no sentido antihorário .

As bobinas transmissoras 2002 e a unidade de medição de capacitância 2013, 2014 estão localizadas no aloj amento do transmissor 2001. As bobinas receptoras 2005 estão localizadas no alojamento do receptor 2003. Cada volta de enrolamento Lw tem uma capacitância definida Cw que determina no total uma frequência de ressonância específica. Com relação à localização da bobina receptora, a capacitância medida entre o primeiro enrolamento e o segundo enrolamento será diferente da capacitância medida entre o segundo e o terceiro enrolamento. Apenas a medição da capacitância entre os enrolamentos é parte desta realização. A alteração da frequência de medição mostrará a dependência de frequência da capacitância medida. Uma vez que a impedância mudará com relação à frequência, a presença de um receptor pode ser distinguida da presença de outros itens colocados sobre o arranjo do transmissor. A específica dependência da frequência pode ser usada como uma chave. Se os diferentes tipos de receptores (por exemplo, demandas/características de energia diferentes) forem colocados no arranjo transmissor, eles podem ser identificados e tratados em termos de demanda de energia ou carregamento de demanda individual. Nesta realização a frequência de medição de capacitância e a frequência na qual a dependência de frequência das variações

37/40 na bobina receptora são diferentes da frequência de operação ao fornecer energia para a bobina receptora.

As capacitâncias adicionadas às bobinas receptoras podem ser menores do que uma capacitância em série, que pode ser aplicada além da bobina receptora. Assim, a capacitância embutida não vai influenciar a característica de transmissão de energia.

No esboço descrito acima, a unidade para medir a dependência da frequência/capacitância do dispositivo é conectada nos terminais de enrolamento da bobina transmissora. Em alternativa, a unidade de medição pode ser conectada ao grampo central de cada uma das bobinas transmissoras. Este esboço é mostrado na Fig. 20c.

A Fig. 22 representa uma arquitetura de baixa energia em modo de espera 2200. Nesta arquitetura 2200, o fornecimento polarizado 2204 que domina frequentemente a dissipação de energia em modo de espera é desligado por meio de um comutador AC 2202 quando o transmissor está em estado de latência (ou seja, modo de espera). Durante esse estado, somente o controlador 2208 e os circuitos de detecção 2210 são alimentados a partir da energia armazenada em um capacitor 2209. Este subsistema é separado do resto do componentes eletrônicos do transmissor, por meio de um comutador 2205 para garantir que apenas estes dois componentes sejam alimentados a partir do capacitor de armazenamento 2209. Um pequeno programa em execução no controlador 2208 verifica periodicamente se a sua tensão de alimentação, por exemplo, a tensão sobre o capacitor 2209, ainda é suficientemente elevada. Se este não for o caso, ambos os comutadores 2202, 2205 são fechados por um curto período para recarregar o capacitor de armazenamento 2209. Desta forma, o controlador 2208 e os circuitos de detecção 2210 estão sempre alimentados enquanto o resto do sistema

38/40 está na maior parte do tempo em modo de latência de baixa energia.

O uso normal dos comutadores fechados 2202, 2205 irá aliviar o problema de partida a frio, ou seja, quando o transmissor é primeiro conectado à rede elétrica ele será alimentado completamente até que o controlador 2208 decida que o sistema deve entrar no modo de latência, ou seja, quando nenhum dispositivo está presente na superfície do transmissor.

O sistema 2200 é ativado quando um estímulo 2212 é aplicado ao transmissor que é detectado por componentes eletrônicos de detecção 2210, que enviam um sinal para o controlador 2208 indicando que o sistema 2200 deve ser ativado. O controlador 2208 irá em seguida, fechar ambos os comutadores 2202, 2205 para alimentar os componentes eletrônicos do transmissor completo.

O estímulo 2212 aplicado deve, em um transmissor de energia sem fio, ser indicativo da colocação de um dispositivo receptor na superfície do transmissor. A detecção de estímulo com base na detecção capacitiva foi descrita em realizações anteriores.

