ES2929055T3 - Sistema de suministro de energía - Google Patents

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Julian Andrew John Fells
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Abstract

La presente invención proporciona métodos y aparatos para reducir el consumo de energía. Un método incluye detectar la presencia de un objeto, identificar si el objeto es un dispositivo válido y restringir la energía si no es un dispositivo válido. Otro método incluye aplicar temporalmente una cantidad baja de energía a la unidad principal para detectar una carga, suministrar más energía para determinar si es un dispositivo secundario válido y restringir la energía si no lo es. Un aparato para reducir el consumo de energía incluye dos entradas de energía, donde la entrada de energía más baja alimenta un circuito de detección. Un interruptor desacopla selectivamente la entrada de mayor potencia del subcircuito principal durante el modo de detección y acopla la entrada de mayor potencia al subcircuito principal durante el modo de suministro de energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de suministro de energía
Antecedentes de la invención
Es más conveniente poder suministrar energía a los dispositivos portátiles sin necesidad de enchufar un cable de suministro tradicional en el dispositivo. Por ejemplo, algunos sistemas de energía inalámbrica incluyen un dispositivo portátil que, cuando se coloca cerca de una unidad de energía inalámbrica, puede recibir energía sin necesidad de un contacto eléctrico directo. Sin embargo, cuando no hay ningún dispositivo en la unidad (o cuando los únicos dispositivos en la unidad están completamente cargados) es posible mantener el consumo de energía al mínimo. Algunas unidades de suministro de energía inalámbricas tienen un modo de espera, por el que transmiten periódicamente energía durante un breve periodo para buscar dispositivos. Si la unidad detecta un dispositivo válido que solicita energía y determina que no hay objetos extraños que se calienten o dificulten la transferencia de energía en las proximidades, entonces la unidad puede salir del modo de espera. El nivel de energía de los pulsos en el modo de espera es lo suficientemente alto como para transferir suficiente energía al dispositivo portátil para que pueda comunicarse de vuelta, ya que es posible que las baterías del dispositivo estén totalmente agotadas. La duración de los pulsos es lo suficientemente larga como para determinar que el dispositivo es válido y que no hay objetos extraños presentes que puedan calentarse o interferir de alguna manera con el sistema. El tiempo entre los pulsos es lo suficientemente corto como para que el usuario obtenga una respuesta rápida de que la unidad está operativa. Por tanto, el consumo de energía durante el tiempo de espera tiene un límite.
Además de la energía para determinar la presencia de los dispositivos para suministrar, existen limitaciones prácticas que aumentan el consumo de energía. Por ejemplo, en algunas fuentes energía inductivo se utiliza una fuente de energía de corriente continua incluso entre los pulsos transmitidos. Esto significa que las pérdidas por rectificación de la red siempre están presentes y pueden ser considerables. En algunos escenarios, se utilizan múltiples tensiones de CD y no sería práctico ponerlas en marcha dentro de la duración del pulso, por lo que las pérdidas de conversión de CD podrían estar siempre presentes. El microprocesador de la unidad que acciona la modulación por ancho de pulso para el inversor suele ser de un rendimiento relativamente alto y consume cierta cantidad de energía de forma continua.
Estos y otros factores hacen que sea un problema para un sistema de energía inalámbrico tener una baja potencia en espera. Un intento de solución consiste en disponer de un interruptor, de modo que el usuario encienda la unidad antes de colocar un dispositivo sobre ella. Con un diseño cuidadoso es posible conseguir energías bajas en reposo, pero no hay que olvidar que el sistema de energía inalámbrica es un sistema de bajo consumo. Con un diseño cuidadoso es posible conseguir potencias de espera tan bajas como 0,5W. Sin embargo, es deseable que estas cifras se reduzcan aún más. Un cargador de teléfono móvil típico puede utilizarse sólo durante 3 horas a la semana y pasar el resto del tiempo en espera. Suponiendo un consumo medio de 4W durante la carga y de 0,5W en espera, el consumo anual de energía sería de 0,624kWH para cargar el teléfono y de 4,38kWH mientras está en espera. Esto significa que se desperdicia siete veces más energía en el modo de espera en comparación con la energía utilizada. El impacto de enviar 100 millones de unidades (el 10% de las ventas anuales de teléfonos móviles en 2007) supondría aproximadamente 50MW de capacidad de generación de energía sólo para dar servicio al modo de espera. Cada vez hay más conciencia de que el derroche de energía de los aparatos electrónicos en modo de espera puede contribuir al cambio climático. Por ello, hay iniciativas para reducir el consumo de energía de los aparatos electrónicos mientras están en espera.
Ha habido varios dispositivos destinados a reducir la energía en modo de espera de los televisores y otros aparatos mediante mandos a distancia (US6330175, WO2006106310). Sin embargo, éstos no son aplicables a los sistemas de energía inalámbricos.
Además de los sistemas de energía inalámbricos, otros sistemas, por ejemplo, los sistemas de tarjetas sin contacto, también sufren el desperdicio de energía en el modo de espera.
El documento EP1962403A2 describe un dispositivo de control de transmisión de energía equipado con detección de datos que detecta los datos que han sido transmitidos desde un dispositivo de recepción de energía (40) mediante la modulación de la carga, la detección de objetos extraños y la detección de desprendimiento.
El documento US20080157603A1 describe una fuente de energía inductiva con identificación de dispositivos, capaz de identificar el tipo de dispositivo remoto presente en el campo inductivo.
Síntesis de la invención
La presente invención se dirige a métodos y aparatos para reducir el consumo de energía en una fuente de energía inalámbrica. La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Todos los aspectos de la invención tienen la ventaja de que se reduce el consumo total de energía. Este y otros objetos, ventajas y características de la invención se entenderán y apreciarán más plenamente por referencia a la descripción de la presente realización y a los dibujos.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 muestra un ejemplo de un sistema de energía inalámbrica de la técnica anterior
La Fig. 2 muestra un ejemplo de una fuente de energía inalámbrica de muy baja potencia
La Fig. 3 muestra un ejemplo de diagrama de temporización de la energía a la bobina primaria
La Fig. 4 muestra un circuito sensor representativo
La Fig. 5 muestra una implementación del circuito sensor de la Fig. 4 utilizando un comparador
La Fig. 6 muestra una implementación del circuito sensor de la Fig. 4 utilizando un microcontrolador
La Fig. 7 muestra una interfaz representativa de un circuito de ultra bajo consumo a un circuito de energía inalámbrica
La Fig. 8 muestra un ejemplo de máquina de estados ejecutada por un procesador ULP
La Fig. 9 muestra un ejemplo de diagrama de temporización de la máquina de estados de la Fig. 8
La Fig. 10 muestra un relé de una sola bobina accionado por FET complementarios
La Fig. 11 muestra una implementación del circuito sensor de la Fig. 4 utilizando un microcontrolador y un relé de bobina única
La Fig. 12 muestra una aplicación de adaptación del sistema de energía ultra baja
La Fig. 13 muestra una implementación del circuito sensor de la Fig. 4 utilizando un segundo relé
La Fig. 14 muestra un ejemplo de máquina de estado de un sistema de energía inalámbrico no diseñado para su actualización
La Fig. 15 muestra una implementación en la que se mantiene una fuente de energía de CD existente
La Fig. 16 muestra un ejemplo de una unidad de almacenamiento de energía recargable representativa
La Fig. 17 muestra una implementación de la Fig. 16 que evita la retroalimentación en el circuito de carga
La Fig. 18 muestra un ejemplo de diagrama de flujo del funcionamiento de la fuente de energía inalámbrica
La Fig. 19 muestra un diagrama de flujo del funcionamiento de la fuente de energía inalámbrica en el que hay dos estados de energía
La Fig. 20 muestra un diagrama de temporización de la Fig. 19
La Fig. 21 muestra un ejemplo de diagrama de flujo de funcionamiento en el que la unidad de almacenamiento de energía requiere una recarga relativamente larga
La Fig. 22 muestra una alternativa a la Fig. 2 en la que la unidad de almacenamiento de energía también suministra energía al circuito principal
La Fig. 23 muestra una alternativa a la Fig. 2 en la que un único procesador realiza las funciones del ULP y del circuito principal
La Fig. 24 muestra un circuito sensor representativo que utiliza un inductor de detección adicional
La Fig. 25 muestra un diagrama de flujo que ilustra las mediciones separadas realizadas para determinar el cambio de inductancia
La Fig. 26 muestra un circuito sensor de la Fig. 4 que utiliza un microcontrolador
La Fig. 27 muestra un ejemplo de funcionamiento del circuito de la Fig. 26
La Fig. 28 muestra un circuito sensor representativo que utiliza un detector de picos
La Fig. 29 muestra un circuito sensor representativo que utiliza un circuito sensor de fase
La Fig. 30 muestra un ejemplo de una fuente de energía inalámbrica con circuitos sensor que utilizan un condensador en serie con la bobina primaria
La Fig. 31 muestra un ejemplo de la Fig. 2 con entrada de corriente continua
La Fig. 32 muestra un ejemplo de la Fig 2 con una fuente de energía inteligente
La Fig. 33 muestra un ejemplo de la Fig 2 en el que no se utiliza un elemento de almacenamiento independiente La Fig. 34 muestra un ejemplo de la Fig 33 en el que la entrada de energía es de corriente continua
La Fig. 35 muestra un ejemplo de la Fig 2 en el que no se utiliza un circuito sensor
La Fig. 36 muestra un ejemplo de la Fig 2 en el que hay varias bobinas primarias
La Fig. 37 muestra un ejemplo de la Fig 36 que permite combinaciones de bobinas primarias activas
La Fig. 38 muestra un ejemplo de la Fig 37 que permite el control remoto de una fuente de energía de CD
La Fig. 39 muestra un ejemplo de la Fig 36 que permite el control remoto de una fuente de energía de CD
La Fig. 40 muestra un ejemplo de la Fig 2 que utiliza un sensor de proximidad
La Fig. 41 muestra un ejemplo de la Fig 2 con una salida de red auxiliar
La Fig. 42 muestra un ejemplo de la Fig 2 con control remoto de un circuito auxiliar
La Fig. 43 muestra un ejemplo de la Fig 42 en el que el circuito sensor tiene acceso directo al control remoto La Fig. 44 muestra un ejemplo de la Fig 2 integrado en otro dispositivo electrónico
La Fig. 45 muestra un ejemplo de la Fig 2 integrado en otro dispositivo electrónico
La Fig. 46 muestra un ejemplo de la Fig 2 que utiliza la identificación por radiofrecuencia
Descripción de las realizaciones actuales
La Fig. 1 muestra un ejemplo de sistema de energía inalámbrica 100, que utiliza la inducción electromagnética. Hay una fuente de energía inalámbrica 102 que toma energía eléctrica y transmite esta energía a un dispositivo portátil 104. El cargador toma una entrada eléctrica de CA de la red. Ésta se rectifica mediante un rectificador de red 106 para producir DC. Esta corriente continua es convertida a un voltaje más bajo mediante un convertidor DC-DC 108. La tensión reducida se utiliza para accionar un inversor 110. El inversor 110 genera una tensión de CA que se aplica al circuito del depósito, que incluye un condensador 114 y una bobina primaria 112. El dispositivo portátil 104 tiene una bobina secundaria 116, y a veces un condensador resonante 116, que se acopla a la bobina primaria 112, produciendo así una tensión. Este voltaje se rectifica con el rectificador 120 y se convierte a un voltaje más bajo utilizando un convertidor CC/CC 122 para alimentar la carga 124. La carga 124 es representativa de las partes que requieren energía del dispositivo portátil 104 e incluye, por ejemplo, la batería y el circuito de carga. Hay un elemento de control 126 en la fuente de energía inalámbrica 102. Se utiliza para ajustar el convertidor DC/DC 108 para regular la tensión de la bobina y generar las señales moduladas de ancho de pulso para el inversor 110. También puede utilizarse para la detección de dispositivos y para detectar la presencia de objetos extraños que puedan afectar negativamente al funcionamiento.
Las siguientes descripciones de las realizaciones no pretenden limitar el alcance de la invención que se describe, sino más bien permitir a un experto en la materia hacer y utilizar la invención. En las figuras se utilizan números de referencia similares para designar componentes similares.
La Fig. 2 muestra una fuente de energía inalámbrica 200 de un ejemplo de la invención.
Esta realización incluye un rectificador de red 218, un convertidor DC/DC 216, un inversor 210, un condensador 214, una bobina primaria 212 y una unidad de control 208. Esta realización también incluye un interruptor, SW1 202, una unidad de almacenamiento de energía 204 y un circuito sensor 206. Cuando la fuente de energía inalámbrica o unidad primaria 200 está en modo de espera (conocido aquí como "modo de ultra baja potencia" o ULP), el SW1202 está abierto, de modo que no se extrae energía de la red eléctrica. En el modo de ultra bajo consumo, el único elemento que consume energía es el circuito sensor 206. El circuito sensor 20 toma su energía del elemento de almacenamiento de energía 204. El circuito sensor 206 detecta cuando se coloca un objeto en (o se retira de) la proximidad de la fuente de energía inalámbrica 200, pero no determina si el objeto es o no un objeto legítimo, como un dispositivo secundario válido, ni si desea o no energía. Si el circuito sensor 206 detecta que se ha colocado un objeto sobre (o en la proximidad de) la fuente de energía inalámbrica 200, entonces el SW1 202 se cierra permitiendo que los circuitos de la fuente de energía inalámbrica 200 reciban energía. Opcionalmente, el elemento de almacenamiento de energía 204 puede tomar energía para recargarse cuando el SW1 202 está cerrado. El elemento de control 208 de la fuente de energía inalámbrica 200 determina entonces i) si hay un dispositivo válido presente, ii) si hay un dispositivo válido si desea energía; iii) si hay un objeto extraño presente. Si hay un dispositivo válido que requiere energía y no hay objetos extraños presentes, entonces el elemento de control 208 activará el inversor 210 para suministrar energía al circuito del depósito, que incluye la bobina primaria 212 y el condensador 214, para suministrar energía al dispositivo portátil (no mostrado).
Los objetos extraños pueden detectarse utilizando un método divulgado en GB2414121. Si se detecta un dispositivo válido, éste comunica su necesidad de energía a la fuente de energía inalámbrica 200. La fuente de energía inalámbrica 200 mide la energía que se extrae de la bobina primaria 212 y la compara con la necesidad de energía comunicada por el dispositivo. En una realización, si no hay una diferencia significativa entre los dos valores, la fuente de energía inalámbrica 200 determina que hay un dispositivo válido y que no hay objetos extraños presentes y, por lo tanto, permite la entrega de energía completa al dispositivo.
Una ventaja de esta disposición es que el circuito sensor 206 puede consumir muy poca energía, ya que no necesita hacer nada más complicado que determinar si se ha producido un cambio en la inductancia. El umbral de cambio de inductancia puede ajustarse a un valor relativamente bajo para obtener una alta sensibilidad. Un falso accionamiento no tendrá un efecto dramático en el consumo de energía, ya que la unidad de control 208 de la fuente de energía inalámbrica 200 se asegurará opcionalmente de que hay un dispositivo válido antes de suministrar toda la energía. En general, la corriente para detectar un cambio de inductancia es mucho menor que la corriente para transferir energía al dispositivo portátil y, por tanto, es posible un importante ahorro de energía. Cabe señalar que estos interruptores pueden configurarse para aislar el circuito sensor 206 y minimizar las pérdidas. También hay que señalar que las alternativas que utilizan diodos de bloqueo y diversos circuitos de conmutación pueden proporcionar una solución alternativa con pérdidas mínimas.
La Fig. 3 muestra ejemplos de diagramas de temporización de la potencia suministrada a la bobina primaria 212 (no a escala). La Fig. 3(a) muestra un ejemplo cuando se coloca un objeto extraño en la fuente de energía inalámbrica 200 en el momento A. Periódicamente, el circuito sensor 206 se enciende para ver si se ha producido un cambio de inductancia desde la medición anterior. Después de colocar el objeto extraño en la fuente de energía inalámbrica 200, se detectará un cambio de inductancia en el siguiente punto de detección, B. Esto hará que el sistema conecte la red eléctrica. En el punto C, el sistema comprobará si se trata de un dispositivo válido, si requiere energía y si hay objetos extraños presentes. Como el objeto es extraño, el sistema no se encenderá, sino que permanecerá en modo de ultra bajo consumo. En el siguiente punto de detección D, la inductancia será la misma que en el punto B porque el objeto extraño sigue ahí. Por lo tanto, no se observará ningún cambio de inductancia y el sistema permanecerá en modo de potencia ultra baja. