ES2733089T3 - Dispositivo y método de transferencia de energía inductiva - Google Patents

Abstract

Disposición de circuito para transferir energía de forma inductiva con un oscilador (LC), una fuente de alimentación (N), que suministra energía al oscilador (LC), y con un medio (X1) para detectar la carga inductiva del oscilador, en donde la fuente de alimentación tiene una resistencia de entrada compleja y el medio (X1) está configurado de forma adicional para cambiar la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación (N) dependiendo de la carga del oscilador (LC), en donde la fuente de alimentación tiene un resistor en serie capacitivo (C1, R2), un rectificador (D1, D2, D3, D4) y un resistor de carga (R22, T2), en donde la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación está determinada sustancialmente por el resistor de carga (R22, T2) y el resistor en serie capacitivo (C1, R2), en donde el resistor de carga (R22, T2) se puede cambiar dependiendo de la carga del oscilador (LC) de manera que se reduzca el consumo de energía activa de la disposición de circuito con carga baja del oscilador (LC), y el oscilador tiene un elemento activo en forma de un transistor (T1), caracterizado porque la resistencia de carga se forma por al menos un resistor adicional (R22) y la trayectoria de conmutación de un interruptor controlable (T2), y la resistencia óhmica de la disposición formada por el al menos un resistor (R22) y el interruptor (T2) puede conmutarse y el medio (X1) para detectar la carga inductiva del oscilador determina la carga del oscilador (LC) en base a la amplitud o el promedio de la amplitud de la semionda negativa en el terminal del colector o en el terminal de base del transistor (T1).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y método de transferencia de energía inductiva

Campo de la invención

La invención se refiere a una disposición de circuito para la transferencia de energía inductiva para pequeños aparatos eléctricos, por ejemplo, para un cepillo de dientes eléctrico o una maquinilla de afeitar eléctrica.

Antecedentes de la invención

Los aparatos eléctricos pequeños operados con baterías se cargan, usualmente, en una estación de carga externa. Son particularmente populares las estaciones de carga sin contacto que tienen una fuente de alimentación y que transmiten energía eléctrica de forma inductiva desde la estación de carga hasta el dispositivo. Con este fin, se genera un campo magnético alternante en la estación de carga por medio de un oscilador que tiene un elemento de bobina y un elemento de condensador, en donde el elemento de bobina forma al mismo tiempo la bobina primaria de un transformador inductivo y la bobina secundaria del transformador se dispone en el dispositivo que se ha de cargar. Por lo tanto, se suele hacer referencia a la estación de carga como el lado primario y al dispositivo que se ha de cargar, como el lado secundario. El oscilador se amortigua mediante la salida de energía a través del campo magnético del transformador, de manera que la fuente de alimentación pueda proporcionar energía eléctrica en consecuencia.

Las estaciones de carga modernas suelen tener tres estados de operación. El primer estado es el modo de operación, en el que el lado secundario requiere energía permanentemente, por ejemplo, para operar el dispositivo o para cargar una batería recargable instalada en el dispositivo. El segundo estado es el modo de espera simple, en el que el dispositivo no está en la estación de carga, es decir, no se requiere energía. El tercer estado es el denominado modo de espera prolongado, en el que el dispositivo está en la estación de carga pero requiere energía solo ocasionalmente, por ejemplo, debido a que la batería recargable, aunque esté totalmente cargada, debe recargarse ocasionalmente para compensar la autodescarga o consumo interno del dispositivo. En el último caso, la estación de carga está prevista para conmutar hacia atrás y hacia adelante según sea necesario entre el modo de espera simple y el modo de operación. De este modo, el estado de operación de la estación de carga (lado primario) está determinado por la energía que requiera el aparato eléctrico pequeño (lado secundario).

