CZ35756U1 - Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací - Google Patents

Description

Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací, které je založeno na principu přímo buzené rezonance a je použitelné napříč obory, nicméně jeho hlavní použití spadá primárně do oblasti elektroniky a elektrotechniky.

Dosavadní stav techniky

V současné době je pro přenos elektrické energie, respektive pro nabíjení a napájení spotřebičů, využíváno standartní připojení, tedy formou přímého připojení daného spotřebiče k elektrorozvodné síti. To je využíváno zejména pro svou jednoduchost řešení, kdy však ona jednoduchost, je zároveň i zásadní nevýhodou. I přesto, že toto řešení podléhá příslušným normám například z hlediska bezpečnosti či výkonových nároků, existuje zde vždy reálné riziko jeho přerušení či oxidace, což vede k jeho nefunkčnosti. Z tohoto a dalších důvodů je nutné v mnoha oblastech využívat k přenosu energie cestu bezdrátovou, například v rámci nevhodného či nebezpečného prostředí, či z důvodu určitého pokroku či komfortu takového řešení.

V dnešní době již existuje možnost přenášet informaci bezdrátově, existují bezdrátová zařízení, která k přenosu informace nepotřebují vůbec žádné vodiče, ovšem jeden vodič je stále potřeba, ať již ke svému stálému napájení nebo k nabití baterie. Proto se jako nej novější technologie začíná objevovat bezdrátové napájení nebo nabíjení spotřebičů. Jedná se o nahrazení posledního vodiče, vedoucího k zařízení, a tudíž k jeho naprosté mobilitě a nezávislosti na kabelovém připojení. K bezdrátovému přenosu energie lze samozřejmě použít několik fyzikálních principů s různými vlastnostmi a samozřejmě s možností využití a nasazení do komerční sféry.

V současné době lze bezdrátový přenos energie v zásadě dělit na dvě skupiny. První patří do oblasti telekomunikací, jako je například rádio. Jde zde o přenos malého množství energie od vysílače k přijímači. Toto malé množství dokáže však v přijímači vyvolat nepatrnou změnu a tím rozpoznat kód. Přijímač zde musí mít vlastní zdroj energie, který je potřebný k jeho správnému fungování. Podle typu přenosu můžeme bezdrátový přenos dále rozlišovat na komunikaci optickou, rádiovou a sonickou. Optická komunikace pracuje na principu přenosu světla a je využívána v mnoha oblastech, například infračervená komunikace v dálkových ovladačích nebo čidlech. Rádiová komunikace se využívá především v televizních přenosech, vysílačkách, ale také i v dálkových ovladačích. Sonickou neboli zvukovou komunikaci využívají především ponorky a také samozřejmě verbální komunikace mezi lidmi. Příklady bezdrátové komunikace, kdy přijímače mají vlastní zdroj elektrické energie, a přenáší se pouze informace, jsou systémy označované jako Bluetooth, WI-FI, IrDA, elektromagnetické vlny, zejména laser a mikrovlny, tlumené vlny a magnetická rezonance.

Do druhé skupiny patří soustava vysílače a přijímače, kdy přijímač nedisponuje žádným vlastním zdrojem elektrické energie. To znamená, že vysílač vysílá energii, která je potřebná nejen k přenesení informace, ale i k napájení přijímače. Taková soustava ovšem musí mít vysokou účinnost, která by neměla být nižší než 70 %. Hlavními problémy výkonového přenosu je efektivita, která se s vzdáleností velmi výrazně snižuje, dále je to nebezpečí pro živé organismy, který by se vyskytovaly mezi vysílači a přijímači, což lze eliminovat použitím vhodné technologie. Do druhé skupiny pro výkonový přenos patří elektromagnetická indukce, což je nejběžnější bezdrátový přenos, který zároveň zajišťuje i přeměnu elektrické energie. Již dlouho se využívá ve velké energetice, počínaje generátory v elektrárnách, přes transformátory až po nabíječky mobilních telefonů. Její princip je již delší dobu znám, a proto vychází jako nej logičtější fyzikální princip pro bezdrátový přenos energie.

- 1 CZ 35756 UI

Když umístíme elektrický obvod do magnetického pole, pak tímto obvodem nebude procházet žádný elektrický proud, pokud se magnetické pole nebude v čase měnit, tedy je stacionární a pokud se elektrický obvod nebude pohybovat. Ovšem v obvodu začne procházet elektrický proud, pokud se smyčka začne pohybovat nebo se magnetické pole začne v čase měnit. Změnou magnetického pole se v cívce připojené k obvodu začne indukovat elektrické napětí a obvodem začne procházet indukovaný proud. To má za následek, že obvodem začne procházet proud i přes to, že kněmu nebyl připojen žádný zdroj. Tohoto jevu se již využívá a zařízení opírající se o uvedené principy jsou na trhu. Na principu elektromagnetické indukce pracují níže uvedené systémy.

Prvním je tak zvaný Qi standard, který se v zásadě skládá ze dvou zařízení, tedy z nabíjecí podložky, do níž je přiveden elektrický proud, a která pomocí své vestavěné cívky v okolním vzduchu vytváří proměnné magnetické pole, a dále dobíjeného zařízení, v jehož cívce se sekundárně opět indukuje střídavý elektrický proud. Nabíjené přenosné zařízení si ho dále usměrňuje a tuto přenesenou energii ukládá do svého akumulátoru. Systém je v současné době využíván v rámci technologie v dobíjení mobilních telefonů Systém Qi standartu lze taktéž zařadit do skupiny tak zvaného „blízkého pole“. Pracuje na principu vázaného indukčního přenosu energie. Účinnost takového přenosu je velmi vysoká, ale ovšem jen na krátké vzdálenosti. Na delší vzdálenosti je nepoužitelná kvůli vysokým ztrátám při přenosu, proto je indukční nabíjení vhodné například při položení zařízení na vysílací desku. Zařízení tohoto typu, která budou schopna přijímat bezdrátovou energii, mohou být i velmi malých rozměrů.

K zařízením, využívající principu elektromagnetické indukce, tedy označovaných jako systémy „blízkého pole“, patří také systém „Powermat“, který úspěšně nabízí bezdrátové nabíječky a pouzdra k některým mobilním zařízením, které dokážou bezdrátové nabíjení umožnit pomocí elektromagnetické indukce. Je uváděna účinnost nabíjení přes 90 %, což se dá srovnat s nabíjením pomocí kabelových nabíječek. Na nabíjecí „ploténku“, lze snadno položit mobilní telefon, přehrávač nebo ovladač a tím je tak velmi snadno nabíjet. Mobilní zařízení lze snadno uložit do pouzdra, které obsahuje přijímací cívku a jelikož je cívka zabudovaná do tenké destičky, lze ji zabudovat do pouzdra, a tak velmi snadno použít. Tento princip je velice jednoduchý, protože výrobci mohou destičku použít jako zadní kryt například mobilního telefonu, takže náklady na výrobu nebudou příliš vysoké a styl mobilního telefonu se nemusí nikterak měnit. Systém Powermat ale jde se svojí vizí dál a jejím dlouhodobějším cílem je budovat své nabíjecí destičky například do stolů v kancelářích nebo do kuchyňských linek. V kuchyni by pak naprosto zmizely všechny kabely, které jsou nevzhledné a v častých případech také překáží a obecně by se zlepšila i hygiena. Nejambicióznějším projektem je pak zabudování nabíjecích destiček přímo do zdí, podlah i stropů. Nemusely by se pak vůbec vrtat do zdi další přívodní kabely, žádný spotřebič by neměl žádné dráty, televizi by bylo možno jen upevnit na zeď a libovolně s ní manipulovat, odpadly by prodlužovací šňůry a pokoj by bylo možno libovolně přestavovat bez ohledu, kde jsou zabudovány zásuvky. Nehledě na ohromné snížení požárního rizika kvůli chybějícím prodlužovacím šňůrám a kabelům. Tento systém se bude montovat na palubní desky aut, a tak bezdrátově dobíjet přístroje i při cestování. Indukční podložky mohou být integrovány do opěrek sedaček, a tak mohou letiště nejen nabízet zdarma internet ale také snadnou možnost si dobít například mobilní telefon, a později i dokonce notebooky.

Dále stav techniky zahrnuje i nabíjecí podložku „Mat“, která je zařízením, které dokáže bezdrátově nabíjet přístroje, které položíte na podložku. Najednou dokáže nabíjet až tři zařízení. Uprostřed každé části je malý magnet, který dokáže přístroj udržet na správném místě, atak jej efektivně nabíjet. Samozřejmostí je zvukové a optické upozornění a automatické vypnutí nabíjení v případě, kdy je přístroj plně nabitý. Zatím neexistuje žádný standart pro bezdrátové nabíjení spotřebičů, a tak v žádném mobilním zařízení zatím nelze nalézt nabíjecí ploténky. Proto jsou vyráběna samostatná pouzdra, do kterých se příslušné zařízení vloží a je schopno přijímat energii přes nabíjecí ploténky. Takové pouzdra jsou velmi tenká a příliš nezvětšují rozměry ani hmotnost spotřebiče. Každé pouzdro je speciálně upraveno pro konektor konkrétního výrobce, takže není

- 2 CZ 35756 UI možné používat jedno pouzdro pro víc spotřebičů.

V neposlední řadě existuje například zařízení s názvem „PowerCube“. Jedná se o malé zařízení, které má v sobě zabudovanou nabíjecí destičku a také obsahuje šest konektorů, pomocí kterých můžete nabíjet bezdrátově další tisíce mobilních přístrojů. PowerCube má obrovskou výhodu, protože již nemusíte ke každému spotřebiči uchovávat nabíjecí kabely, všechny mobilní přístroje můžete nabíjet jen pomocí jedné malé krabičky. Zařízení se položí na nabíjecí ploténku „Mat“ a připojí se k němu mobilní zařízení a tím dojde k nabití zařízení.

Do této skupiny ve své podstatě patří i technické řešení podle patentu US 7880337, které také využívá principů indukčního nabíjení.

Všechny výše uvedené systémy, včetně systému Qi standard, lze, jak bylo již výše uvedeno, zahrnout do systému přenosu energie v rámci tak zvaného blízkého okolí, tedy oblasti v bezprostřední blízkosti antény. Všechny jejich výhody plynou ze skutečnosti, že k přenosu energie není třeba připojení síťového kabelu do síťové zásuvky. Nevýhodou je v zásadě účinnost přenosu, neboť i přesto, že tento systém je definován jako bezdrátový, tak pro funkčnost vyžaduje téměř kontaktní vzdálenost. Taje tedy pro takové nabíjení limitující, neboť každé zvětšení této vzdálenosti, respektive vzduchové mezery, účinnost systému zásadně degraduje. Z tohoto důvodu je u tohoto systému ve veřejných zdrojích uváděna vzdálenost do 4 cm, ve které je systém přenosu schopen. Navíc, vlivem vířivých proudů, vznikajících během jeho průběhu a majících za následek výrazný ohřev kovových materiálů, dochází k enormním ztrátám. To je také důvodem, proč zařízení, nabízená v komerční sféře, při kontaktní vzdálenosti deklarují účinnost, nepřesahující 50 %.

Třetí skupina zařízení pro přenos energie pracuje na principu rezonance, využívající k přenosu energie elektricky vázané dvojice rezonátorů na shodném kmitočtu a obvody, spojené prostřednictvím kapacitního posuvného proudu. V obecné rovině lze rezonanci definovat jako snahu systému kmitat na větší amplitudě, respektive při určitých frekvencích, než při ostatních frekvencích, tedy na tak zvaných „rezonančních frekvencích“. K rezonanci tedy následně dochází, pokud je systém schopen uchovávat a jednoduše převádět energii mezi dvěma nebo více jejími podobami. Rezonanční jevy se tedy vyskytují u všech typů kmitání a vln, tedy existuje i tak zvaná elektromagnetická rezonance. Do této podskupiny spadá řešení, dnes známé pod označením WiTricity. Jedná se o možnosti přenosu pomocí magnetické rezonance dvou magneticky buzených spirálových antén.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky jsou z podstatné části odstraněny zařízením podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že sestává ze zdroje, výkonové části zařízení, vysílače a přijímače, přičemž mezi zdrojem a výkonovou částí zařízení jsou paralelně zapojeny šířkou pulzů modulovaný zdroj a generátor budicích signálů, a kde první pracovní cívka vysílače je paralelně zapojena s prvním kondenzátorem a druhá pracovní cívka přijímače je paralelně zapojena s druhým kondenzátorem.

Generátor budicích signálů je výhodně nastaven se střídou v rozsahu od 50 do 52 %.

Šířkou pulzů modulovaný zdroj je výhodně spojen s třetí tlumivkou a s napěťovým regulátorem, který je spojen s generátorem budicích signálů, který přes předřadný odpor je spojen s prvním tranzistorem, který je spojen s prvním kondenzátorem a první pracovní cívkou vysílače. První kondenzátor může být proveden jako kondenzátorová baterie složená z devíti serio paralelně zapojených impulzních kondenzátorů.

Druhá pracovní cívka přijímače je výhodně spojena s druhým kondenzátorem, který je spojen

- 3 CZ 35756 UI s usměrňovacím můstkem, tvořeným čtyřmi diodami nebo čtyřmi tranzistory, který je dále spojen přes filtrační kapacitu se spotřebičem. Ke spotřebiči může být přiřazeno čidlo modulu zpětné vazby, které je bezdrátově propojeno s procesorem.

Před generátor budicích signálů může být předřazen řídicí procesor a za generátor budicích signálů může být zařazen ochranný optočlen a přes předřadný odpor jek němu dále připojena přes předřadný odpor a první tranzistor a druhý tranzistor první tlumivka a druhá tlumivka, přičemž mezi předřadný odpor a první a druhý tranzistor je zařazena Zenerova dioda.

Před výkonovou částí může být zapojen první izolační transformátor a za výkonovou částí může být zapojen druhý izolační transformátor, přičemž mezi prvním a druhým tranzistorem jsou zapojeny třetí a čtvrtý kondenzátor.

K šířkou pulzů modulovanému zdroji mohou být připojeny první a druhá tlumivka, které jsou dále spojeny s prvním kondenzátorem, který je dále spojen přes předřadný odpor s pátou diodou nebo se šestou diodou, které jsou připojeny k prvnímu tranzistoru nebo druhému tranzistoru, přičemž mezi pátou diodou a šestou diodou jsou zapojeny Zenerovy diody a první ochranný odpor a druhý ochranný odpor.

Mezi přijímač a vysílač může být vložen kovový předmět, přičemž jak vysílač, tak i přijímač sestávají z paralelních LC členů.

Je výhodné, pokud nejméně jeden z paralelních LC členů je vybaven feritovým elementem, zejména feritovým papírem nebo feritovým jádrem.

Výhodou tohoto systému je nejen jeho vysoká účinnost při kontaktní vzdálenosti, ale především samotná podstata vlastního řešení, spočívající v absenci nutnosti pevného spojení mezi zdrojem elektrické energie a spotřebičem. Navíc, systém je zcela bezpečný vůči živým tkáním, a sám o sobě nevytváří rušení, neboť emitor není modulován. To zásadně mění stávající podmínky a celkový pohled na využití elektrické energie napříč všemi oblastmi. Otevírá možnost jejího užití v místech, kde stávající řešení z hlediska prostředí není možné, je značně omezené nebo znamená velké finanční náklady či výrazný diskomfort. To se týká například vodotěsných aplikací, použití v prašném či kyselém prostředí, kdy mimo jeho zásadní použití v průmyslu, dopravě a komunikačních technologiích, má své jasné zastoupení i ve vojenské technice, stejně jako v oblasti zdravotnictví. Výhodou tohoto řešení proto není pouze jeho možnost jej implementovat jako prvek pro bezdrátové nabíjení a napájení do komunikační či vojenské techniky, osobních či nákladních vozidel, v rámci konstrukcí budov, a to případně i s armováním, či tak zvaných chytrých domácností, ale taktéž jeho využitelnost v rámci zásadního pokroku a inovace v oblasti zdravotnictví, zejména na úseku protetiky a kardiochirurgie.