A Fig. 23 mostra esquematicamente um diagrama de fluxo do método de acordo com o primeiro aspecto da invenção. O método é realizado por um transmissor de energia sem fio para detectar um dispositivo receptor. O transmissor de energia sem fio compreende um primeiro eletrodo de um capacitor e um segundo eletrodo do capacitor. O transmissor de energia sem fio compreende ainda circuitos de detecção conectados a qualquer um dos eletrodos. O método compreende a etapa 2302 de aplicação de uma tensão a outro dos eletrodos, e a etapa 2304 de detecção por circuitos de detecção de uma variação da capacitância entre o capacitor formado pelos eletrodos. A variação da capacitância detectada pode ser

39/40 vista como um evento relativo a um dispositivo receptor. 0 método pode ainda compreender a etapa 2306 de ativação de um dispositivo de transmissão, sendo o transmissor de energia sem fio, de modo que o dispositivo de transmissão seja ativado para ser capaz de alimentar o dispositivo receptor ou se comunicar com o dispositivo receptor. Em outras palavras, o transmissor é ativado.

A Fig. 23 também pode ser usada para explicar o método 2300 de acordo com o terceiro aspecto da invenção. O método 2300 é um método de detecção de um receptor através de um transmissor, O transmissor se destina a transmitir energia por indução para o receptor. O transmissor compreende uma primeira bobina de transmissão como um eletrodo. O eletrodo forma um capacitor com o aterramento ou com o receptor. Em uma primeira etapa 2302 do método 2300, uma tensão é aplicada ao eletrodo. Em uma segunda etapa 2304 do método 2300, uma variação da capacitância do capacitor é detectada.

Note-se que as realizações acima mencionadas ilustram, em vez de limitar a invenção, e que os técnicos no assunto serão capazes de projetar muitas realizações alternativas, sem se afastar do escopo das reivindicações anexadas.

Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitando a reivindicação. O uso do verbo compreender e suas conjugações não exclui a presença de elementos ou etapas distintas daquelas indicadas em uma reivindicação. O artigo um ou uma precedendo um elemento não exclui a presença de uma pluralidade de tais elementos. A invenção pode ser implementada por meio de hardware compreendendo vários elementos distintos, e por meio de um computador devidamente programado. Na reivindicação do dispositivo que enumera vários meios, vários destes meios podem ser incorporados por

40/40 um e mesmo item de hardware. O simples fato de que certas medidas são mencionadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não pode ser usada favorecer.

Claims

1. MÉTODO (2600) PARA DETECTAR UM RECEPTOR (106, 214, 2311, 2521) ATRAVÉS DE UM TRANSMISSOR (800), em que o transmissor (800) destina-se a transmitir energia por indução para o receptor (106, 214, 2311, 2521), o transmissor (800) compreendendo uma primeira bobina de transmissão (218, 704, 810, 1504) como um primeiro eletrodo (204, 704, 810, 904, 1504) e um segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506), o primeiro eletrodo (204, 704, 810, 904, 1504) e o segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506) formando um capacitor (202, 802), o método (2600) caracterizado por compreender as etapas de:

aplicar (2602) uma tensão a qualquer um dos eletrodos (204, 206, 702, 704, 810, 812, 904, 906, 1504, 1506), - detectar (2604) uma variação de capacitância do capacitor (202, 802) . 2. MÉTODO ( 2600) , de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo transmissor (800) compreender ainda uma segunda bobina de transmissão (702, 812), em que a segunda bobina de transmissão (702, 812) é o segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506) .

3. MÉTODO (2600), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo segundo eletrodo (206, 702, 812, 906,

1506) do capacitor (202, 802) ser posicionado no centro da primeira bobina de transmissão (218, 704, 810, 1504).

4. MÉTODO (2600), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um enrolamento da primeira bobina de transmissão (218, 704, 810, 1504) compreender uma parte interna do enrolamento e uma parte externa do enrolamento, em que a parte interna do enrolamento é o primeiro eletrodo (204, 704, 810, 904, 1504) e a parte externa do enrolamento é o segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506).

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5. MÉTODO (2600), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo transmissor (800) compreender uma pluralidade de capacitores formados por uma pluralidade dos pares do primeiro eletrodo e do segundo eletrodo, o método (2600) compreendendo ainda as etapas de:

- detectar a variação da capacitância de cada um dentre a pluralidade de capacitores,

- determinar a posição do receptor (106, 214, 2311, 2521) dependendo de qual dentre a pluralidade de variação de capacitância dos capacitores foi detectada.