Se sabe detectar el requisito de energía del lado secundario directamente en el lado secundario, para transmitir información correspondiente al lado primario y ajustar en consecuencia el oscilador, es decir, por ejemplo, el voltaje del emisor de base de un transistor que opera en el oscilador. Esta solución es bastante cara, debido a que requiere medios para transmitir la información desde el lado secundario al lado primario. Alternativamente, el requisito de energía del lado secundario podría determinarse midiendo el consumo de energía (lado primario) del oscilador y controlando el oscilador en consecuencia. Sin embargo, esta variante es menos adecuada para establecer una pluralidad de estados de operación, ya que debido al acoplamiento usualmente débil entre el lado primario y el secundario del transformador, el consumo de energía de la estación de carga solo se ve ligeramente influido por el consumo de energía del dispositivo.

Se sabe que una disposición de circuito sirve para impedir que se caliente una unidad de transmisión de energía eléctrica en un estado sin carga. Dicha disposición de circuito puede tener un oscilador Colpitts y un transistor de efecto campo entre el oscilador Colpitts y la tierra, en donde el voltaje de compuerta del transistor de efecto campo se reduce cuando se detecta un estado sin carga y, de este modo, se reduce el nivel de salida de la disposición de circuito. El documento JP 03-270655 describe, generalmente, una disposición de circuito de este tipo.

El documento GB 2094574 describe un cargador inductivo que tiene un diodo rectificador y un resistor complejo conectado delante de este.

El documento DE 19841 972 A1 describe un regulador en derivación de modo conmutado para un transformador de energía. Este último tiene un puente rectificador con un resistor complejo corriente arriba. Cuando se detecta una tensión excesiva por encima de un voltaje umbral, un disparador de Schmitt cortocircuita el rectificador.

El documento JP 10-189369 describe una parte de carga inductiva que tiene bobinas de lado primario conectadas en serie elaborada a partir de dos cuerpos de bobina separados, en donde una bobina de oscilador se sitúa en una región interior de la bobina de transmisión de lado primario.

La publicación DE 19934850 A1 describe una fuente de alimentación capacitiva que sirve como fuente de corriente constante, en donde la magnitud de la corriente constante suministrada se basa, al menos, en el requisito de corriente mínima de todos los consumidores operados permanentemente y en el requisito de corriente máxima de todos los consumidores encendidos.

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención es minimizar el consumo de energía del circuito en modo de espera por razones de eficacia energética (ver la directiva EU 205/32) y, por lo tanto, proporcionar una disposición de circuito para la transferencia de energía inductiva que, dependiendo de los requisitos de energía del lado secundario, puede ponerse de manera simple en un estado de operación con un consumo de energía reducido.

Solución según la invención

Este objeto se consigue mediante una disposición de circuito para transmitir energía de forma inductiva según la reivindicación 1.

La fuente de alimentación tiene un resistor en serie capacitivo, un rectificador y un resistor de carga y tiene una resistencia de entrada compleja que está esencialmente determinada por el resistor de carga y el resistor en serie capacitivo. El resistor de carga puede variar como función de la carga del oscilador, de manera que el consumo de energía activa de la disposición de circuito puede reducirse a una carga baja del oscilador (modo de espera).

Para cambiar el componente óhmico de la resistencia de entrada compleja, en una primera variante de la disposición de circuitos se puede proporcionar al menos un resistor óhmico y un interruptor controlable cuya trayectoria de conmutación se conecta de manera que pueda conmutarse la resistencia efectiva de la disposición formada por el al menos un resistor óhmico y el interruptor. Una conexión en serie de un resistor óhmico y un interruptor electrónico puede disponerse en la salida de la fuente de alimentación. En modo de espera, el interruptor se cierra de manera que la salida de la fuente de alimentación termina con una resistencia comparativamente pequeña y el voltaje de salida de la fuente de alimentación se reduce correspondientemente en comparación con el modo de operación durante el cual se abre el interruptor. Por lo tanto, también se reduce el consumo de energía activa de la disposición de circuito.

De una manera conocida como tal, el oscilador tiene un elemento activo en forma de transistor. Preferentemente, consiste en un oscilador Colpitts o Hartley o en un circuito de base común.

