ES2796650T3 - Método y aparato para la rectificación de alta eficiencia para diversas cargas - Google Patents

Método y aparato para la rectificación de alta eficiencia para diversas cargas Download PDF

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Abstract

Un aparato (10) para la conversión de potencia que comprende: una pluralidad de primeras redes de adaptación de impedancia (12) que se configuran para recibir una señal eléctrica; y una pluralidad de conversores de AC a CC (14), cada conversor de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC en comunicación con una red de adaptación de impedancia (12) de la pluralidad de primeras redes de adaptación de impedancia y configuradas para que puedan comunicarse con una carga (16), cada conversor de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) se configura para recibir una entrada que tenga un valor de impedancia que se hace coincidir con un valor de impedancia predeterminado asociado con ese conversor de AC a CC a diferentes niveles de potencia de entrada mediante el uso de la pluralidad de las primeras redes de adaptación de impedancia, en donde el aparato se configura para que pueda comunicarse con una entrada del aparato.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para la rectificación de alta eficiencia para diversas cargas
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención está relacionada con un método y un aparato para la conversión de potencia. Más específicamente, la presente invención está relacionada con un método y un aparato para la conversión de potencia con un conversor de AC a CC.
Descripción de la Técnica Relacionada
La técnica anterior ha demostrado que es posible proporcionar potencia a los dispositivos remotos mediante el uso de ondas electromagnéticas de Radiofrecuencia (RF). La transferencia inalámbrica de potencia se describe en gran detalle porW. C. Brown en la Patente de Estados Unidos 3114517, "Microwave Operated Space Vehicles", incorporado por referencia en la presente descripción, y dentro de otros numerosos artículos del autor declarado. La transferencia inalámbrica de potencia también se usa para proporcionar potencia a las tarjetas de Identificación por Radiofrecuencia (RFID). La potencia de RF transmitida es capturada mediante una antena y rectificada mediante el uso de varios de los circuitos descritos para proporcionar Corriente Continua (CC) a una carga. La Patente de Estados Unidos 3434678, "Microwave to DC Converter", incorporada por referencia en la presente descripción, describe un aparato para la conversión de potencia de microondas a CC mediante el uso de un circuito rectificador tipo puente que se muestra en la Figura 1.
Patentes más recientes como la Patente de Estados Unidos 6140924, "Rectifying Antenna Circuit" y la Patente de Estados Unidos 6615074, "Apparatus for Energizing a Remote Station and Related Method", ambas incorporadas por referencia en la presente descripción, describen los conversores de RF a CC que se implementan mediante el uso de configuraciones de un rectificador de duplicación de tensión como se muestra en la Figura 2.
La función de estos circuitos es aceptable cuando la potencia de entrada y la impedancia de carga son constantes. Sin embargo, las variaciones en la potencia de entrada o la impedancia de carga degradan la eficiencia de conversión general del circuito. La eficiencia de conversión se define como la potencia de CC de salida rectificada y dividida por la entrada de energía de Corriente Alterna (AC) al rectificador. En las Figuras 3 y 4, respectivamente, se muestran ejemplos de cómo los cambios en la resistencia de carga (o resistencia equivalente) y la potencia de entrada afectan la eficiencia de conversión.
Los cambios en la eficiencia de conversión del rectificador para diferentes potencias de entrada y carga de salida se describieron en la Patente de Estados Unidos 6212431, "Power Transfer Circuit for Implanted Devices", incorporado por referencia en la presente descripción, que enseña en la Columna 1 en las líneas 55-62 que al transferir energía inductivamente desde una bobina externa a un dispositivo implantado que "Desafortunadamente, ni la carga asociada con el dispositivo de implante ni la distancia de separación entre la bobina externa y la bobina del implante son constantes. Cada uno de estos parámetros son, en la práctica, variables, que pueden variar, por ejemplo, de 3 a 15 mm para la distancia de separación, y de 20 a 300 ohmios para la carga. Como resultado, rara vez se logra una transferencia de potencia óptima entre el dispositivo exterior y el dispositivo de implante. Por lo tanto, existe una condición de transferencia de potencia inferior a la óptima ..." En esta cita, la distancia de separación es análoga a cambiar la potencia de entrada al dispositivo implantado. La solución propuesta en la Patente de Estados Unidos 6212431 consiste en variar un parámetro correspondiente en la bobina de transmisión exterior para optimizar la transferencia de potencia desde la bobina de transmisión exterior a la bobina receptora implantada. La invención descrita en la Patente de Estados Unidos 6212431 implementa la solución en el transmisor, que limita el sistema a un receptor porque el transmisor debe variar su salida en función de un solo receptor. También, la Patente de Estados Unidos 6212431 no menciona un circuito rectificador y el efecto que esto puede tener sobre el método y el aparato presentado. Adicionalmente, la Patente de Estados Unidos 6212431 se basa en el acoplamiento inductivo, que permite que la bobina de transmisión vea la impedancia del dispositivo implantado de manera similar a reflejar la impedancia en el lado secundario de un transformador al lado primario. La invención descrita en la presente descripción no se basa únicamente en la transferencia de potencia inductiva o de campo cercano, sino que incluye la operación en el campo lejano donde no es posible reflejar la carga de recepción al lado de transmisión.
Las impedancias de carga variables también se examinan en la Patente de Estados Unidos 6794951, incorporado por referencia en la presente descripción, que describe un circuito de transmisión para ionizar gas para crear un plasma. El problema presentado es que la carga vista por el transmisor cambia en dependencia del estado del plasma en la cámara. Cuando no hay plasma presente, el transmisor ve un cierto valor de impedancia. Sin embargo, cuando hay plasma presente en la cámara, el transmisor ve un valor de impedancia diferente. Para prevenir este problema, la Patente de Estados Unidos 6794951 propone un circuito de adaptación de doble impedancia, que se controla mediante un sistema de selección de interruptor. Durante el modo de inicio, el primer circuito de adaptación de impedancia se usa para adaptación cuando no hay plasma presente en la cámara. Durante el modo de funcionamiento, el segundo circuito de adaptación de impedancia se usa para adaptar el sistema con plasma en la cámara. La solución presenta una forma de manejar valores de carga discretos en un transmisor de RF. Esta solución se limita al lado de transmisión, debe conocer los valores de impedancia discretos observados durante los múltiples modos con el fin de diseñar las redes de adaptación de impedancia, debe tener una conmutación activa para controlar la red de adaptación y se diseña para proporcionar una salida de RF.
El documento EP 0520500 describe un rectificador polifásico de alta frecuencia.
Breve resumen de la invención
La presente invención proporciona un aparato para convertir potencia de acuerdo con la reivindicación 1 y un método para alimentar una carga de acuerdo con la reivindicación 34. Las modalidades preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes. En detalle, el aparato comprende al menos una red de adaptación de impedancia que recibe una señal eléctrica. El aparato comprende una pluralidad de conversores de AC a Cc en comunicación con al menos una primera red de adaptación de impedancia y configurados para comunicarse con una carga, cada conversor de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC configurados para recibir una entrada que se hace coincidir con un valor de impedancia predeterminado a diferentes niveles de potencia de entrada mediante el uso de al menos una primera red de adaptación de impedancia, en donde el aparato se configura para comunicarse con una entrada.
La presente invención se refiere a un método para alimentar una carga. El método comprende las etapas de la recepción de una señal eléctrica en una red de adaptación de impedancia, la red de adaptación de impedancia (12) en comunicación con una pluralidad de conversores de AC a CC; selección de uno o más conversores de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC con un valor de impedancia predeterminado para diferentes niveles de potencia de entrada que coincida con el nivel de potencia de la señal eléctrica. Existe la etapa de convertir la señal en uno o varios conversores de AC a CC seleccionados de la pluralidad de conversores de AC a CC; y proporcionar corriente a la carga en comunicación con la pluralidad de conversores de AC a CC.
Existe la etapa de proporcionar corriente a la carga en comunicación con la pluralidad de conversores de AC a CC.
La presente invención se refiere a un aparato para la conversión de potencia. El aparato comprende al menos dos primeras redes de adaptación de impedancia; un selector configurado para recibir una señal eléctrica y para dirigir la señal eléctrica a una o varias de las primeras redes de adaptación de impedancia al menos de las dos primeras redes de adaptación de impedancia; al menos un conversor de Ac a CC al menos en comunicación con las dos primeras redes de adaptación de impedancia; y un combinador en comunicación eléctrica con las primeras redes de adaptación.