6. MÉTODO (2600), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela variação da capacitância detectada indicar que o receptor (106, 214,

2311, 2521) está próximo ao transmissor (800), e em que o método compreende ainda a etapa de ativar (2606) o transmissor (800) para que o transmissor (800) comece a se comunicar com o receptor (106, 214, 2311, 2521) ou transmitir energia para o receptor (106, 214, 2311, 2521).

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela variação da capacitância detectada indicar

que o receptor (106, 214 Λ 2311, 2521) está próximo ao transmissor (800) , e em que O método compreende ainda a etapa de ativar (2606) o transmissor (800) para que o transmissor (800) comece a se comunicar com o receptor (106, 214, 2311, 2521) ou transmitir energia para o receptor (106,

214, 2311, 2521).

8. TRANSMISSOR (800) PARA DETECTAR UM RECEPTOR (106, 214, 2311, 2521), o transmissor (800) sendo destinado a transmitir energia por indução para o receptor (106, 214, 2311, 2521), o transmissor (800) compreendendo:

uma primeira bobina de transmissão (218, 704,

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810, 1504) como um primeiro eletrodo (204, 704, 810, 904, 1504) e um segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506), o primeiro eletrodo (204, 704, 810, 904, 1504) e o segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506) formando um capacitor (202, 802), o transmissor sendo caracterizado por compreender: uma primeira unidade (216) para aplicar uma tensão a qualquer um dos eletrodos (204, 206, 702, 704, 810, 812, 904, 906, 1504, 1506),

- circuitos de detecção (212) conectados a qualquer um dos eletrodos (204, 206, 702, 704, 810, 812, 904, 906, 1504, 1506) do capacitor (202, 802) para detectar uma variação da capacitância do capacitor (202, 802) .

9. TRANSMISSOR (800), de acordo com a reivindicação

8, caracterizado por compreender ainda uma segunda bobina de transmissão (702, 812), em que a segunda bobina de transmissão (702, 812) é o segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506).

10. TRANSMISSOR (800), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo segundo eletrodo (206, 702, 812, 906, 1506) ser posicionado no centro da primeira bobina de transmissão (218, 704, 810, 1504) .

11. TRANSMISSOR (800), de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pela variação da capacitância detectada indicar que o receptor (106, 214,

2311, 2521) está próximo ao transmissor (800), e o transmissor (800) compreender uma segunda unidade para ativar o transmissor de modo que o transmissor (800) comece a se comunicar com o receptor (106, 214, 2311, 2521) ou transmita energia para o receptor (106, 214, 2311, 2521).

12. MÉTODO (2600) DE DETECÇÃO DE UM RECEPTOR

ATRAVÉS DE UM TRANSMISSOR (800) , em que o transmissor (800) destina-se a transmitir energia por indução para o receptor

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4/4 (106, 214, 2311, 2521), o transmissor (800) compreendendo uma primeira bobina de transmissão (218, 704, 810, 1504) como um eletrodo (220), o método compreendendo a etapa de:

- aplicar (2602) uma tensão ao eletrodo (220), o método caracterizado por compreender ainda as etapas de:

- detectar (2604) uma variação de capacitância de um capacitor formado pelo eletrodo (220) e um aterramento (222) ou formado pelo eletrodo (220) e o receptor.

13. TRANSMISSOR (800) PARA DETECTAR UM RECEPTOR, o transmissor (800) sendo destinado a transmitir energia por indução para o receptor (106, 214, 2311, 2521), o transmissor (800) compreendendo:

uma primeira bobina de transmissão como um primeiro eletrodo (220), uma primeira unidade (216) para aplicar uma tensão ao eletrodo (220), e o transmissor sendo caracterizado por compreender: circuitos de detecção (212) conectados ao eletrodo (220) para detectar uma variação de capacitância de um capacitor formado pelo eletrodo (220) e um aterramento (222) ou formado pelo eletrodo (220) e o receptor.