La disposición de circuito está diseñada de forma ventajosa para que el oscilador también oscile en modo de espera, pero con un consumo de energía reducido en comparación con el modo de operación. Esto es suficiente para reducir el consumo de energía de la disposición de circuito de la forma deseada. El medio para detectar la carga inductiva del oscilador por el lado secundario también está en modo de espera durante la operación, de modo que pueda detectarse inmediatamente que el lado secundario requiera más energía y que pueda adaptarse la energía del oscilador inmediatamente. Alternativamente, el medio para detectar la carga del oscilador y/o los osciladores en el modo de espera puede apagarse y encenderse de una manera controlada por el tiempo para reducir aún más el consumo de energía de la disposición de circuito.

El medio para detectar la carga inductiva del oscilador determina la carga del oscilador y, por lo tanto, el requisito de energía del lado secundario en base a una variable eléctrica que se produce en el oscilador, compara este con un valor de referencia y controla el interruptor controlable de manera que la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación cambie si es necesario dependiendo de la carga del oscilador. La variable eléctrica es, por ejemplo, la amplitud del voltaje del colector o el voltaje de base del transistor del oscilador y solo se detecta la amplitud o un promedio de la amplitud de la semionda negativa en el oscilador. Esto se debe a que la amplitud de la semionda negativa de la oscilación del oscilador cambia de manera particularmente fuerte como una función de la carga en el lado secundario.

El consumo de energía activa de la fuente de alimentación se reduce por la salida de la fuente de energía que está terminando con una resistencia relativamente pequeña por medio de un interruptor controlable. El requisito de energía del lado secundario se determina a partir de una variable eléctrica que se detecta en el oscilador. Para este propósito, la amplitud o un promedio de la amplitud de la semionda negativa se detecta en el oscilador, en comparación con un valor de referencia y la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación se cambia si es necesario.

Breve descripción de las figuras

La invención se explica en función de las realizaciones de ejemplo mostradas en los dibujos. En la descripción se mencionan otras variantes de la disposición de circuito. En los dibujos:

la Figura 1 es un diagrama en bloques de una disposición de circuito para la transferencia de energía inductiva;

la Figura 2 es una disposición de circuito con un oscilador Hartley según la presente invención;

la Figura 3 es otra disposición de circuito que no es de la invención con un oscilador Colpitts;

la Figura 4 es otra disposición de circuito más que no es de la invención con un oscilador Colpitts.

Descripción detallada de las figuras

El diagrama en bloques según la Figura 1 muestra una disposición de circuito con una fuente de alimentación N y un oscilador autooscilante LC, que sirve para generar un campo magnético alternante. El oscilador tiene una bobina que se usa para la transferencia inductiva de energía eléctrica desde el oscilador LC (lado primario) a un consumidor (lado secundario) que no se muestra en la figura, tal como un pequeño aparato eléctrico que contiene, para este propósito, una bobina receptora que puede acoplarse a la bobina del oscilador. El oscilador atrae energía eléctrica desde la red eléctrica V3 mediante la fuente de alimentación N, que tiene una resistencia de entrada compleja. Además, la disposición de circuito tiene un interruptor controlable T2 y un medio X1 para detectar la carga en el oscilador LC, medio que controla el interruptor T2. La resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación N puede conmutarse mediante el interruptor controlable T2 de tal manera que la disposición de circuito tome menos energía activa desde la red eléctrica V3 en un modo de espera que en un modo de funcionamiento. El interruptor controlable T2 puede realizarse, por ejemplo, mediante un relé o un transistor que pueda controlarse eléctrica u ópticamente.

En la disposición de circuito mostrada en la Figura 2, la fuente de alimentación incluye un condensador C1 como un resistor en serie capacitivo y un puente rectificador con diodos D1, D2, D3, D4 que, junto con un condensador C2, generan a partir del voltaje alternante de red eléctrica un voltaje directo suave, con el cual se opera el oscilador LC. El condensador C1 está conectado en paralelo a un resistor R2, que asegura que el condensador C1 se descargue después de que se haya desconectado la fuente de alimentación N de la red eléctrica V3. El resistor R2 tiene una resistencia óhmica relativamente alta en comparación con la resistencia efectiva del condensador C1, de tal manera que la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación N esté determinada esencialmente por la resistencia capacitiva del condensador C1.

Si la disposición de circuito se ha de poner en modo de espera, el resistor en serie capacitivo está conectado a tierra a través del puente rectificador y un transistor T2 y un resistor R22. Esto conmuta el consumo de energía de la disposición de circuito desde la red eléctrica a partir del intervalo de energía activa en la dirección del intervalo de energía reactiva, lo que permite conseguir por lo tanto una reducción del consumo de energía activa desde la red eléctrica. Si el transistor T2 está completamente conectado a su través, el resistor R22 y el condensador C1 limitan esencialmente la corriente. Si el valor de resistencia de R22 es cero, el oscilador está completamente desconectado del suministro de energía. La red principal experimenta entonces una carga reactiva puramente capacitiva. Preferentemente, sin embargo, el resistor R22 está dimensionado de tal manera que, cuando el transistor T2 esté conectado a su través, se establezca un voltaje en el condensador C2, voltaje que aún es suficiente para operar el oscilador, en donde, sin embargo, el oscilador oscila entonces solo con una amplitud reducida.

La disposición de circuito contiene, como oscilador LC, un oscilador Hartley en un circuito de base común que tiene como elemento activo un transistor T1. Para detectar la carga del oscilador por el lado secundario, se proporciona un medio X1, por ejemplo un microcontrolador, así como un diodo D15 y un divisor de voltaje, que se forma por los resistores R16 y R17. La semionda negativa del voltaje de base U_B del transistor T1 está presente en un extremo del divisor de voltaje R16, R17. Este voltaje U_B se introduce a través del diodo D15 y representa la carga del oscilador LC. Un voltaje positivo de referencia, producido por el microcontrolador X1, está presente en el otro extremo del divisor de voltaje R16, R17. El voltaje en la derivación central del divisor de voltaje R16, R17 se suministra al microcontrolador X1. El voltaje de base negativo U_B del transistor T1 se transforma mediante el divisor de voltaje R16, R17 en el intervalo de voltaje positivo, de forma que se puede comparar con un valor de referencia mediante el microcontrolador X1. El microcontrolador X1 controla el transistor T2 como una función del resultado de esta comparación. En lugar de la semionda negativa del voltaje de base, también puede evaluarse la semionda negativa del voltaje del colector U_C.

Se suministra energía al microcontrolador X1 desde la fuente de alimentación a través de un divisor de voltaje con un resistor R15, un diodo D14 y un transistor T5 incluso cuando el transistor T2 está conectado a su través y la disposición de circuito está en modo de espera. En cuanto detecta un mayor requisito de energía en el lado secundario, bloqueará nuevamente el transistor T2. El microcontrolador X1 puede estar dotado de un programa de control que enciende y apaga el transistor T2, por ejemplo, según un esquema de tiempo predeterminado.

Otra realización de la disposición de circuito descrita anteriormente utiliza un oscilador Colpitt en lugar del oscilador Hartley y/o un circuito individual para detectar la carga del oscilador, en lugar de un microcontrolador.

Para cambiar la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación, puede utilizarse de forma adicional una disposición de circuito como se muestra, por ejemplo, en la Figura 3 o 4.

En la disposición de circuito que no es de la invención, que se muestra en la Figura 3, la fuente de alimentación incluye una resistencia de entrada compleja cuyo componente capacitivo puede cambiarse dependiendo de la carga del oscilador. La fuente de alimentación incluye un resistor en serie capacitivo y un puente rectificador con diodos D1, D2, D3 y D4 que, junto con un condensador C2, generan a partir del voltaje alterno de la red eléctrica un voltaje directo suave con el cual opera el oscilador. El resistor en serie capacitivo tiene un condensador C7 y un condensador C1, al que se conecta en paralelo un resistor R2, que asegura que el condensador C1 se descarga después de que se haya desconectado la unidad de fuente de suministro N de la red eléctrica V3. Un interruptor electrónico que consiste en dos transistores conectados en serie M3, M4 y es parte de un optoacoplador se conecta en paralelo al condensador C7. El circuito paralelo del condensador C1 y el resistor R2 se conecta en serie al circuito paralelo del condensador C7 y los transistores M3, M4. El resistor R2 tiene una resistencia óhmica relativamente alta en comparación con la resistencia efectiva del condensador C1. La resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación N está determinada esencialmente por la resistencia capacitiva del condensador C1 cuando el interruptor electrónico está cerrado o por la resistencia capacitiva de los dos condensadores conectados en serie C1 y C7 cuando el interruptor electrónico está abierto.

Si la disposición de circuito se ha de colocar en modo de espera, el interruptor electrónico se abre, es decir, el diodo D12 del optoacoplador se apaga. Como resultado, el consumo de energía activa de la disposición de circuito desde la red eléctrica se reduce, pues la resistencia efectiva de los dos condensadores conectados en serie C1, C7 es sustancialmente mayor que la resistencia efectiva del condensador C1. La fuente de alimentación ahora consume casi solamente energía reactiva. Preferentemente, los condensadores C1, C7 están dimensionados de manera que, en modo de espera, se establezca un voltaje en el condensador C2, voltaje que todavía sea suficiente para operar el oscilador, en donde, sin embargo, el oscilador oscila entonces solo con una amplitud reducida.

La disposición de circuito contiene un oscilador Colpitts como oscilador en un circuito de base común, que tiene un transistor T1 como elemento activo. Para detectar la carga del oscilador por el lado secundario, se proporciona un circuito que tiene dos diodos D10, D13, dos resistores R13, R14, un condensador C6 y un transistor de conmutación M6. El cátodo del diodo D10 está conectado al colector del transistor T1. La semionda negativa del voltaje del colector U_C del transistor T1 se produce en el ánodo del diodo D10. Este voltaje representa la carga del oscilador LC. En lugar de la semionda negativa del voltaje del colector, también se puede evaluar la semionda negativa del voltaje de base U_B. El ánodo del diodo D10 se conecta a través del resistor R13 a un extremo del condensador C6 y al cátodo del diodo D13. El otro extremo del condensador C6 está conectado a tierra. El ánodo del diodo D13 está conectado al terminal de control del transistor de conmutación M6 y se conecta a tierra a través del resistor R14. La trayectoria de conmutación del transistor de conmutación M6 se conecta en serie al diodo D12 del optoacoplador y a al menos un resistor de limitación de corriente R18.

El transistor de conmutación M6 está bloqueado solamente si hay un voltaje negativo lo suficientemente grande en su terminal de control. Cuando hay una carga baja en el oscilador, se suministra un voltaje negativo lo suficientemente grande al terminal de control del transistor de conmutación M6 a través de los diodos D10 y D13 y el resistor R13, lo que tiene el resultado de apagar el diodo D12 del optoacoplador, de bloquear los transistores M3, M4 del interruptor electrónico y la resistencia de entrada compleja asume un valor grande.

Una variante de la disposición de circuito descrita anteriormente según la invención utiliza una disposición en serie de un transistor T2 y un resistor R22 en paralelo al condensador C2, como se muestra en la Figura 2, para cambiar la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación, en lugar del optoacoplador y el condensador C7.

La Figura 4 muestra otra disposición de circuito no inventiva con un oscilador Colpitts en un circuito de base común. Esta disposición de circuito está configurada para detectar la amplitud de voltaje negativo de la oscilación en el oscilador LC. Cuando la magnitud de la amplitud de voltaje negativo sobrepasa un valor predeterminado, es decir, en el caso del oscilador LC sin carga, una ramificación que tiene un diodo Zener D10 y un diodo D11 se vuelve conductiva y un transistor T3 se conecta a su través. Los transistores T4 y T5 pueden conectarse también entonces a su través cuando las magnitudes de sus voltajes de emisor de base sobrepasan un valor predeterminado. Los dos transistores T4 y T5 controlan un transistor de efecto campo T2 cuya trayectoria de conmutación está conectada en paralelo a un resistor emisor R5. Cuando T2 se conecta a su través, la resistencia efectiva Z en el emisor del transistor T1 se vuelve relativamente pequeña, de manera que la fuente de energía en el oscilador LC está al máximo. Sin embargo, el resistor en serie capacitivo C1 de la fuente de alimentación no está diseñado para una energía tan elevada, así que el voltaje salida de la fuente de alimentación y, por lo tanto, el consumo de energía activa de la disposición de circuito disminuye debido a que la salida de la fuente de alimentación ahora termina con demasiada poca resistencia.

Si la magnitud de la amplitud de voltaje negativo disminuye en comparación con un valor de referencia que se determina por el diodo Zener D10, esto es una indicación de una amortiguación más fuerte, es decir, de un mayor requisito de energía de lado secundario. El transistor T2 se bloquea y la resistencia efectiva Z en el emisor se vuelve comparativamente grande. Este es el estado de la operación de la disposición de circuito en la que el consumo de energía del oscilador se adapta al resistor en serie capacitivo C1 de la fuente de alimentación y la energía máxima es transferida al lado secundario.

Un diodo D9 en el colector del transistor T1 impide un posible reflujo de corriente del transistor T1, que sería en detrimento de la ramificación de diodo D10, D11, facilitando por lo tanto la capacidad de evaluación de la amplitud de voltaje negativo en el oscilador LC.

Además, se describe un método no reivindicado para transferir energía de forma inductiva desde una disposición de circuito (lado primario) hasta un aparato eléctrico pequeño (lado secundario), en donde la disposición de circuito comprende un oscilador para generar y emitir un campo magnético alternante y el requisito de energía del lado secundario puede determinarse a partir de una variable eléctrica detectable en el oscilador. Además, la disposición del circuito tiene una fuente de alimentación que tiene una resistencia de entrada compleja que reactiva el oscilador y un medio para detectar la carga inductiva del oscilador y cambiar la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación dependiendo de la carga del oscilador, en donde a una carga baja del oscilador, el consumo de energía activa de la fuente de alimentación se reduce cambiando la resistencia de entrada compleja. El consumo de energía activa de la fuente de alimentación se reduce uniendo la salida de la fuente de alimentación con una resistencia relativamente pequeña por medio de un interruptor electrónico. El requisito de energía del lado secundario se determina a partir de la amplitud o el valor promedio de la semionda negativa en un elemento activo (transistor) del oscilador.

Todas las variantes de las disposiciones de circuito descritas son particularmente adecuadas para usarse en estaciones de carga inductivas para aparatos eléctricos pequeños operados con baterías recargables, tales como cepillos de dientes eléctricos, maquinillas de afeitar o dispositivos de comunicación, tales como teléfonos móviles.

Claims (2)

1. REIVINDICACIONES

   i Disposición de circuito para transferir energía de forma inductiva con un oscilador (LC), una fuente de alimentación (N), que suministra energía al oscilador (LC), y con un medio (X1) para detectar la carga inductiva del oscilador, en donde la fuente de alimentación tiene una resistencia de entrada compleja y el medio (X1) está configurado de forma adicional para cambiar la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación (N) dependiendo de la carga del oscilador (LC), en donde la fuente de alimentación tiene un resistor en serie capacitivo (C1, R2), un rectificador (D1, D2, D3, D4) y un resistor de carga (R22, T2), en donde la resistencia de entrada compleja de la fuente de alimentación está determinada sustancialmente por el resistor de carga (R22, T2) y el resistor en serie capacitivo (C1, R2), en donde el resistor de carga (R22, T2) se puede cambiar dependiendo de la carga del oscilador (LC) de manera que se reduzca el consumo de energía activa de la disposición de circuito con carga baja del oscilador (LC), y el oscilador tiene un elemento activo en forma de un transistor (T1),

   caracterizado porque

   la resistencia de carga se forma por al menos un resistor adicional (R22) y la trayectoria de conmutación de un interruptor controlable (T2), y la resistencia óhmica de la disposición formada por el al menos un resistor (R22) y el interruptor (T2) puede conmutarse y el medio (X1) para detectar la carga inductiva del oscilador determina la carga del oscilador (LC) en base a la amplitud o el promedio de la amplitud de la semionda negativa en el terminal del colector o en el terminal de base del transistor (T1).
2. 2. Disposición de circuito según la reivindicación 1, caracterizada porque el oscilador (LC) es un oscilador Hartley o Colpitts.