La presente invención se refiere a un aparato para la conversión de potencia. El aparato comprende una interfaz de entrada y un solo conversor de AC a CC; al menos dos elementos no lineales, en donde al menos los dos elementos no lineales tienen características diferentes.
Breve descripción de las distintas vistas de los dibujos
La Figura 1 es una representación esquemática de un circuito rectificador tipo puente de la técnica anterior.
La Figura 2 es una representación esquemática de un rectificador de duplicación de tensión de la técnica anterior. La Figura 3 es un gráfico de la eficiencia de un rectificador de la técnica anterior con respecto a la resistencia de carga normalizada donde el valor óptimo se normaliza a uno.
La Figura 4 es un gráfico de la eficiencia de un rectificador de la técnica anterior con respecto a la potencia de entrada normalizada donde el valor óptimo se normaliza a uno.
La Figura 5 es un gráfico de la eficiencia del conversor CC a CC de la técnica anterior con diversas cargas resistivas. La Figura 6 es un gráfico de la eficiencia de conversión de AC a CC de la presente invención con diversas cargas resistivas.
La Figura 7 es una representación esquemática de un circuito equivalente simplificado para la entrada de un conversor de AC a CC.
La Figura 8 es una representación esquemática de un circuito equivalente simplificado para la salida de un conversor de AC a CC.
La Figura 9 es un diagrama de bloques de la presente invención con una carga fija y una potencia de entrada variable. La Figura 10 es un diagrama de bloques de una carga fija en el valor óptimo con una potencia de entrada variable cuando se usan los bloques del selector pasivo y el combinador.
La Figura 11 es un diagrama de bloques de la presente invención con una carga variable y una potencia de entrada fija.
La Figura 12 es un diagrama de bloques de un conversor de AC a CC con dos redes de adaptación que se usan para la selección activa mediante el bloque selector.
La Figura 13 es un diagrama de bloques de la presente invención con una carga variable y una potencia de entrada variable.
La Figura 14 es un gráfico de la eficiencia de AC a CC con respecto a la resistencia de carga normalizada, corriente de carga, o potencia de entrada para la presente invención donde el valor óptimo más bajo se normaliza a uno.
La Figura 15 es un diagrama de bloques de la presente invención usado para cargar o recargar una batería con una eficiencia de conversión casi óptima en un amplio intervalo de niveles de potencia de entrada.
La Figura 16 es un diagrama de bloques de la presente invención con circuitos de monitorización de tensión después del combinador.
La Figura 17 es un gráfico de la eficiencia de conversión de RF a CC de la presente invención en comparación con la técnica anterior.
La Figura 18 es un diagrama de bloques de las múltiples trayectorias que existen para la conversión.
La Figura 19 es un diagrama de bloques de un rectificador de onda completa, de un solo diodo usado con la presente invención.
La Figura 20 es un diagrama de bloques de un rectificador de media onda, de un solo diodo usado con la presente invención.
La Figura 21 es un diagrama de bloques de una modalidad del aparato de la presente invención que se fabricó en una placa de circuito impreso.
La Figura 22 es un gráfico de datos SWR de entrada medidos para la modalidad de la invención mostrada en la Figura 21 para diferentes niveles de potencia de entrada a 905,8 MHz.
La Figura 23 es un gráfico de la impedancia de entrada medida para la modalidad de la invención mostrada en la Figura 21 para diferentes niveles de potencia de entrada a 905,8 MHz.
La Figura 24 es un gráfico de la impedancia de entrada medida para la modalidad de la invención que se muestra en la Figura 21 para diferentes niveles de potencia de entrada a 905,8 MHz en donde las impedancias dentro del círculo de la carta de Smith corresponden a valores de SWR de menos de 2,0.
La Figura 25 es otra modalidad de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Se obtendrá una comprensión completa de la invención a partir de la siguiente descripción en relación con las figuras de los dibujos acompañantes en donde los caracteres de referencia similares identifican partes similares a lo largo de todas las figuras.
Para propósitos de la descripción de aquí en adelante, los términos "superior", "inferior", "derecho", "izquierdo", "vertical", "horizontal", "parte superior", "parte inferior", y derivados de los mismos se relacionan con la invención como están orientados en las figuras de los dibujos acompañantes, los cuales ilustran una o más modalidades ilustrativas. Sin embargo, se debe entender que la invención puede asumir variaciones alternativas y secuencias de etapas variadas, excepto donde se especifique expresamente lo contrario. Debe entenderse además que los dispositivos y procesos específicos ilustrados en los dibujos que se anexan, y se describen en la siguiente especificación, son simplemente modalidades ilustrativas de la invención. Por lo tanto, las dimensiones específicas y otras características físicas relacionadas con las modalidades descritas en la presente descripción, no deben considerarse como limitantes.
Con referencia ahora a los dibujos en donde los numerales de referencia similares se refieren a partes similares o idénticas a lo largo de las diversas vistas, y más específicamente a la Figura 9 de las mismas, en donde se muestra un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende al menos una primera red de adaptación de impedancia 12 que recibe una señal eléctrica. El aparato 10 comprende una pluralidad de conversores de AC a CC 14 en comunicación con la primera red de adaptación de impedancia 12 y configurados para comunicarse con una carga 16, en donde el aparato 10 se configura para comunicarse con una entrada.
Preferentemente, hay una pluralidad de primeras redes de adaptación de impedancia 12 en comunicación con la pluralidad de los conversores de AC a CC 14. El aparato 10 incluye preferentemente un selector 18 para dirigir la señal a las primeras redes de adaptación de impedancia 12. Preferentemente, el selector 18 es activo o pasivo.
El aparato 10 incluye preferentemente un combinador 20 conectado a la pluralidad de conversores de AC a CC 14 para combinar salidas de los conversores de AC a CC 14. Preferentemente, el combinador 20 es activo o pasivo. La pluralidad de conversores de AC a CC 14 define preferentemente una pluralidad de trayectorias de AC a CC 22, donde cada trayectoria se optimiza para una característica dada. El aparato 10 puede incluir una segunda red de adaptación de impedancia 24 que se configura para coincidir con una impedancia del aparato 10 con una impedancia de la entrada. Preferentemente, cada trayectoria de AC a CC 22 se hace coincidir con un valor de impedancia predeterminado. Cada trayectoria de AC a CC 22 tiene preferentemente una resistencia de salida diferente. Cada entrada de un conversor de AC a CC 14 puede hacerse coincidir con un valor de impedancia predeterminado a diferentes niveles de potencia de entrada al menos mediante el uso de una primera red de adaptación de impedancia 12.
En una modalidad, cuando el selector 18 está activo, puede haber una unidad de control del selector 26 que selecciona el conversor de AC a CC apropiado 14 en función del nivel de potencia de entrada o de la resistencia de carga 16. Puede haber un combinador 20 conectado a la pluralidad de conversores de AC a CC 14 y para combinar las salidas de los conversores de AC a CC 14, en donde el combinador 20 está activo e incluye una unidad de control del combinador 30. La unidad de control del selector 18 y la unidad de control del combinador 20 pueden ser la misma unidad de control.
En otra modalidad, la resistencia de salida de uno de los conversores de AC a CC 14 se diseña para estar en o cerca de una resistencia discreta en la que la carga 16 está en o cerca durante algún tiempo; y otra de las resistencias de salida de los conversores de AC a CC 14 se diseña para estar en o cerca de una resistencia discreta diferente a la que la carga 16 está en o cerca durante otro tiempo.
Cada uno de los conversores de AC a CC 14 puede tener una resistencia de salida diferente correspondiente a una carga óptima asociada 16. La impedancia de entrada de uno de los conversores de AC a CC 14 puede hacerse coincidir con un valor predeterminado a un nivel de potencia, y la otra impedancia de entrada de los conversores de AC a CC 14 se corresponde con otro valor predeterminado a un nivel de potencia diferente.
La carga puede ser una batería 32 con la cual cada conversor de AC a CC 14 está en comunicación eléctrica y cada trayectoria de AC a CC 22 se optimiza para un nivel de potencia de entrada específico y resistencia de carga 16, como se muestra en la figura 15. Puede haber un circuito de monitoreo de tensión 34 conectado entre la pluralidad de conversores de AC a CC 14 y la batería 32 y asegura que un nivel de tensión permanezca dentro de un intervalo específico, como se muestra en la figura 16. Puede haber una placa de circuito impreso 36 sobre la cual se colocan la pluralidad de conversores de AC a CC 14 y al menos una primera red de adaptación.