Systém je současně možné používat pro bezdrátovou zabezpečenou datovou komunikaci, zejména v případě použití ve vojenském sektoru při řízení a sběru dat například z průzkumných dronů.

Zařízení podle technického řešení pracuje bezdrátově, kdy vzdálenost mezi zdrojem elektrické energie a spotřebičem lze měnit, či tvořit tak zvané „aktivní zóny“, ve kterých lze zařízení napájet a nabíjet, tedy například pokrýt plochu místnosti, a to vše bez ohřevu dotčených materiálů a vážných ztrát, systém lze provozovat i přes stínění a jak bylo výše uvedeno, lze jím nabíjet v desítkách kW. Lidé ani předměty nejsou přenášenou energií ovlivňovány.

Zařízení jev porovnání s dosavadními technickými řešeními výrazně jednoduššího provedení. Zapojení nepoužívá žádné gyrátory, ale používá přímo buzené LC členy, takže se jedná i o celkově levnější řešení. V případě systému podle technického řešení není k dosažení vysokého poměru Q stejná velikost LC Couplerů nutná, stejně tak ani použití stejné konstrukce LC Couplerů a materiálů u přijímacích a vysílacích částí zařízení. To znamená, že v některých

- 4 CZ 35756 UI konkrétních případech může být výhodné použití rozdílných materiálů pro vysílač a přijímač. Jedná se o řešení frekvenčně stabilní, které nereaguje na jakékoliv výkyvy na vstupním napětí, či teplotně závislému odporu.

Zařízení podle technického řešení vykazuje výrazně vyšší účinnost, respektive hodnotu Q přenosu mezi „LC Couplery“. Důvodem je skutečnost, že toto řešení užívá čisté, respektive jednoduché LC členy, a ne dvojice LC členů.

Umožňuje použít větší výkony na stejnou plochu, neboť užívá frekvence v řádech kHz, aneohřívá živé tkáně. Nepotřebuje vysoké vstupní napětí, ani „nakmitávat“ vysoké napětí na koncovém stupni, což je velká výhoda v oblasti bezpečnosti. Díky nízkému vstupnímu napětí neovlivňuje elektroniku, kdy v případě nutnosti stínění, je možné použit standardních postupů. V rámci přenosu lze nastavit místo, ve kterém bude účinnost přenosu nejvyšší, a to s ohledem na použitý materiál a geometrii LC Coupleru, což v praxi znamená, že v případě potřeby, si může nastavit vůči vzdálenosti, ve kterém bude nejvyšší účinnost přenosu energie. Zařízení je možné vzájemně řetězit a s ohledem na budoucí technologický pokrok v oblasti elektrotechniky lze říci, že bude možné jej řetězit nekonečnou řadou.

Podstatným rozdílem mezi systémem podle technického řešení a stávajícím stavem techniky u všech systémů na bázi „blízkého pole“ je poměr vzdálenosti ve vztahu k účinnosti systému. Obecně platí, že čím větší vzdálenost, tím se účinnost zmenšuje; v případě systému podle technického řešení ale již toto pravidlo neplatí tak lineárně; neboť systém podle technického řešení pracuje bez uzemnění a na již výše popsaných principech.

Zařízení podle technického řešení bylo vytvořeno za účelem bezdrátového nabíjení a napájení. Systém tak lze použít pro nabíjení či napájení zařízení jako jsou notebooky, mobilní telefony, powerbanky, ruční elektrické nářadí, elektrická vozidla, případně nabíjení a napájení věcí uvnitř vozidla a podobně.

Využití tohoto systému lze dále spatřovat na poli špičkové medicíny, kde systém najde využití především v rámci komunikace bez nutnosti konektorů a kabelů obecně, protože zásadní výhodou tohoto řešení je možnost lokálně distribuovat energii v určitém poli či místnosti a napájet konkrétní spotřebiče, bez nutnosti jejich dobíjení. Jako příklad lze uvést výše zmíněné umělé srdce, které ve standardním provedení vyžaduje neustálé připojení ke zdroji energie, respektive k baterii, přičemž naše řešení v podobě místnosti, jako vysílače a části oblečení za využití plošné antény z uhlíkových vláken, či napařenou mědí na uhlíkovém základu jako přijímače, by dokázalo standartní umělé srdce bezdrátově napájet a značným způsobem tak zvýšit komfort užití takového zařízení.

Tento systém také umožňuje spojení chytré elektroniky a lidského těla, přičemž není podstatné, jakou konkrétní elektroniku systém napájí. Lze jej také využít pro účely kapslové endoskopie, kde použitá sonda může být neustále napájena, a proto již nebude nutné spoléhat se na miniaturní baterii, což znamená, že bude možné pořídit mnohem kvalitnější záznamy. Další využití přímého bezdrátového napájení lze spatřovat ve speciálních aplikacích při vesmírných či hlubokomořských průzkumech, dále ve vojenském odvětví, případně v důlním průmyslu, přičemž v každém z těchto odvětví je kladen vysoký důraz na preciznost a dané situace neumožňují výměnu baterií nebo jejich užití je z technického hlediska velmi problematické.

Co se týká využití systému ve vojenském průmyslu, tak tento systém může představovat především nezanedbatelnou strategickou výhodu vůči nepříteli, a to třeba v případě využití dronů, jejichž maskované nabíjecí platformy umožní prakticky neomezenou dobu použití takového dronu, navíc lze prostřednictvím tohoto dronu dobíjet i další zařízení. Vzniká tak strategická převaha, která bude využitelná například u pěchotních oddílů, které tak budou mít neustále dostatek energie. Navíc systém lze namodulovat tak, že v rámci přenosu lze tímto systémem přenášet i data. Ty tak nebude možné za dané situace odposlouchávat či přenos narušovat. To

- 5 CZ 35756 UI samozřejmě znamená lepší přenos informací mezi vojenskými jednotkami či výhodu v krizových situacích, kdy bude nutné strategické informace ukrýt nebo přenést. Podstatnou výhodou tohoto řešení je skutečnost, že nepodléhá zkáze vlivem vody, prachu či chemickým vlivům, a to díky možnosti jeho kompletního zakrytí a izolace od vnějšího okolí.

O zásadní průlom v bezpečnosti a ekonomičnosti se může jednat také v důlním průmyslu, kde jsou vysoké nároky na zdroje. Konkrétně osvětlení a malé ruční nářadí bude možné díky bezjiskrovému systému dobíjet či přímo napájet bezdrátově, což sníží fyzickou zátěž a nároky na logistiku. Navíc, třeba vytvořením dobíječi stěny pro lampy, vysílačky, případně napojením na další rezonanční moduly, které dokážou pracovat zároveň jako přijímač i vysílač, se zajistí dobití potřebné techniky přímo v dole, bez nebezpečí jiskření a případného zažehnutí přítomných plynů.

Další příkladem použití tohoto zařízení je instalace systému na stožárové, ležaté či integrované typy vysílačů pro kompletní zasíťování a totální unifikaci přenosové techniky, čímž odpadne neustálý problém nekompatibility. Tímto se zajistí jednodušší a z hlediska tak zvaného elektrosmogu čistší prostředí, protože jakýkoliv typ vysílače může být laděn pro jakákoliv pásma a tím zahrne veškerou komunikaci, tedy TV, rádio, internet, výkonový přenos, satelitní přenos a další, aniž by docházelo k vzájemnému rušení. Tím také dojde k podstatnému snížení počtu supervýkonných antén, které znatelně přesahují povolené hodnoty SAR a přímo tak vytváří rádiový stín, nebezpečná pásma vysokofrekvenčních polí a nutnost jejich umístění mimo obydlené zóny. Tímto způsobem použití se také zmenší uhlíková stopa technologie jako konceptu. Dále je technologie připravena pracovat také v rámci sítí 5G, kde již není řešení přijímač a vysílač, ale všechny elementy pracují v obou režimech, tedy jako tzv. „repeatery“. V tomto případě je velkou výhodou praktická absence přetížení a obrovská ekonomická úsporu z hlediska spotřebovávané energie.