En otra modalidad, el aparato 10 se incluye en un recolector de energía 38 que produce la señal eléctrica. El recolector de energía 38 puede incluir una antena 48, un elemento piezoeléctrico 50, una celda solar, un generador, un recolector de vibraciones, un recolector acústico o un recolector de viento, como se muestra en la figura 25. Al menos uno de la pluralidad de conversores de AC a CC 14 puede ser un rectificador de onda completa de un solo diodo 40 o un rectificador de media onda de un solo diodo 42, como se muestra en las figuras 19 y 20, respectivamente. Al menos uno de la pluralidad de conversores de AC a CC 14 puede ser un duplicador de tensión.
La carga 16 puede incluir al menos un elemento de almacenamiento de potencia 44 en comunicación eléctrica con al menos uno de los conversores de AC a CC 14. La carga 16 puede fijarse en o estar cerca de la resistencia óptima de la carga 16, y la señal eléctrica proporciona una potencia de entrada que es variable, como se muestra en la figura 10 La carga 16 puede ser variable y la señal eléctrica proporciona una potencia de entrada que es fija, como se muestra en la figura 11. Alternativamente, la carga 16 es variable y la señal eléctrica proporciona una potencia de entrada que es variable, como se muestra en la figura 13. La carga 16 puede ser un LED.
La presente invención se refiere a un método para alimentar una carga 16. El método comprende las etapas de recepción de una señal eléctrica en una red de adaptación de impedancia. Existe la etapa de convertir la señal mediante el uso de una pluralidad de conversores de AC a CC 14 en comunicación con la red de adaptación de impedancia. Existe la etapa de proporcionar corriente a la carga 16 en comunicación con la pluralidad de conversores de AC a CC 14.
Preferentemente, la etapa de recepción incluye la etapa de recepción de la señal eléctrica en una pluralidad de redes de adaptación de impedancia en comunicación con la pluralidad de conversores de AC a CC 14. Preferentemente, existe la etapa para dirigir la señal con un selector 18. Preferentemente, el selector 18 es activo o pasivo.
Puede existir la etapa de combinar salidas de la pluralidad de los conversores de AC a CC 14 con un combinador 20 conectado a la carga 16. Preferentemente, el combinador 20 es activo o pasivo.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % para un intervalo de potencia de entrada que abarca al menos 20 dB.
Preferentemente, el conversor de AC a CC 14 se usa en un recolector de energía 38. El recolector de energía 38 puede incluir una antena 48. Alternativamente, el recolector de energía 38 puede incluir un elemento piezoeléctrico 50.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % para un intervalo de carga resistiva 16 que abarca al menos 100 veces un valor mínimo predeterminado.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % cuando se recarga un dispositivo de almacenamiento de carga para un intervalo de potencia de entrada que abarca al menos 20 dB.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende los medios para recolectar una señal de entrada que incluye los medios para realizar la conversión de AC a c C que proporciona una eficiencia de conversión de la señal de entrada de al menos un 50 % cuando se recarga un dispositivo de almacenamiento de carga para un intervalo de potencia de entrada que abarca al menos 20 dB. Los medios para la conversión de AC a CC pueden ser un conversor de AC a CC 14. Los medios para la recolección de una señal pueden ser un recolector de energía 38.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia, como se muestra en la figura 12. El aparato 10 comprende al menos dos primeras redes de adaptación de impedancia 12 que reciben una señal eléctrica. El aparato 10 comprende un combinador 20 en comunicación eléctrica con las primeras redes de adaptación. El aparato 10 comprende al menos un conversor de AC a CC 14 en comunicación con las primeras redes de adaptación de impedancia 12 a través del combinador 20. Preferentemente, el combinador 20 es un interruptor.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14. El aparato 10 comprende al menos dos elementos no lineales, en donde al menos los dos elementos no lineales tienen características diferentes.
Preferentemente, al menos los dos elementos no lineales comprenden uno o varios de los siguientes, diodos, mosfet o transistores. Las diferentes características preferentemente incluyen diferentes impedancias o diferentes resistencias.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada que tiene al menos dos picos de eficiencia.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % para un intervalo desde una distancia predeterminada hasta diez veces la distancia.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 configurado para recibir una primera potencia de entrada a una primera distancia con una primera eficiencia, en donde el conversor de AC a CC 14 recibe una segunda potencia de entrada a una segunda distancia con una segunda eficiencia. La primera distancia es mayor que la segunda distancia, y la primera eficiencia es sustancialmente similar a la segunda eficiencia.
Preferentemente, la primera potencia de entrada y la segunda potencia de entrada se forman mediante pulsos de potencia.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una SWR de entrada de menos de 2.0 para un intervalo de potencia de entrada de al menos 16 dB.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una SWR de entrada de menos de 2.0 para un intervalo de carga resistiva 16 que abarca al menos 40 veces un valor mínimo predeterminado.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 en donde la resistencia de salida del conversor de AC a CC 14 varía en respuesta a los cambios en la potencia de entrada o la resistencia de carga 16.
El aparato 10 incluye preferentemente un circuito de monitoreo de tensión 34 que asegura que un nivel de tensión permanezca dentro de un intervalo específico.
La presente invención se refiere aun aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende un recolector de energía 38 que incluye al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % para un intervalo de potencia de entrada que abarca al menos 20 dB.
Preferentemente, el conversor de AC a CC 14 se usa en un recolector de energía 38. El recolector de energía 38 puede incluir una antena 48. Alternativamente, el recolector de energía 38 puede incluir un elemento piezoeléctrico 50.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % para un intervalo de carga resistiva 16 que abarca al menos 100 veces un valor mínimo predeterminado. Una interfaz de entrada puede ser un conector, cable, pin, alambre, o cualquier otro elemento adecuado que pueda aceptar la señal de entrada.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % cuando se recarga un dispositivo de almacenamiento de carga para un intervalo de potencia de entrada que abarca al menos 20 dB.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende los medios para recolectar una señal de entrada que incluye los medios para realizar la conversión de AC a c C que proporciona una eficiencia de conversión de la señal de entrada de al menos un 50 % cuando se recarga un dispositivo de almacenamiento de carga para un intervalo de potencia de entrada que abarca al menos 20 dB.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende al menos dos primeras redes de adaptación de impedancia 12 que reciben una señal eléctrica. El aparato 10 comprende al menos un conversor de AC a CC 14 en comunicación con las primeras redes de adaptación de impedancia 12. El aparato 10 comprende un combinador 20 en comunicación eléctrica con las primeras redes de adaptación. Preferentemente, el combinador 20 es un interruptor.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a c C 14. El aparato 10 comprende al menos dos elementos no lineales, en donde al menos los dos elementos no lineales tienen características diferentes. Preferentemente, al menos los dos elementos no lineales comprenden uno o varios de los siguientes, diodos, mosfet o transistores. Las diferentes características preferentemente incluyen diferentes impedancias o diferentes resistencias.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada que tiene al menos dos picos de eficiencia.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a CC 14 que proporciona una eficiencia de conversión de una señal de entrada de al menos un 50 % para un intervalo desde una distancia predeterminada hasta diez veces la distancia.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a c C 14 configurado para recibir una primera potencia de entrada a una primera distancia con una primera eficiencia, en donde el conversor de AC a CC 14 recibe una segunda potencia de entrada a una segunda distancia con una segunda eficiencia La primera distancia es mayor que la segunda distancia, y la primera eficiencia es sustancialmente similar a la segunda eficiencia. Preferentemente, la primera potencia de entrada y la segunda potencia de entrada se forman mediante pulsos de potencia.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a c C 14 que proporciona un SWR de entrada de menos de 2,0 para un intervalo de potencia de entrada de al menos 16 dB.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a c C 14 que proporciona un SWR de entrada de menos de 2,0 para un intervalo de carga resistiva 16 que abarca al menos 40 veces un valor mínimo predeterminado.
La presente invención se refiere a un aparato 10 para la conversión de potencia. El aparato 10 comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a c C 14 en donde la resistencia de salida del conversor de AC a CC 14 varía en respuesta a los cambios en la potencia de entrada o la resistencia de carga 16. El aparato 10 incluye preferentemente un circuito de monitoreo de tensión 34 que asegura que un nivel de tensión permanezca dentro de un intervalo específico.
La presente invención se refiere a un aparato para la conversión de potencia. El aparato comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a CC que proporciona una eficiencia de conversión que tiene al menos dos picos de eficiencia con respecto a la resistencia de carga.
La presente invención se refiere a un aparato para la conversión de potencia. El aparato comprende una interfaz de entrada y al menos un conversor de AC a CC que proporciona una eficiencia de conversión que tiene al menos dos picos de eficiencia con respecto a la corriente de salida.
La presente invención se refiere a un aparato para la conversión de potencia. El aparato comprende un recolector de energía que incluye al menos un conversor de AC a CC que proporciona una eficiencia de conversión que tiene al menos dos picos de eficiencia con respecto a la resistencia de carga.
La presente invención se refiere a un aparato para la conversión de potencia. El aparato comprende un recolector de energía que incluye al menos un conversor de AC a CC que proporciona una eficiencia de conversión que tiene al menos dos picos de eficiencia con respecto a la corriente de salida.
La presente invención describe un método y un aparato 10 que proporciona una solución muy superior para convertir eficientemente de AC a CC para cargas variables y niveles de potencia de entrada que la técnica anterior. La conversión eficiente de AC a Cc en este caso se define como superior a un cincuenta (50) por ciento; sin embargo, diferentes solicitudes pueden tener diferentes definiciones. La invención puede aplicarse no solo a la región inductiva (campo cercano) sino también a la región de campo lejano. La región de campo lejano se define comúnmente como
2 D 2
r > -------
X
donde r es la distancia entre las antenas de transmisión y recepción 48, D es la dimensión máxima de la antena de transmisión o recepción 48, y lambda es la longitud de onda. La invención se implementa en los circuitos de AC a CC para permitir que múltiples dispositivos operen desde un solo transmisor de potencia, a diferencia de la técnica anterior referenciada, que implementa soluciones en el lado de transmisión.
Al examinar la técnica anterior, el circuito que se muestra en la Figura 2 cuando se diseña adecuadamente, puede manejar una carga resistiva fija 16 en un intervalo limitado de potencia de entrada con un efecto mínimo sobre la impedancia equivalente del conversor de AC a CC 14 y la carga 16. Sin embargo, cuando se cambia la carga 16, se reduce la eficiencia de conversión. Se consideran reducciones significativas aquellas que reducen la eficiencia en un 2 o más por ciento y/o reducen la eficiencia de conversión de AC a CC por debajo del umbral específico de la solicitud como la eficiencia de conversión de un cincuenta por ciento. Como un ejemplo puede plantearse que, el circuito en la Figura 2 se fabricó con un potenciómetro como la carga 16. La entrada se hizo coincidir con 50 ohmios y se conectó a un analizador de red de Rf . Luego se midió la eficiencia de conversión de AC a CC para varios niveles de potencia de entrada para un ajuste del potenciómetro de 10 k-ohm, 5 k-ohm, 2,5 k-ohm y 1,25 k-ohm. Los resultados que se ven en la Figura 5 muestran que un cambio de la carga óptima 16 de 10 k-ohm a 5 k-ohm reduce la eficiencia de conversión de AC a CC en O dBm (dBm es decibelios referenciados a 1 mili-watt) de un 66,25 por ciento a un 59,58 por ciento, respectivamente. La reducción es mucho mayor para un cambio de 10 k-ohm a 2,5 k-ohm, lo que reduce la eficiencia de conversión de AC a CC en O dBm de un 66,25 por ciento a un 43,18 por ciento, respectivamente. La reducción es aún más drástica para un cambio de 10 k-ohm a 1,25 k-ohm, lo que reduce la eficiencia de conversión de AC a CC en O dBm de un 66,25 por ciento a un 26,91 por ciento, respectivamente.
Sin embargo, la invención descrita en la presente descripción no tiene una eficiencia de conversión de AC a CC que se vea tan significativamente afectada por la resistencia de carga 16 como la técnica anterior mostrada en la Figura 5. Para ilustrar esto, la invención también se midió con un potenciómetro como el que se muestra con la carga 16 con configuraciones de 10 k-ohm, 5 k-ohm, 2,5 k-ohm y 1,25 k-ohm. Los resultados se muestran en la Figura 6, que ilustra que un cambio de la carga óptima 16 de 10 k-ohm a 5 k-ohm reduce la eficiencia de conversión de AC a CC en O dBm de un 61,75 por ciento a solo un 54,19 por ciento, respectivamente. El cambio de 10 k-ohm a 2,5 k-ohm reduce la eficiencia de conversión de AC a CC en O dBm de un 61,75 por ciento a un 54,94 por ciento, respectivamente. El cambio de 10 k-ohm a 1,25 k-ohm reduce la eficiencia de conversión de AC a CC en O dBm de un 61,75 por ciento a un 48,42 por ciento, respectivamente. Como puede verse, la invención tiene una eficiencia de conversión de AC a CC ligeramente inferior para la resistencia de carga óptima 16 en O dBm, sin embargo, las eficiencias de conversión de AC a CC para otras cargas 16 permanecen más altas que la técnica anterior específicamente en el valor más bajo de la resistencia de carga 16, 1,25 k-ohm. La invención también supera significativamente a la técnica anterior para niveles de potencia superiores a O dBm.
La reducción en la eficiencia de conversión que se muestra en la Figura 5 aumenta cuando una batería 32 u otro elemento de almacenamiento de potencia 44, como un capacitor grande o un LED, se conecta al conversor de AC a CC 14 con el propósito de recarga o alimentación. La batería 32, el elemento de almacenamiento de potencia 44 o el LED mantienen una tensión bastante constante y por lo tanto los cambios en la energía de entrada provocan cambios en la corriente de salida, lo que cambia la resistencia equivalente que se tiene en la salida del conversor de AC a CC 14. La resistencia equivalente se define como la tensión de salida dividido por la corriente de salida. Como un ejemplo puede plantearse que, si se ingresa un miliwatt (1 mW) a un conversor de AC a CC 14 conectado a una batería de 3 volt 32 y la eficiencia de conversión de AC a CC es de un 50 por ciento, la carga equivalente 16 que se tiene después del conversor de AC a CC 14 está dado por
7 ? _ V ' B _ V ' B2 _ V V B2
EQ I ~ e C ' P CW ~ P I OUT
donde Vb es la tensión de la batería 32, IB es la corriente a través de la batería 32, e es la eficiencia de conversión de AC a CC, Pin es la potencia de entrada al conversor de AC a CC 14, y Pout es la potencia de salida del conversor de AC a CC 14. Para este ejemplo, la resistencia equivalente es 18 k-ohm. Sin embargo, si la potencia de entrada se cambia a dos miliwatt (2 mW) y la eficiencia de conversión sigue siendo de un 50 por ciento la resistencia equivalente se reduce a 9 k-ohm. Mediante el uso de este ejemplo, puede verse que la resistencia de carga equivalente 16 es inversamente proporcional a la potencia de entrada al conversor de AC a CC 14.
Los cambios en la eficiencia de conversión para los conversores de AC a CC 14 pueden dividirse en dos categorías. La primera, la potencia puede perderse (reflejarse) cuando la impedancia equivalente del conversor de AC a CC 14 y la carga 16, Zeq, no es el conjugado complejo de la impedancia de la fuente. Un ejemplo se muestra en la Figura 7. Esta pérdida puede verse mediante la examinación del Teorema de Transferencia de Potencia Máxima, que es bien conocido para los expertos en la técnica. El Teorema de Transferencia de Potencia Máxima establece que la potencia máxima se transfiere desde la fuente a la carga 16 cuando la fuente y la impedancia de la carga 16 son conjugados complejos.