Objasnění výkresů

Příkladná provedení technického řešení jsou znázorněna na připojených výkresech, kde obr. 1 znázorňuje schematicky přenos energie pomocí Qi standardu v rámci stavu techniky, kde v případě vysílače a přijímače je uplatněn nízký kvalitativní koeficient, obr. 2 znázorňuje schematicky přenos energie pomocí systému či dvoj systému WiTricity v rámci stavu techniky, kde u vysílače a přijímače je uplatněna zdvojená soustava, uplatňující nízký a vysoký kvalitativní koeficient, obr. 3 znázorňuje schematicky přenos energie prostřednictvím vynálezu, který znázorňuje kombinaci přijímače a vysílače s vysokým kvalitativním koeficientem, obr. 4 znázorňuje snímek měření, ze kterého je patrná čistota vektoru na LC členu vysílače, generovaného pomocí systému, obr. 5 ukazuje snímek 3D vlny vytvořené pomocí pulzní šířkové modulace pulzů, obr. 6 schématicky znázorňuje zapojení LC členu, kde odpor je zapojen kvůli vlastnímu odporu L a C, obr. 7 schématicky zobrazuje variantu zapojení podle technického řešení s využitím přímo buzené resonance s paralelní dvojicí LC členů, obr. 8 schématicky znázorňuje variantu technického řešení s vlastním buzením s paralelním LC členem a indukčnostmi řídicí výkon, obr. 9 schématicky znázorňuje variantu technického řešení s výstupním transformátorem, obr. 10 schématicky zobrazuje základní variantu zapojení technického řešení, obr. 11 znázorňuje přenos od vysílače k přijímači pomocí opakovače a vytvoření aktivní zóny pro nabíjení a napájení, obr. 12 znázorňuje nákres možností rezonance v tak zvaném módu „repeater“, obr. 13 znázorňuje nákres jednoduchého použití systému podle technického řešení a obr. 14 znázorňuje nákres dalšího jednoduchého použití systému podle technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Technickým řešením je zařízení pro přenos energie pomocí přímo buzené rezonance, a to za pomocí dvojice LC členů. Za LC člen se považuje člen zahrnující kondenzátor a cívku, které mohou být zapojeny sériově nebo paralelně. Jeden z LC členů je buď vždy vysílač a druhý

- 6 CZ 35756 UI přijímač, nebo případně mohou být použity jako tak zvaný opakovač, kdy jsou LC členy zároveň vysílačem i přijímačem.

Systém pracuje bezdrátově, kdy vzdálenost mezi zdrojem elektrické energie a spotřebičem lze měnit, či tvořit tak zvané „aktivní zóny“, ve kterých lze zařízení napájet a nabíjet, tedy například pokrýt plochu místnosti, a to vše bez ohřevu dotčených materiálů a vážných ztrát, systém lze provozovat i přes stínění, a jak bylo výše uvedeno, lze jím nabíjet v desítkách kW například aku nářadí, notebooky, mobilní telefony a celou řadu dalších zařízení. Lidé ani předměty nejsou přenášenou energií ovlivňovány, protože systém nerezonuje nad poměr frekvence a výkonu omezené obecně přijímaným mezinárodním standardem.

Příklad 1

První příkladné provedení technického řešení je znázorněno schematicky na připojeném obr. 7. Zdrojem 46 přivedeme napětí do obvodu. Šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1 přivedeme kladné napětí na třetí tlumivku 22 a na napěťový regulátor 45, záporné napětí přivedeme na zem. Napěťovým regulátorem 45 nastavíme pracovní napětí procesoru 19 se zpětnou vazbou a generátoru 2 budicích signálů a ten přes předřadný odpor 3 vybudí hradlo prvního tranzistoru 5, což ho otevře a vyzkratuje třetí tlumivku 22 proti zemi a tím ji nabije. Po uzavření prvního tranzistoru 5 se třetí tlumivka 22 vybije přes první kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívku 10 vysílače 32 proti zemi. Tím se modul vysílače 32 nasytí energií a tento cyklus se dále opakuje nekonečně, až do přerušení zdroje 46 nebo odpojení na základě odpovědi čidla 18 modulu zpětné vazby. První kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívka 10 vysílače 32 se po nasycení energií dostanou do rezonance a z první pracovní cívky 10 vysílače 32 se uvolní energie v podobě longitudinální emise a tím přivede do rezonance druhou pracovní cívku 11 přijímače 34 a druhý kondenzátor 12 přijímače 34. ze kterých energie dále proudí do plného usměrňovacího diodového můstku, složeného z první diody 13, druhé diody 14, třetí diody 15 a čtvrté diody 16 a z těchto diod dále proudí usměrněné napětí skrze filtrační kapacitu 21. která vyhladí napětí a poskytne ho spotřebiči 17. Pro úpravu parametrů obvodu v reálném čase a optimální nastavení přenosu energie, je k celému obvodu dále připojeno čidlo 18 modulu zpětné vazby.

Toto zapojení se vyznačuje možností použití velmi vysokého napětí a zároveň se jedná o jednoduchou variantu s jedním prvním tranzistorem 5. Zapojení je v podstatě nemodulovaný zesilovač v třídě E.

K tomu je třeba uvést následující vysvětlení. Třída zesilovače je dána polohou pracovního bodu na převodní charakteristice tranzistoru. Převodní charakteristika je závislost kolektorového proudu na proudu báze. Zesilovače jsou z tohoto pohledu děleny do 3 skupin, první základní, tedy lineární, zahrnující třídy A, B, AB, C, druhé spínané, tedy impulsní, zahrnující třídy D, E, S, T a třetí další, tedy s preregulátorem, laděné, zahrnující třídy F, G, H. Zesilovače ve třídě D jsou zesilovače, pracující na principu pulsně šířkové modulace, odborně označované anglickou zkratkou PWM, kde je vstupní analogový signál přiveden na modulátor, a převeden na signál s obdélníkovým průběhem a proměnnou střídou. Jestliže je vstupní napětí nulové, střídaje 1:1. Tímto způsobem upravený signál budí spínací koncové tranzistory. Na výstupu bývá obvykle zařazen více pólový filtr LC, který umožňuje získat z PWM digitálního signálu opět signál analogový a zároveň potlačuje vyšší harmonické kmitočty, vyskytující se ve výstupním signálu. Koncové tranzistory pracují ve spínacím režimu, což znamená relativně malé výkonové ztráty a z toho plynoucí menší požadavky na chlazení a mnohem větší účinnost, než na jakou jsme zvyklí z Jednodušších“ zařízení třídy AB. Zesilovače třídy E jsou modifikací třídy D. Zesilovač třídy E má paralelní stejnosměrné napájení a jeho spínač zkratuje sběrný kondenzátor, který je napájen přes tlumivku. Spínač je ovládán vstupním signálem a je za ním umístěn LC obvod.

Paralelním koncovým stupněm uvedeného zapojení je první kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívka 10 vysílače 32. Pro ochranu řídicí elektroniky vkládáme do obvodu napěťový

- 7 CZ 35756 UI regulátor 45, což v tomto případě představuje měnič ze stejnosměrného na stejnosměrné napětí, tak zvaný „DC-DC měnič“, což je impulzní měnič, který funguje ve dvou módech, a to zvyšující nebo snižující napětí, jedná se obdobu transformátoru složenou z polovodičů, DC-DC měniče tvoří samostatnou skupinu zdrojů, která je dle konstrukce a použití velmi široká.

Základní definice stejnosměrných měničů je odvozena od změny výstupního napětí. Potřebujeme-li napájet obvody nižším napětím, než je napětí zdroje, musíme použít měnič se změnou napětí směrem dolů - tak zvaný snižující měnič označovaný též jako „buck“. Naopak potřebujeme-li získat vyšší napětí, než je napětí zdroje musíme použít měnič s napěťovou konverzí směrem nahoru - tak zvaný zvyšující měnič označovaný jako „boost“. Protože je při provozu měniče hladina vstupního napětí jiná než hladina výstupního napětí, může být u těchto obvodů požadavek na galvanickou izolaci. Pomocí DC-DC měniče nastavujeme optimální napětí pro hladký chod procesoru 19 se zpětnou vazbou a generátoru 2 budicích signálů a zároveň jeho použitím snížíme vlastní ztrátu obvodu, na místo použití napěťového stabilizátoru nebo výkonového rezistoru, což jsou značně neefektivní metody.

Použitý předřadný odpor 3 je klasický odpor z řad E24 1 W 10 Ω, omezuje proud a napětí o určité hodnotě odporu vyjádřené v Ohmech. Rada E24 je běžná produktová mezinárodní standarta, která označuje násobek. První tranzistor 5 může být jakýkoliv MOSFET neboli Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, odpovídající požadovanému výkonu. MOSFET je polem řízený tranzistor, u kterého je vodivost kanálu mezi elektrodami Source a Drain ovládána elektrickým polem vytvářeným ve struktuře kov - M, oxid - O, polovodič - S napětím přiloženým mezi Gate a Source. V našem případě je použitý typ IRF540 se stropem u 50 V a 40 A, vhodný pro vysokofrekvenční buzení. IRF540 je konkrétní typ tranzistoru s vlastní datovou tabulkou hodnot.

Použitá třetí tlumivka 22 je na jádru typu AMIDON, což je železoprachové neboli feritové toroidní jádro, s padesáti závity a indukčností 120 μΗ na 6 A. Její nastavení je v tomto obvodu kritické vůči rezonanční dvojici, tedy prvnímu kondenzátoru 9 vysílače 32 a první pracovní cívce 10 vysílače 32. Třetí tlumivka 22 určuje výkon obvodu a zároveň funguje jako omezení proudu a chrání obvod před zničením. Doporučuje se, aby třetí tlumivka 22 měla vlastní rezonanční frekvenci, blízko rezonanční frekvenci dvojice první kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívka 10 vysílače 32, čímž dosáhneme optimálního chodu obvodu. Samotný první kondenzátor 9 vysílače 32 je tvořen impulzní kondenzátorovou baterií, složenou z pěti kondenzátorů, každý o hodnotě 10 nF na 1000 V, v celkové hodnotě 50 nF na 1000 V, čímž je dosaženo optimálních podmínek pro první pracovní cívku 10 vysílače 32. která je konstruována jedním závitem nakrátko měděným drátem o hodnotě 0,6 μΗ. Tímto nastavením dosáhneme rezonanční frekvence 290,5 kHz. Schématické zapojení na obr. 7 se vyznačuje větší vzdáleností přenosu.

V případě, že bude první pracovní cívka 10 vysílače 32 a druhá pracovní cívka 11 přijímače 34 v dosahu blízkého pole antény, dojde z důvodu fázového posuvu proudu a napětí, k horšímu přenosu energie skrze neželezné kovové předměty. Fázový posuv je v tomto případě nepřímo úměrný vzdálenosti první pracovní cívky 10 vysílače 32 a druhé pracovní cívky 11 přijímače 34.

Zvýšení prostupnosti energetických polí, tedy zvýšení kvality přenosu vložením kovového předmětu, který není na schématickém obr. 7 znázorněn, mezi první pracovní cívku 10 vysílače 32 a druhou pracovní cívku 11 přijímače 34 není možné v případě, že jsou jejich blízká pole tak zvaně na dotyk. Naopak, za předpokladu, že jsou blízká pole první pracovní cívky 10 vysílače 32 a druhé pracovní cívky 11 přijímače 34. tak zvaně mimo dotyk, lze vložením kovového předmětu, který není na schématickém obr. 7 znázorněn, mezi první pracovní cívku 10 vysílače 32 a druhou pracovní cívku 11 přijímače 34, dosáhnout zvýšení prostupnosti energetických polí, tedy zvýšení kvality přenosu. K tomuto jevu dojde, protože vložení neželezného kovového předmětu mezi první pracovní cívku 10 vysílače 32 a druhou pracovní cívku 11 přijímače 34. ovlivní vzájemnou impedanci obvodu, posune napětí zpět k proudu a přenos se tak obecně zlepší.

- 8 CZ 35756 UI

Zvýšení prostupnosti energetických polí, tedy zvýšení kvality přenosu, lze dále dosáhnout vhodnou úpravou antén nebo výměnou druhého kondenzátoru 12 přijímače 34 na modulu přijímače 34 tak, aby byl jiné skladby, přičemž příkladem může být kondenzátorové pole o skladbě 6x2 kondenzátory, tedy 6 paralelních dvojic kondenzátorů, kdy každý z nich má hodnotu 200 nF, čímž dosáhneme celkové kapacity lOOnF s vysokou impedancí a možností vysoké impulzní zátěže. Změnou druhého kondenzátoru 12 přijímače 34 dojde ke změně impedance obvodu, dojde ke zlepšení kvality přenosu a zvýšení koeficientu Q blíže k 1, přičemž hodnotu Q=l, lze považovat za bezztrátový přenos. Druhou pracovní cívku 11 přijímače 34 a druhý kondenzátor 12 přijímače 34 tedy modul přijímače 34. je možné konstruovat symetricky, případně upravit podle výše zmíněných možností.

Z důvodu usměrnění střídavého napětí na stejnosměrné, je v obvodu zapojen plný usměrňovači diodový můstek, složený z usměrňovačích diod, první dioda 13, druhá dioda 14, třetí dioda 15 a čtvrtá dioda 16. Dále je v obvodu zapojena filtrační kapacita 21, která vyhladí napětí pro spotřebič 17. ze kterého čidlo 18 modulu zpětné vazby, odečítající proud a napětí na spotřebiči, dodává data generátoru 2 budicích signálů, a to pomocí technologie Bluetooth, případně pomocí jiného druhu radiokomunikace a řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou upraví parametry obvodu v reálném čase pro optimální chod zařízení.

Příklad 2

Druhé příkladné provedení technického řešení je znázorněno schematicky na připojeném obr. 8. Zdrojem 46 přivedeme napětí do obvodu. Šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1 přivedeme kladné napětí na řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou, generátor 2 budicích signálů, ochranný optočlen 30, první tlumivku 7 a druhou tlumivku 8. Záporný pól šířkou pulzů modulovaného zdroje 1 připojíme na zem. Po připojení napětí, z šířkou pulzů modulovaného zdroje 1, řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou, po vlastní inicializaci, vybudí generátor 2 budicích signálů, který začne přes ochranný optočlen 30 a předřadný odpor 3 střídavě otevírat a zavírat první tranzistor 5 i druhý tranzistor 6. V obvodu jsou připojeny dvě Zenerovy diody 4, jednaje připojena mezi hradla prvního tranzistoru 5 a zem, druhá je připojena mezi hradla druhého tranzistoru 6 a zem, přičemž obě Zenerovy diody 4 chrání hradla prvního tranzistoru 5 i druhého tranzistoru 6 proti přepěťovým špičkám a dopomáhají k jejich uzavření.

V první fázi cyklu proudí signál z generátoru 2 budicích signálů, přes polovinu ochranného optočlenu 30 a předřadný odpor 3, k hradlu prvního tranzistoru 5, který se tím otevře a dovolí vybití proudu druhé tlumivce 8, která je nabitá šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1, přičemž proud se z druhé tlumivky 8 vybije do prvního kondenzátoru 9 vysílače 32 a do první pracovní cívky 10 vysílače 32, dále prvním tranzistorem 5 až na zem, kde první fáze cyklu končí a první tranzistor 5 se zavře.

V druhé fázi cyklu proudí signál z generátoru 2 budicích signálů, přes ochranný optočlen 30 a předřadný odpor 3, čímž signál otevře druhý tranzistor 6, který tak přes první kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívku 10 vysílače 32, dovolí vybití první tlumivky 7 proti zemi, která byla nabitá šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1. Ve stejný moment dojde k nasycení druhé tlumivky 8, a to přes druhý tranzistor 6, který se poté uzavře a tím dokončí cyklus buzení, tedy plného nabití prvního kondenzátoru 9 vysílače 32 a první pracovní cívky 10 vysílače 32. Tímto jsou první kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívka 10 vysílače 32 uvedeny do stavu rezonance a spolu jako vysílač 32 uvolní energii v podobě longitudinální emise. Energie je dále zachycena rezonanční dvojicí, druhou pracovní cívkou 11 přijímače 34 a druhým kondenzátorem 12 přijímače 34, čili přijímačem 34, kde je zachycená energie převedena usměrňovacím diodovým můstkem, složeným z první diody 13, druhé diody 14, třetí diody 15 a čtvrté diody 16. ze střídavého proudu na stejnosměrný proud, který je dále využit spotřebičem 17. O celém stavu vlastní rezonance dostává řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou informace od čidla 18 modulu zpětné vazby a přijímače 34 bezdrátově, a to pomocí rádiovln, čímž řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou v reálném čase upravuje parametry dle potřeby pro optimální

- 9 CZ 35756 UI přenos energie z vysílače 32 na přijímač 34. Tento jev se neustále opakuje, dokud je připojen zdroj 46 nebo nedojde k přerušení přenosu ze strany řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou, případně uživatele.

V této variantě zápojem, řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou upraví střídu signálu pro první tranzistor 5 i druhý tranzistor 6, zároveň pracovní bod šířkou pulzů modulovaného zdroje 1 a tím i samotnou účinnost přenosu. Frekvence přenosu může být statická i dynamická. Pokud se přijímač 32 a vysílač 34 nacházející dále od sebe, jejich vzájemnou vzdálenost je třeba kompenzovat nastavením pracovního bodu, na šířkou pulzů modulovaném zdroji 1. V případě, že se přijímač 32 a vysílač 34 nachází v těsné blízkosti u sebe, je výhodnější upravit střídu signálu nebo jeho napěťovou úroveň, případně obojí, pro optimum mezi vyzářeným výkonem, ztrátou energie na obvodu a ztrátou energie na přenosu. Obecně lze tímto postupem upravit kvalitativní koeficient Q přenosu blíže k 1, přičemž hodnotu Q=l, lze považovat za bezztrátový přenos. Celý tento proces umožňuje kooperaci mezi řídicím procesor 19 se zpětnou vazbou, čidlem 18 modulu zpětné vazby a přijímačem 34 a tím úpravu parametrů buzení v reálném čase, na základě algoritmu, tedy softwaru řídicího procesoru 19 se zpětnou vazbou, který parametry upravuje dle aktuální zátěže a informací od čidla 18 modulu zpětné vazby. Čidlo 18 modulu zpětné vazby, které je součástí přijímače 34. posílá informace rádiovým přenosem zpět k vysílači 32, do řídicího procesoru 19 se zpětnou vazbou, který podstatné hodnoty, tedy střída, napěťová reference a šířka pulzu v reálném čase upraví. Selektuje tím také objekty, které nejsou vybaveny na příjem nebo jen nejsou kompatibilní. Tento obvod je velice stabilní a precizní z důvodu použití řídicího procesoru 19 se zpětnou vazbou, což odstraňuje disharmonie na přenosu, snižuje počet a vliv vyšších i nižších harmonických a zajištuje optimální parametry přenosu energie pro většinu zařízení, kde je vyžadována preciznost a stabilita v proměnlivém prostředí.

Zařízení je buzeno šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1, který zajišťuje optimální výkon obvodu a zároveň upravuje vlastnosti přenosu, čímž zajišťuje nízkou interakci s neželeznými kovovými předměty, nevytváří vířivé proudy, které by způsobovaly indukční ohřev, nezpůsobuje poškození zařízení přijímače 34. nezpůsobuje značné omezení výkonu ani značné zvýšení odběru v klidovém stavu. Zároveň toto řešení umožňuje, aby energie prostupovala některými neželeznými kovovými předměty, což umožňuje instalaci zařízení do kovových konstrukcí, jako například notebooku s hliníkovým tělem, aniž by docházelo k nechtěnému ohřevu. Jak je patrno z obr. 5, průběh signálu je spíše trojúhelníkového charakteru, než obvyklý sinusový průběh.

Jako řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou slouží jakýkoliv 8 až lóbitový procesor se sériovým portem standardu RS-232, případně jeho poslední variantou RS-232C, přičemž sériové porty se používají jako komunikační rozhraní osobních počítačů a další elektroniky. Sériový port standardu RS-232 umožňuje propojení a vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení, to znamená, že jednotlivé bity přenášených dat jsou vysílány postupně za sebou, neboli v sérii, po jednom páru vodičů v každém směru. Jako řídicí procesor 19 se zpětnou vazbou může být použit také jakýkoliv 8 až lóbitový procesor s UART komunikačním rozhraním, což je zkratka anglického Universal asynchronous receiver-transmitter, neboli univerzální asynchronní přijímač-vysílač, tedy počítačová součástka sloužící k ne synchronnímu sériovému přenosu, přičemž formát a rychlost tohoto přenosu jsou konfigurovatelné. Procesorem 19 se zpětnou vazbou se bude řídit generátor 2 budicích signálů v reálném čase a tím upravovat parametry buzení prvního tranzistoru 5 i druhého tranzistoru 6. Oba tyto tranzistory jsou buzeny přes ochranný optočlen 30 nebo jednočipový budič hradel, například typu IR2113, ale tento není na schématu zobrazen. První tranzistor 5 a druhý tranzistor 6 jsou typu IRFP250N, přičemž definice je uvedena výše v příkladu číslo 1.

Předřadné odpory 3 jsou běžné odpory řady E24 1 W 10 až 20 Ω, definice je uvedena v příkladu číslo 1. Zenerovy diody 4 jsou odvozeny z datových listů jednotlivých součástek, od maximální hodnoty Ugmax, což je maximální napětí hradla tranzistoru, v případě našeho zapojení od prvního tranzistoru 5 a druhého tranzistoru 6, maximální hodnota Ugmax bývá obecně 3 až 25 V.

- 10 CZ 35756 UI

První tlumivka 7 i druhá tlumivka 8 jsou navíjené na speciálních železoprachových jádrech typu AMIDON, definice uvedeného typu jádra je popsána v rámci příkladu číslo 1, přičemž obě uvedené tlumivky jsou dimenzované na výkon obvodu a zároveň fungují jako omezení proudu a tím i ochrana celého obvodu. V našem zapojení má první tlumivka 7 i druhá tlumivka 8 hodnotu 120 μΗ na 5 A.

První kondenzátor 9 vysílače 32 představuje kondenzátorovou baterii, která je složena z devíti polypropylénových impulzních kondenzátorů zapojených 3x3 sério-paralelně, každý o hodnotě 100 nF na 1600 V. Tato skladba umožňuje vysoké proudové zatížení a teplotní stabilitu.

První pracovní cívka 10 vysílače 32 je konstruovaná jako závit na krátko, měděnou trubičkou nebo litzovým drátem tak, aby odolala proudovému zatížení a byla optimalizovaná potřebám přenosu energie pro danou aplikaci. V našem případě jde o cívku o hodnotě 2uH, vycházející z obvyklého vzorce.

Přijímač 34 by měl být nejlépe zkonstruován symetricky oproti vysílači 32. Pokud to není možné, je třeba pracovat v poměrech 1:1, 1:2, 1:4, 1:8 a tak dále, což ale může v některých případech negativně ovlivnit kvalitu přenosu.

Usměrňovači diodový můstek, složený z první diody 13, druhé diody 14, třetí diody 15 a čtvrté diody 16, je možné konstruovat z běžných usměrňovačích diod nebo ze Shottkyho diod, což je speciální typ vysokorychlostní diody určené pro použití ve vysokofrekvenčních obvodech, tento typ diody je přesnější a obecně je tato dioda odolnější proti průrazu zpětným proudem, v některých případech mají menší sériový úbytek napětí na p-n přechodu, což je základní konstrukční prvek všech polovodičů a tím i menší ztráty na obvodu a lepší účinnost. Optimálním řešením by bylo použití usměrňovacího diodového můstku, složeného ze čtyř tranzistorů, protože úbytek napětí, by tak klesl až k 0,1 až 0,2 V, oproti běžné konstrukci s diodami, které mají úbytek napětí 0,7 až 1,2 V.

Čidlo 18 modulu zpětné vazby může být jakýkoliv druh wattmetru s možností měřit frekvenci se sériovo-rádiovou komunikací, například prostřednictvím technologie Bluetooth.

Příklad 3

Třetí příkladné provedení technického řešení je znázorněno schematicky na připojeném obr. 9. Zdrojem 46 přivedeme napětí do obvodu. Šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1 přivedeme kladné napětí na třetí tlumivku 22 a generátor 2 budicích signálů. Záporné napětí připojíme na zem. Generátor 2 budicích signálů začne po inicializaci generovat impulzy, které vybudí první izolační transformátor 23 a proti společné zemi začne první izolační transformátor 23 střídavě otevírat a zavírat hradla prvního tranzistoru 5 a druhého tranzistoru 6.

V první fázi se otevře první tranzistor 5, vybuzený generátorem 2 budicích signálů, přes první izolační transformátor 23 a energie začne proudit z třetího kondenzátorů 25, přes polovinu vinutí druhého izolačního transformátoru 24 a třetí tlumivku 22, až k zemi. Indukovaná energie na polovině druhého izolačního transformátoru 24 přejde do prvního kondenzátorů 9 vysílače 32 a první pracovní cívky 10 vysílače 32. Mezitím se nabíjí čtvrtý kondenzátor 43 a první tranzistor 5 se zavírá.

V druhé fázi se otevírá druhý tranzistor 6, vybuzený generátorem 2 budicích signálů, přes první izolační transformátor 23, čímž se energie uskladněná ve čtvrtém kondenzátorů 43 uvolní a začne proudit přes druhou polovinu druhého izolačního transformátoru 24 a třetí tlumivku 22, zpět proti zemi. Energie naindukovaná na druhém izolačním transformátoru 24 se uskladní v prvním kondenzátem 9 vysílače 32 a první pracovní cívce 10 vysílače 32. Tímto procesem se začne nabíjet třetí kondenzátor 25 a druhý tranzistor 6 se zavírá, čímž dojde k ukončení jednoho plného cyklu. První kondenzátor 9 vysílače 32, nabitý energií z obou fází, se dostane do rezonance

- 11 CZ 35756 UI s první pracovní cívkou 10 vysílače 32 a tím se uvolní energie v podobě longitudinální emise.

Tento typ zapojení je vhodnější v místech s nižšími nároky na přesnost či kvalitu přenosu nebo pro průmyslové využití, kde nevadí výskyt menších vířivých proudů, efekt zářivého pole antény, a kde není třeba extra vysokých frekvencí. Jde o relativně jednoduchou konstrukci s prvním tranzistorem 5 a druhým tranzistorem 6, přičemž oba jsou typu IRFZ44 nebo IRLB3034. Ochranný optočlen 30, předřadné odpory 3 a ochranné Zenerovy diody 4, nejsou v obvodu zapojeny z důvodu buzení prvním izolačním transformátorem 23, který sice do značné míry problémy s buzením hradel eliminuje, ale nelze ho použít všude, protože střída je prakticky pokaždé 50 % na 50 % nebo 1:1, což nemusí být vždy výhodné. Třetí kondenzátor 25 a čtvrtý kondenzátor 43, použité spolu s třetí tlumivkou 22. slouží jako regulace výkonu a omezení proudu. Třetí kondenzátor 25 i čtvrtý kondenzátor 43 mohou být elektrolytické nebo keramické, záleží na použitém vstupním napětí. V zásadě musí být schopny snést proudové zatížení a pro tyto účely je možné konstruovat kondenzátorové baterie na obě strany obvodu. V našem případě má třetí kondenzátor 25 i čtvrtý kondenzátor 43 hodnotu 3300 pF na 100 V.

Třetí tlumivka 22 omezuje proud obvodu a chrání tím komponenty před přetížením. V tomto případě má třetí tlumivka 22 hodnotu 150 μΗ.

Druhý izolační transformátor 24 je v poměru závitů 5:5:20, čímž získáme čtyřnásobně vyšší napětí, než je budicí, což je výhodnější kvůli nižším nárokům na proudové zatížení rezonanční dvojice vysílače 32, tedy prvního kondenzátoru 9 vysílače 32 a první pracovní cívky 10 vysílače 32. Zároveň je však třeba součástky dimenzovat, aby nominální napětí prvního kondenzátoru 9 vysílače 32 počítalo s napěťovými špičkami od druhého izolačního transformátoru 24 a nedošlo tak k proražení dielektrika prvního kondenzátoru 9 vysílače 32, což by mělo za následek zničení obvodu a nefunkčnost přenosu energie.

V obvodu je použit výkonný impulzní polypropylenový první kondenzátor 9 vysílače 32 o hodnotě 330 nF na 2500 V, určený do trvalého pulzního zatížení a první pracovní cívka 10 vysílače 32. která je tvořena měděnou trubičkou nebo plným drátem o indukčnosti 0,5 až 2 μΗ, čímž dostaneme rozsah frekvencí od 120 až 195 kHz.

Příklad 4

Čtvrté příkladné provedení technického řešení je znázorněno schematicky na připojeném obr. 10. Zdrojem 46 přivedeme napětí do obvodu a dále šířkou pulzů modulovaným zdrojem 1 přivedeme napětí na kladné a záporné svorky obvodu, a to tak, že kladnou svorku připojíme na první tlumivku 7 a druhou tlumivku 8, zápornou svorku připojíme na společný terminál neboli zem. Dále energie protéká přes předřadné odpory 3 na hradla prvního a druhého tranzistoru 5 a 6, přičemž jeden se otevře dřív a spustí se oscilace. Díky nepatrné rozdílnosti součástek při výrobě, není možné definovat, který z uvedených tranzistorů se otevře jako první. V první půlce cyklu se jeden z tranzistorů, tedy buď první tranzistor 5, nebo druhý tranzistor 6 otevře a proud začne protékat od šířkou pulzů modulovaného zdroje 1, přes první tlumivku 7 nebo druhou tlumivku 8, podle toho, který z uvedených tranzistorů se otevře jako první, dále proud protéká do prvního kondenzátem 9 vysílače 32, který může být konstruován jako kondenzátorová baterie.

Zároveň proud protéká přes druhou část symetrického obvodu na zem, přes předřadný odpor 3 a pátou diodu 26 nebo šestou diodu 27, přičemž v případě tohoto zapojení byly použity Schottkyho diody, jejichž definice je uvedena výše, v rámci příkladu číslo 2. Pátá dioda 26 i šestá dioda 27 jsou připojeny k hradlu prvního tranzistoru 5 nebo hradlu druhého tranzistoru 6, čímž jsou tyto tranzistory udržovány zavřené. Zároveň obvod jistíme proti vnitřní kapacitě tranzistorů anedovírání hradel prvního tranzistoru 5 a druhého tranzistoru 6, a to pomocí prvního ochranného odporu 28 nebo druhého ochranného odporu 29. Zenerovy diody 4 dále omezují nominální napětí na hradlech prvního i druhého tranzistoru 5 a 6 a chrání je proti přepětí. V druhé půlce cyklu se vše opakuje, avšak symetricky a opačně. V obvodu dojde po ukončení obou cyklů

- 12 CZ 35756 UI k nabití prvního kondenzátem 9 vysílače 32 a ten začne rezonovat s první pracovní cívkou 10 vysílače 32. Tím dojde k uvolnění energie v podobě longitudinální emise.

Použitý obvod je typ kolektorového rezonančního oscilátoru, který je výhodný pro jednoduchost, vlastní oscilaci a minimum potřebných součástek. První i druhá tlumivka 7 a 8 jsou v obvodu zapojeny pro udržení vysokofrekvenčních kmitů a mimo napájení obvodu, také pro omezení proudu na přijatelnou úroveň. Hodnota indukčnosti by měla být poměrně velká, například v rozsahu asi 2 až 10 mH. Pokud není použita žádná tlumivka, nebo má příliš malou indukčnost, obvod by mohl selhat při kmitání a obvod přestane pracovat. V obvodu jsou dále zapojeny předřadné odpory 3, což jsou běžné odpory řady E24 1 W 20 až 470 Ohm. Hodnota těchto odporů bude určovat, jak rychle budou první tranzistor 5 a druhý tranzistor 6 oscilovat a měla by mít rozumně nízkou hodnotu. Neměly by však být příliš malé, což znamená, že odpor by neměl klesnout pod hodnotu, která by blokovala oscilaci obvodu, protože se proud bude přes předřadný odpor 3 zkratovat na zem přes pátou diodu 26 nebo šestou diodu 27, ve chvíli, kdy bude otevřený tranzistor z druhé půlky obvodu. Pátá dioda 26 a šestá dioda 27 slouží k vybíjení hradel prvního a druhého tranzistoru 5 a 6 a tím umožňují oscilaci vždy jednoho tranzistoru z dvojice. Mělo by se jednat o diody s nízkým úbytkem napětí, takže hradla prvního i druhého tranzistoru 5 a 6 budou dobře vybitá a tranzistor se zcela zavře. Jmenovité napětí páté diody 26 a šesté diody 27 musí být dostatečné, aby odolalo nárůstu napětí v rezonančním obvodu, tedy v našem případě do 100 V. Proto jsou v obvodu použity právě Schottkyho diody. Do obvodu jsou dále zapojeny Zenerovy diody 4 se závěrným napětím u 16 V, proti přepěťovým špičkám a pro ochranu hradel prvního i druhého tranzistoru 5 a 6. Zároveň je do obvodu zapojen první ochranný odpor 28 a druhý ochranný odpor 29 o hodnotě 1 kH. pro odstranění vlivu vlastní kapacity hradla tranzistoru, nechtěným kmitům či deformace vstupního nebo výstupního signálu a zároveň slouží jako odporové děliče pro hradla prvního i druhého tranzistoru 5 a 6. První i druhý tranzistor 5 a 6 mají nominální napětí 100 V, 35 A a jsou typu MOSFET, jehož definice je uvedena výše vpřechozích příkladech. Oba uvedené tranzistory jsou připevněny na chladiče, i když tento obvod se vyznačuje spínáním v nule, takže prakticky nehřejí. Nejvhodnější tranzistory mají velmi nízký přechodový odpor mezi přechodovými vazbami gate-drain a drain-source, kvůli ztrátám a rychlé odezvě a možnosti použít vyšší frekvenci.

První kondenzátor 9 vysílače 32 a první pracovní cívka 10 vysílače 32 tvoří rezonanční obvod. Spolu musí odolat velkým impulzním proudům a teplotám. Pro uvedené zapojení bylo použito několik 330nF polypropylenových kondenzátorů, ze kterých byla vytvořena kondenzátorová baterie. První pracovní cívka 10 vysílače 32 musí být vyrobena z tlustého drátu nebo trubky, protože se v ní budou indukovat velké vysokofrekvenční proudy. Vhodné jsou měděné trubky či dráty, protože vysokofrekvenční energie proudí na povrchu cívky. Pro výkony nad 1 až 3 kW můžeme také použít chlazení vodou, kterou čerpáme anténou, což může být měděná trubička pro lepší teplotně-frekvenční stabilitu. K první pracovní cívce 10 vysílače 32 musí být paralelně připojen první kondenzátor 9 vysílače 32, aby byl vytvořen rezonanční obvod. Kombinace indukčnosti a kapacitance bude mít specifickou rezonanční frekvenci, na kterou se řídicí obvod automaticky naladí. Kombinace první pracovní cívky 10 vysílače 32 a prvního kondenzátorů 9 vysílače 32. použitá v uvedeném obvodu, rezonovala na hodnotě kolem 200 kHz. Tímto vytvoříme emisi longitudinální vlny, která pracuje jako nosná pro energii, ale zároveň jako provázání do rezonance s přijímačem 34 a vybuzením energie na jeho pracovní cívce, aniž by došlo k samotnému přenosu energie.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení je možno využívat pro účely bezdrátového nabíjení a napájení prakticky bez jakéhokoli omezení. Zařízení lze použít pro nabíjení či napájení zařízení jako jsou notebooky, mobilní telefony, powerbanky, ruční elektrické nářadí, elektrická vozidla, případně nabíjení a napájení věcí uvnitř vozidla a podobně.

- 13 CZ 35756 UI

Využití tohoto systému lze dále spatřovat na poli špičkové medicíny, kde systém najde využití především v rámci komunikace bez nutnosti konektorů a kabelů obecně, protože zásadní výhodou tohoto řešení je možnost lokálně distribuovat energii v určitém poli či místnosti a napájet konkrétní spotřebiče, bez nutnosti jejich dobíjení.

Claims (13)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací, které sestává ze zdroje, výkonové části zařízení, vysílače (32) a přijímače (34), vyznačující se tím, že mezi zdrojem (46) a výkonovou částí zařízení jsou paralelně zapojeny šířkou pulzu modulovaný zdroj (1) a generátor (2) budicích signálů, přičemž první pracovní cívka (10) vysílače (32) je paralelně zapojena s prvním kondenzátorem (9) a druhá pracovní cívka (11) přijímače (34) je paralelně zapojena s druhým kondenzátorem (12).
2. 2. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že výkonová část sestává z alespoň jednoho dvojčlenu, kde prvním dvojčlenem je první tranzistor (5) a první tlumivka (7) a druhým dvojčlenem je druhý tranzistor (6) a druhá tlumivka (8).
3. 3. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že generátor (2) budicích signálů je nastaven se střídou v rozsahu od 50 do 52 %.
4. 4. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že šířkou pulzu modulovaný zdroj (1) je spojen s třetí tlumivkou (22) a s napěťovým regulátorem (45), který je spojen s generátorem (2) budicích signálů, který přes předřadný odpor (3) je spojen s prvním tranzistorem (5), který je spojen s prvním kondenzátorem (9) a první pracovní cívkou (10) vysílače (32).
5. 5. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 4, vyznačující se tím, že první kondenzátor (9) je proveden jako kondenzátorová baterie složená z devíti sérioparalelně zapojených impulzních kondenzátorů.
6. 6. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá pracovní cívka (11) přijímače (34) je spojena s druhým kondenzátorem (12), který je spojen s usměrňovacím můstkem, tvořeným čtyřmi diodami (13, 14, 15, 16) nebo čtyřmi tranzistory, který je dále spojen přes filtrační kapacitu (21) se spotřebičem (17).
7. 7. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 6, vyznačující se tím, že ke spotřebiči (17) je přiřazeno čidlo (18) modulu zpětné vazby, které je bezdrátově připojeno s procesorem (19).
8. 8. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že před generátor (2) budicích signálů je předřazen řídicí procesor (19) a za generátor (2) budicích signálů je zařazen ochranný optočlen (30) a přes předřadný odpor (3) je k němu dále připojena přes předřadný odpor (3) a první tranzistor (5) a druhý tranzistor (6) první tlumivka (7) a druhá tlumivka (8), přičemž mezi předřadný odpor (3) a první a druhý tranzistor (5, 6) je zařazena Zenerova dioda (4).
9. 9. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že před výkonovou částí je zapojen první izolační transformátor (23) a za výkonovou částí je zapojen druhý izolační transformátor (24), přičemž mezi prvním a druhým tranzistorem (5, 6) jsou zapojeny třetí kondenzátor (25) a čtvrtý kondenzátor (43).
10. 10. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že k šířkou pulzu modulovanému zdroji (1) jsou připojeny první a druhá tlumivka (7, 8), které jsou dále spojeny s prvním kondenzátorem (9), který je dále spojen přes předřadný odpor (3) s pátou diodou (26) nebo se šestou diodou (27), které jsou připojeny k prvnímu tranzistoru (5) nebo druhému tranzistoru (6), přičemž mezi pátou diodou (26) a šestou diodou (27) jsou zapojeny Zenerovy diody (4) a první ochranný odpor (28) a druhý ochranný odpor (29).

    - 15 CZ 35756 UI
11. 11. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi přijímač (34) a vysílač (32) je vložen kovový předmět.

    5
12. 12. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 1, vyznačující se tím, že jak vysílač (32), tak i přijímač (34) sestávají z konstrukčně shodných paralelních LC členů.
13. 13. Zařízení pro bezdrátové napájení, nabíjení a přenos informací podle nároku 12, vyznačující se tím, že nejméně jeden z paralelních LC členů je vybaven feritovým elementem, zejména ίο feritovým papírem nebo feritovým jádrem.