La segunda forma de pérdida de eficiencia es causada por una falta de coincidencia entre la resistencia de salida de CC del conversor de Ac a CC 14 y la resistencia de carga 16. Para el propósito de la presente invención, la falta de coincidencia de la impedancia se considera significativa si se refleja o se pierde más de un diez por ciento de la potencia. Para el conversor de AC a CC 14, la salida es CC y por lo tanto las resistencias deben ser iguales. Puede verse un circuito equivalente simplificado para la salida de un conversor de AC a CC 14 en la Figura 8, donde Ro es la resistencia de salida de CC del conversor de AC a CC 14 y Rl es la resistencia de carga 16. De la Figura 8 y el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima, la potencia máxima se suministrará desde el conversor de AC a CC 14 a la carga 16 cuando Ro = Rl. Por lo tanto, esta condición se denominará resistencia de carga óptima 16. Se debe señalar que las dos pérdidas de eficiencia están unidas entre sí. Como un ejemplo puede plantearse que, la variación de la resistencia de carga 16 no solo causa pérdida debido a la falta de coincidencia de salida de CC, sino que el cambio en la resistencia de carga 16 también cambia la impedancia equivalente vista por la fuente, lo que causa la falta de coincidencia de entrada.
La presente invención aborda las dos pérdidas de eficiencia establecidas anteriormente creando múltiples trayectorias de AC a CC 22 mediante el uso de múltiples conversores de AC a CC 14. Las múltiples trayectorias permiten que cada trayectoria se optimice para una característica dada para proporcionar un rendimiento casi óptimo en un intervalo más amplio de parámetros de entrada.
La presente invención puede implementarse para varias combinaciones diferentes. En una primera modalidad, la carga 16 se fija en o cerca de la resistencia óptima de carga 16, que se describió anteriormente, y la potencia de entrada es variable. Como se indicó previamente, con un diseño adecuado el conversor de AC a CC 14 en la Figura 2 puede manejar eficientemente una carga fija 16 en un intervalo de potencia de entrada limitado. Esto puede verse en la Figura 5. Sin embargo, si se desea manejar eficientemente la carga 16 en un intervalo de potencia de entrada mayor que el que puede proporcionar la técnica anterior o si se encuentra que es ventajoso en otras solicitudes donde la carga 16 es fija, puede usarse la invención. Puede verse un diagrama de bloques de una modalidad de la invención en la Figura 9, donde el conversor de AC a CC incluye un selector, dos primeras redes de adaptación de impedancia 12, dos conversores de AC a CC 14, y un combinador 20 en comunicación con una entrada y una carga 16.
Como se muestra en la Figura 9, la entrada es una fuente de AC con una impedancia de fuente, Rs , que inicialmente coinciden con el circuito equivalente del selector 18, los conversores de AC a CC 14 y sus primeras redes de adaptación de impedancia asociadas 12, el combinador 20, y la carga 16, mediante el uso de la segunda red de adaptación de impedancia 24. La primera y la segunda red de adaptación de impedancia 12, 24 pueden ser, pero no se limitan a, Pi-, T-, L-, elemento de serie simple o red de elemento de derivación simple que puede contener combinaciones de inductores y capacitores bien conocidos para los expertos en la técnica y descrito en detalle en los libros, "Antenna Impedance Matching" del autor Wilfred N. Caron y "The Design of Impedance-Matching Networks for Radio-Frequency and Microwave Amplifiers" del autor Pieter L.D. Abrie, ambos incorporados por referencia en la presente descripción. Se debe señalar que los capacitores e inductores usados en la primera y segunda red de adaptación de impedancia 12, 24 pueden ser elementos discretos, elementos formados en un sustrato, como una placa de circuito impreso 36 (PCB) o un chip, elementos intrínsecos, o elementos parásitos. La salida de la segunda red de adaptación de impedancia 24 se conecta al selector 18, que dirige la señal a la apropiada trayectoria de AC a CC 22. El selector 18 puede ser, pero no está limitado a, una conexión cableada simple, como una línea de microstrip, un transformador balanceado-no balanceado (balun), o un circuito de conmutación activo como un transistor, diodo(s) pin, o relé. Cada trayectoria de AC a CC 22 se hace coincidir con un valor de impedancia predeterminado, como 50 ohmios para tipos de antena estándar, a diferentes niveles de potencia mediante el uso de sus respectivas primeras redes de adaptación de impedancia 12 y técnicas de adaptación de impedancia conocidas para los expertos en la técnica. La salida de cada conversor de AC a CC 14 se combina luego mediante el uso del combinador 20, y la CC combinada se envía a la carga 16. El combinador 20 puede ser, pero no está limitado a, una conexión cableada simple, como una línea de microstrip, componentes discretos, como diodos, o un circuito de conmutación activo, como un transistor, diodo(s) pin, o relé. La segunda red de adaptación de impedancia 24 al lado de la entrada puede ser necesaria si las dos trayectorias interfieren entre sí, lo cual puede ocurrir si se usa un selector pasivo 18 y/o un combinador 20 que puede implementarse con una conexión cableada directamente. Los conversores de AC a CC 14 que pueden usarse con la invención pueden ser, pero no están limitados a, un duplicador de tensión (una o más etapas), bomba de carga, detector de pico (serie o derivación), rectificador de puente, u otro rectificador de circuitos de AC.
A través de la experimentación se ha determinado que el circuito que se muestra en la Figura 2 puede manejar de manera eficiente la resistencia de carga óptima fija 16 en un intervalo de -7 a 10 dBm (intervalo de 17 dB, véase Figura 5) cuando coincide con O dBm y se diseña adecuadamente. Sin embargo, si se requiere un intervalo de -20 a + 10 dBm, el circuito de la Figura 2 sufrirá los efectos que se muestran en la Figura 4, y la eficiencia de conversión se reducirá por debajo de un 50 por ciento en el nivel de potencia más bajo (menos de -7 dBm) . La reducción en la eficiencia de conversión para este caso es causada por la potencia reflejada en la entrada al conversor de AC a CC 14 en la Figura 2 debido a una falta de coincidencia de impedancia. La falta de coincidencia de impedancia es causada por el cambio en la potencia de entrada. El conversor de AC a CC 14 contiene elementos no lineales. La naturaleza no lineal de los elementos significa que sus valores de impedancia cambian con el nivel de potencia, lo que a su vez provocará una falta de coincidencia de impedancia entre la fuente y el conversor de AC a c C 14.
Una solución a este problema es usar el conversor de AC a CC 14 en la Figura 9 donde el conversor superior de AC a CC 14 se hace coincidir con -13 dBm y el conversor inferior de AC a CC 14 se hace coincidir con 0 dBm. El selector 18 puede entonces elegir la trayectoria apropiada para la señal de entrada en dependencia del nivel de potencia de entrada. El conversor superior de AC a CC 14 podrá manejar la resistencia de carga óptima fija 16 en un intervalo de 17 dB como se indicó anteriormente, lo que significa que puede convertir la señal de AC de entrada de manera eficiente en el intervalo de -20 dBm a -3 dBm. El conversor inferior de AC a CC 14 también puede convertir eficientemente la señal de AC de entrada en un intervalo de 17 dB, lo que significa que puede convertir las señales de entrada con niveles de potencia de -7 dBm a 10 dBm. La combinación de los dos conversores de AC a CC 14 permite que todo el sistema de conversión de AC a CC acepte niveles de potencia de entrada de -20 dBm a 10 dBm o un intervalo de potencia de 30 dB que es 20 veces el intervalo de un solo conversor de AC a CC 14.
Se debe señalar que el selector 18 puede ser activo o pasivo. En el caso activo, se usa una unidad de control para seleccionar la trayectoria apropiada para la señal de entrada en función del nivel de potencia o resistencia de carga 16. Si el selector 18 es una unidad pasiva, puede implementarse mediante, pero no está limitado a, una simple conexión por cable. En este caso, la señal se suministraría a las entradas de ambas primeras redes de adaptación de impedancia 12 del conversor de AC a CC 14. La señal se dividiría con la mayor potencia eligiendo la trayectoria con la menor falta de coincidencia en el nivel de potencia de la señal de entrada.
El combinador 20 puede tomar muchas formas diferentes en dependencia de la configuración del resto del sistema. Como un ejemplo puede plantearse que, el combinador 20, si está activo, puede implementarse con un interruptor similar al usado en el selector 18, si está activo, y ambos podrían controlarse por el mismo controlador o un controlador diferente. En el caso activo, se usa una unidad de control para seleccionar la trayectoria apropiada para la señal de entrada en función del nivel de potencia o resistencia de carga 16. Cuando un sistema pasivo es ventajoso, el combinador 20 puede implementarse con una conexión por cable simple siempre que la salida de la trayectoria de AC a CC 22 que no se usa no afecte el rendimiento o con uno o más diodos de bloqueo. En la Figura 10 se muestra un conversor de ejemplo para el caso pasivo tanto para el selector 18 como para el combinador 20 donde la coincidencia se ha configurado para coincidir con el ejemplo anterior.
Una segunda modalidad de cómo puede implementarse la invención es tener una potencia de entrada fija y una resistencia de carga variable 16, la cual se muestra en la Figura 11.
En el circuito de la técnica anterior en la Figura 2, habrá una pérdida descrita por el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima debido a la falta de coincidencia de la resistencia de salida del conversor de AC a CC 14 y la resistencia de carga 16. La eficiencia de conversión correspondiente será similar a la que se muestra en la Figura 3. El conversor de AC a CC 14 en la Figura 2 puede hacerse coincidir con cargas 16 distintas de la resistencia de carga óptima 16 para minimizar la pérdida en la eficiencia de conversión causada por una falta de coincidencia de entrada en ese valor de resistencia de carga 16. Sin embargo, todavía habrá pérdida en la eficiencia de conversión debido a la falta de coincidencia entre la resistencia de AC de salida del conversor de AC a CC 14 y la resistencia de carga 16 y la eficiencia de conversión tomará una forma similar a la que se muestra en la Figura 3. También habrá pérdida debido a la falta de coincidencia de impedancia entre la impedancia de la entrada y la entrada del conversor de AC a CC 14 causada por el cambio en la resistencia de carga 16.
La invención puede usarse para prevenir el problema de eficiencia de conversión reducida haciendo coincidir el conversor superior de AC a Ce 14 en la Figura 11 en o cerca de una resistencia discreta en la que la carga variable 16 está en o cerca durante algún tiempo. El conversor inferior de AC a CC 14 en la Figura 11 se hace coincidir con una resistencia discreta diferente a la que la carga variable 16 está en o cerca durante algún tiempo. Esta técnica reducirá la pérdida causada por la falta de coincidencia de impedancia entre la impedancia de la entrada y la entrada del conversor de AC a CC 14 causada por el cambio en la resistencia de carga 16 como se muestra en la Figura 5. Sin embargo, la pérdida causada por la falta de coincidencia entre la resistencia de CC de salida del conversor de AC a CC 14 y la resistencia de carga 16 todavía está presente en este caso.
En las dos modalidades anteriores, la potencia de entrada fija/resistencia de carga variable 16 y la resistencia de carga fija 16/potencia de entrada variable, puede hacerse una observación; es posible que no se necesiten múltiples trayectorias del conversor de AC a CC 14 si el combinador 20 se coloca antes del conversor de AC a CC 14 como se muestra en la Figura 12. Esto esencialmente sería la conmutación entre las dos primeras redes de adaptación de impedancia 12 para trabajar con el mismo conversor de AC a CC 14. Esta realización es válida cuando la selección por el selector 18 y el combinador 20 se realiza con un elemento activo como un transistor, un diodo pin, o un relé, que sería controlado por un controlador. Si la selección pasiva se usa mediante una conexión por cable simple, la realización del uso de un solo conversor de AC a CC 14 ya no es válida debido al hecho de que las redes de adaptación paralelas se reducirán a una única red de adaptación que produce los mismos problemas presentes en la técnica anterior.
Para el caso de la selección pasiva, un conversor de AC a CC 14 en cada trayectoria asegura que la señal de AC no esté presente en la salida. La falta de AC en la salida significa que las dos salidas de trayectoria no interferirán destructivamente. La falta de AC en la salida a veces se denomina destrucción de fase. Se debe señalar que para el caso de selección activa, puede resultar ventajoso incluir ambos conversores de AC a CC 14. Sin embargo, los conversores de AC a CC 14 pueden reducirse a un solo conversor de AC a CC 14 para la mayoría de las solicitudes. Una tercera modalidad más práctica de cómo puede implementarse la invención es para una potencia de entrada variable y una resistencia de carga variable 16, que se muestra en la Figura 13.
Una situación realista en solicitudes de conversión de AC a CC, como la conversión de RF a CC, es tener una potencia de entrada variable y una resistencia de carga variable 16. Esta situación combina los problemas asociados con las dos modalidades anteriores (potencia de entrada fija/resistencia de carga variable 16 y resistencia de carga fija 16/potencia de entrada variable). Estos problemas son pérdidas causadas por la falta de coincidencia de impedancia de entrada y de salida del conversor de AC a CC 14. La solución para la falta de coincidencia de impedancia de entrada se presentó en la primera modalidad, que coincidía con cada trayectoria a un nivel de potencia diferente para la resistencia de carga óptima 16. El problema con esta modalidad es que estaba limitada a la resistencia de carga óptima 16. El problema pendiente en la primera modalidad fue la pérdida causada por cargas no óptimas 16 por la falta de coincidencia resistiva entre la resistencia de salida del conversor de AC a CC 14 y la carga resistiva 16. Este problema se abordó en la segunda modalidad haciendo coincidir cada trayectoria con una resistencia diferente. El problema con la segunda modalidad era que una potencia fija y cambios en el nivel de potencia causarían una falta de coincidencia en la entrada al conversor de AC a CC 14 lo que haría que se redujera la eficiencia de conversión.
Una solución para la pérdida de coincidencia de salida y la pérdida de coincidencia de entrada es ajustar los parámetros de los conversores de AC a CC 14 para que tengan una resistencia de salida diferente, permitiendo de esta manera que el conversor tenga más de una carga óptima 16. En otras palabras, la resistencia de salida varía con la potencia de entrada y/o la resistencia de carga 16. Los parámetros pueden ajustarse mediante el uso de diferentes diodos, transistores, u otros elementos no lineales o mediante el uso de diferentes topologías de AC a CC. Preferentemente, se usan diodos diferentes en donde al menos un diodo tiene una resistencia, impedancia, tensión de encendido, capacitancia de unión, u otra característica diferente. Esta técnica puede implementarse junto con el método descrito en la primera modalidad, que coincide con cada trayectoria a un nivel de potencia diferente. El resultado proporciona un gráfico de eficiencia de conversión de AC a CC con dos picos a diferencia de solo un pico que se muestra en la Figura 3. El gráfico resultante tiene una eficiencia de conversión casi constante en un intervalo más amplio de resistencias de carga 16 como se muestra en la Figura 14.
La técnica de múltiples trayectorias de AC a CC 22 que coinciden en diferentes niveles de potencia de entrada con diferentes resistencias de salida funciona excepcionalmente bien cuando se conecta el conversor a una batería 32 para fines de recarga o a un LED para alimentación directa. La resistencia equivalente de la batería 32 o del LED es inversamente proporcional a la potencia de entrada al conversor de AC a CC 14, lo que significa que a bajos niveles de potencia la batería 32 o el LED se comporta como una gran resistencia mientras que a niveles de alta potencia la batería 32 o el LED se comportan como una pequeña resistencia. Esta realización permite que cada trayectoria se optimice para un nivel de potencia específico y resistencia de carga 16. Como un ejemplo puede plantearse que, la trayectoria superior de AC a CC 22 en la Figura 13 podría hacerse coincidir con la impedancia a un alto nivel de potencia y el conversor de AC a CC 14 en esa trayectoria podría diseñarse para tener una baja resistencia de carga óptima 16. La trayectoria inferior, por otro lado, podría hacerse coincidir con la impedancia a un bajo nivel de potencia y el conversor de AC a CC 14 en esa trayectoria podría diseñarse para tener una alta resistencia de carga óptima 16. El conversor resultante que usa el selector pasivo 18 y el combinador 20 (conectado directamente) puede verse en la Figura 15.
Se debe señalar que para la carga de la batería 32 (o para otro almacenamiento) y las solicitudes donde los circuitos o las cargas resistivas se manejan directamente, puede ser necesario colocar un circuito de monitoreo de tensión 34 en la salida del combinador 20 para garantizar que el nivel de tensión permanezca dentro de un intervalo específico. El circuito de monitoreo de tensión 34 puede incluir, pero no está limitado a, una protección de sobre tensión, una protección de baja tensión, o alguna combinación de los dos; un regulador; conversor de CC a CC; o cualquier otro circuito que pueda garantizar que el nivel de tensión permanezca dentro de un intervalo específico. Esto puede verse en la Figura 16.
Los conceptos descritos en la presente descripción se han verificado en una solicitud de recolección de potencia de RF. El conversor que se muestra en la Figura 21 se fabricó en una Placa de circuito impreso 36 (PCB), aunque es posible formar el conversor en un semiconductor o un chip equivalente. En el conversor fabricado, la fuente de AC y la resistencia de la fuente en la Figura se han implementado con una antena de recolección de energía 48 y las resistencias de salida y coincidencia se diseñaron para manejar una batería de 3 volt 32. Los resultados de las pruebas mostraron que el diseño tenía una eficiencia de conversión de más de un 50 por ciento en un intervalo de -1 dBm a 20 dBm, que puede verse en la Figura 17 y se compara con la técnica anterior, manteniendo una relación de onda estacionaria (SWR) de menos de 2,0 en casi todo el intervalo para una frecuencia de 905,8 Mega-Hertz (MHz) y una batería de 3 volt 32. La SWR es una medida que describe qué tan bien el circuito equivalente del conversor de AC a CC 14 y la resistencia de carga 16 se hacen coincidir con la impedancia de la entrada, que en este caso era una antena 48 de 50 ohm. Las Figuras 22-24 muestran los datos de SWR medidos mediante el uso de un analizador de red. Como se muestra en las Figuras, el conversor de AC a CC tenía una SWR de menos de 2,0 para una potencia de entrada de -1,82 dBm a 14,3 dBm o un intervalo de más de 16 dB. Lo mismo es cierto para un intervalo de carga 16 de más de 16 dB (intervalo que abarca 40 veces un valor mínimo), es decir, la SWR es menor que 2,0. Un valor de SWR de 2,0 es aproximadamente una pérdida de reflexión de un 10 por ciento.
Es importante tener en cuenta que, en las solicitudes de recolección de potencia de RF, el intervalo de potencia del conversor, -1 dBm a 20 dBm para este ejemplo, puede traducirse a distancia desde un transmisor de alimentación. Para los expertos en la técnica en bien conocido que la potencia disponible en una antena de recepción 48 en el campo lejano es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre el transmisor y el receptor. Dado este hecho y el intervalo de potencia de -1 dBm a 20 dBm (donde la diferencia de la potencia más baja a la más alta es de aproximadamente 20 dB o 100 veces la potencia más baja), la distancia en la que la eficiencia de conversión es superior a un 50 %, para este ejemplo, será desde una distancia X a una distancia proporcional a la raíz cuadrada del intervalo de potencia, o para este caso la raíz cuadrada de 100. Mediante el uso de este ejemplo puede verse que el conversor fabricado puede convertir más de un 50 % de la potencia disponible de una distancia X a una distancia mayor de 10X donde X está determinado por la configuración de potencia, la ganancia, y el algoritmo del transmisor de alimentación. En otras palabras, la eficiencia de conversión de la invención no cambia sustancialmente para cambios en la distancia. Se debe señalar que la eficiencia de conversión de AC a CC de la invención en un momento dado se basa en el nivel de potencia instantánea (nivel de potencia en ese momento dado) y, por lo tanto, mediante el uso de un algoritmo transmisor como un algoritmo de pulso, como se describe en la Solicitud provisional de los Estados Unidos 60/656,165, y relacionado con la Solicitud de Patente de Estados Unidos 11/356,892, incorporada por referencia en la presente descripción, la invención puede convertir eficientemente de AC a CC a niveles de potencia de entrada promedio mucho más bajos que los representados en la Figura 17. Como un ejemplo puede plantearse que, si se suministra una entrada de AC de onda continua (CW) O dBm a la invención, a partir de la Figura 17, la eficiencia de conversión será aproximadamente de un 57 por ciento porque la potencia instantánea máxima es O dBm. Sin embargo, si O dBm es pulsado en un ciclo de trabajo de un 25 por ciento, la potencia promedio es un cuarto de O dBm o -6 dBm. De acuerdo con la Figura 17, la eficiencia de conversión a -6 dBm es cero por ciento. Sin embargo, el uso de pulsos significa que la potencia de entrada tiene una potencia instantánea máxima de O dBm durante el pulso y por lo tanto la eficiencia de conversión de AC a CC sigue siendo aproximadamente de un 57 por ciento. Como muestra este ejemplo, el uso de pulsos permite que el gráfico de eficiencia de conversión de AC a CC en la Figura 17 se desplace a los niveles de potencia más bajos ajustando los niveles de potencia pico de los pulsos para que caigan dentro de la región de conversión de alta eficiencia que para la Figura 17 es de -1 a 20 dBm. Sin embargo, la potencia promedio puede estar fuera de la región de conversión de alta eficiencia. En solicitudes de recolección de potencia de RF, el uso del método de pulsos con la invención permite que el conversor de AC a CC 14 convierta eficientemente la energía de RF capturada por la antena 48 para la misma potencia promedio que una señal de CW a una distancia mucho mayor del transmisor.
Dado que la luz es una forma de AC, la técnica descrita en la presente descripción también puede aplicarse a paneles solares y otros circuitos de conversión de luz a CC. Los conceptos descritos siguen siendo aplicables; sin embargo, los bloques pueden no encontrarse representados por circuitos eléctricos sino por dispositivos ópticos como lentes, filtros ópticos, fibra óptica, etc. Puede desarrollarse un ejemplo de cómo un panel solar podría usar los conceptos descritos en la invención al darse cuenta de que una celda solar experimenta la misma eficiencia de conversión como la descrita en la Figura 3. Hay un valor óptimo de la resistencia de carga de celda solar 16 que produce la máxima potencia de salida. La técnica descrita en la presente descripción podría aplicarse creando celdas solares adyacentes con diferente resistencia de salida para permitir que el panel solar tenga más de una carga resistiva óptima 16 lo que permite que el panel solar tenga una eficiencia de conversión casi óptima en un intervalo más amplio de resistencias de carga 16.
Como se muestra con el ejemplo de la celda solar, la invención puede aplicarse a cualquier número de campos como, pero no limitados a, la rectificación de circuitos para la conversión de AC a CC en recolección de potencia de RF, recolección de potencia piezoeléctrica, celdas solares, generadores, recolección de vibración, recolección acústica, o cualquier otra solicitud que requiera la conversión de AC a CC. Como muestra la lista anterior de solicitudes, la invención tiene numerosas implementaciones en el campo de recolección de energía o recolección de potencia. La recolección de energía se define como la captura de energía del entorno y la conversión de la energía capturada en otra forma de energía. La energía capturada puede crearse específicamente con el propósito de la recolección o para el ambiente, lo que significa que la energía es del medio ambiente o se crea para otro propósito como, pero no limitado a, la luz solar y las comunicaciones de radio, respectivamente. El aparato 10 que recolecta la energía se denomina recolector de energía 38 y puede incluir, pero no está limitado a, una antena 48, un elemento piezoeléctrico 50, una celda solar, un generador, un recolector de vibraciones, un recolector acústico, un recolector de viento, cualquier otro elemento o elementos que recolecten energía, un conversor de AC a CC 14, un duplicador de tensión (una o más etapas), bomba de carga, detector de pico (serie o derivación), rectificador tipo puente, otros circuitos de rectificación de AC o la invención.
Se debe señalar que las modalidades descritas anteriormente podrían aplicarse a otros dispositivos de almacenamiento como, pero no limitado a, un capacitor. El conversor también podría diseñarse para manejar directamente cualquier circuito que se ejecute en más de un modo de operación, como, pero no limitado a, un microcontrolador que se ejecuta en modo inactivo y en modo activo. La resistencia equivalente del microcontrolador sería alta en modo inactivo y baja en modo activo, lo que conlleva a una necesidad de una conversión eficiente de AC a CC en más de una carga resistiva 16.
Puede ser necesario que el conversor tenga un intervalo aún más amplio de niveles de potencia de entrada y/o resistencias de carga 16. Para esta circunstancia, podrían implementarse más de dos trayectorias de AC a CC 22 mediante el uso del mismo procedimiento descrito en detalle en la presente descripción. Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 18, donde se ilustra una pluralidad de trayectorias de AC a CC 22.
La invención está diseñada para ser independiente del tipo de conversores de AC a CC 14 que pueden usarse. Se probaron varios conversores de AC a c C 14 y se sabe que funcionan con la invención. La Figura 2 muestra un duplicador de tensión de la técnica anterior, que se ha probado con la invención. La Figura 19 muestra un rectificador de onda completa de un solo diodo 40 que se ha probado y se sabe que funciona con la invención. Se debe señalar que las diferentes topologías del conversor de AC a CC 14, como se muestra en las Figuras 2, 19, y 20, pueden usarse dentro de la invención para producir un efecto deseado.
La Figura 20 muestra un rectificador de media onda de un solo diodo 42 que se ha probado y se sabe que funciona con la invención. La invención funcionará con cualquier otro circuito rectificador de AC.
La Figura 22 es un gráfico de datos SWR de entrada medidos para la modalidad de la invención que se muestra en la Figura 21 para diferentes niveles de potencia de entrada a 905,8 MHz.
La Figura 23 es un gráfico de la impedancia de entrada medida para la modalidad de la invención que se muestra en la Figura 21 para diferentes niveles de potencia de entrada a 905,8 MHz.
La Figura 24 es un gráfico de la impedancia de entrada medida para la modalidad de la invención que se muestra en la Figura 21 para diferentes niveles de potencia de entrada a 905,8 MHz en donde las impedancias dentro del círculo de la carta de Smith corresponden a valores de SWR de menos de 2,0.
Los expertos en la técnica entenderán que, si bien la descripción anterior expone en detalle las modalidades preferidas de la presente invención, pueden realizarse modificaciones, adiciones, y cambios a la misma sin apartarse del alcance de la invención.

Claims (39)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato (10) para la conversión de potencia que comprende:
una pluralidad de primeras redes de adaptación de impedancia (12) que se configuran para recibir una señal eléctrica; y
una pluralidad de conversores de AC a CC (14), cada conversor de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC en comunicación con una red de adaptación de impedancia (12) de la pluralidad de primeras redes de adaptación de impedancia y configuradas para que puedan comunicarse con una carga (16), cada conversor de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) se configura para recibir una entrada que tenga un valor de impedancia que se hace coincidir con un valor de impedancia predeterminado asociado con ese conversor de AC a CC a diferentes niveles de potencia de entrada mediante el uso de la pluralidad de las primeras redes de adaptación de impedancia,
en donde el aparato se configura para que pueda comunicarse con una entrada del aparato.
2. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además: un selector (18) para dirigir la señal eléctrica a la pluralidad de las primeras redes de adaptación de impedancia (12).
3. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el selector (18) es activo o pasivo.
4. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además: un combinador (20) conectado a la pluralidad de conversores de AC a CC para combinar las salidas de la pluralidad de conversores de AC a CC (14).
5. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el combinador (20) es pasivo.
6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de conversores de AC a CC (14) define una pluralidad de trayectorias de AC a CC (22), donde cada trayectoria de la pluralidad de trayectorias de AC a CC está asociada con un nivel de potencia de entrada y resistencia de carga.
7. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además: una segunda red de adaptación de impedancia (24) que se configura para hacer coincidir una impedancia del aparato (10) con una impedancia de la entrada del aparato.
8. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 6, en donde cada trayectoria de AC a CC (22) de la pluralidad de trayectorias de AC a CC se hace coincidir con un valor de impedancia predeterminado.
9. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 6, en donde cada trayectoria de AC a CC (22) de la pluralidad de trayectorias de AC a CC tiene una resistencia de salida diferente.
10. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el selector (18) está activo e incluye una unidad de control del selector (26) que se configura para seleccionar el conversor de AC a CC apropiado (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC con base en el nivel de potencia de entrada o resistencia de carga.
11. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende, además: un combinador (22) conectado a la pluralidad de conversores de AC a CC y colocado para combinar salidas de la pluralidad de conversores de AC a CC, en donde el combinador está activo e incluye una unidad de control del combinador (30).
12. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 11, en donde la unidad de control del selector (26) y la unidad de control del combinador (30) son una misma unidad de control.
13. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una resistencia de salida de un conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC se diseña para estar en o cerca de una resistencia discreta en la que la carga está en o cerca durante algún tiempo; y una resistencia de salida de otro conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC se diseña para estar en o cerca de una resistencia discreta diferente a la que la carga (16) está en o cerca durante algún otro tiempo.
14. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC tiene una resistencia de salida diferente correspondiente a una carga óptima asociada.
15. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una impedancia de entrada de un conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC se hace coincidir con un valor predeterminado en un nivel de potencia, y una impedancia de entrada de otro conversor de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a c C se corresponde con otro valor predeterminado a un nivel de potencia diferente.
16. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la carga (16) es una batería (32) con la cual cada conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC se encuentra en comunicación eléctrica y cada trayectoria de AC a CC (22) de la pluralidad de trayectorias de AC a CC se optimiza para un nivel de potencia de entrada y resistencia de carga específicos.
17. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende, además: un circuito de monitoreo de tensión (34) conectado entre la pluralidad de conversores de Ac a CC y la batería (32) y se configura para asegurar que un nivel de tensión permanezca dentro de un intervalo específico.
18. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende, además: una placa de circuito impreso (36) sobre la cual se coloca la pluralidad de conversores de AC a CC (14) y la pluralidad de primeras redes de adaptación (12).
19. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el aparato se incluye en un recolector de energía (38) que produce la señal eléctrica.
20. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el recolector de energía (38) incluye una antena (48), un elemento piezoeléctrico (50), una celda solar, un generador, un recolector de vibraciones, un recolector acústico o un recolector de viento.
21. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos uno de los conversores de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) es un rectificador de onda completa de un solo diodo (21).
22. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos uno de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) es un rectificador de media onda de un solo diodo (42).
23. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos uno de los conversores de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) es un duplicador de tensión.
24. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la carga (16) incluye al menos un elemento de almacenamiento de potencia (44) en comunicación eléctrica con al menos un conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC.
25. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la carga (16) se fija en o cerca de una resistencia particular, y la señal eléctrica proporciona una potencia de entrada que es variable.
26. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la carga (16) es variable y la señal eléctrica proporciona una potencia de entrada que es fija.
27. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la carga (16) es variable y la señal eléctrica proporciona una potencia de entrada que es variable.
28. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
un selector (18) que se configura para recibir la señal eléctrica y dirigir la señal eléctrica a una o varias primeras redes de adaptación de impedancia (12) de la pluralidad de primeras redes de adaptación de impedancia; y un combinador (20) en comunicación eléctrica con la pluralidad de primeras redes de adaptación (12).
29. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 28, en donde el combinador (20) es un interruptor.
30. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
un recolector de energía (38) que incluye un conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC; y
al menos dos elementos no lineales, en donde los al menos dos elementos no lineales incluyen diferentes impedancias o resistencias.
31. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 30, en donde al menos los dos elementos no lineales son uno o varios de los siguientes, diodos, mosfet, o transistores.
32. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
una interfaz de entrada y un conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC; al menos dos elementos no lineales, en donde los al menos dos elementos no lineales incluyen diferentes impedancias o diferentes resistencias.
33. El aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 32,
en donde los al menos dos elementos no lineales son uno o varios de los siguientes, diodos, mosfet, o transistores.
34. Un método para alimentar una carga (16) que comprende las etapas de:
recibir una señal eléctrica en una red de adaptación de impedancia (12) de una pluralidad de redes de adaptación de impedancia, cada red de adaptación de impedancia de la pluralidad de redes de adaptación de impedancia en comunicación con un conversor de AC a CC de una pluralidad de conversores de a C a CC; hacer coincidir un valor de impedancia de la señal eléctrica con un valor de impedancia predeterminado asociado con el conversor de AC a CC de la pluralidad de AC a CC;
convertir la señal eléctrica en el conversor de AC a CC (14) de la pluralidad de conversores de AC a CC; y proporcionar corriente a la carga en comunicación con la pluralidad de conversores de AC a CC.
35. El método de la reivindicación 34, en donde la etapa de recepción incluye la etapa de recepción de la señal eléctrica en una pluralidad de las redes de adaptación de impedancia (12) en comunicación con la pluralidad de los conversores de AC a CC (14).
36. El método de la reivindicación 35, que comprende, además:
seleccionar uno o varios conversores de AC a CC de la pluralidad de conversores de AC a CC, la selección que se realiza mediante el uso de un selector (18), y
dirigir la señal eléctrica a uno o varios de los conversores de AC a CC seleccionados de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) mediante el uso del selector.
37. El método de la reivindicación 36, en donde el selector (18) es pasivo.
38. El método de la reivindicación 35, que comprende, además: la etapa de combinar las salidas de la pluralidad de conversores de AC a CC (14) mediante el uso de un combinador (20) conectado a la carga (16).
39. El método de la reivindicación 38, en donde el combinador (20) es pasivo.
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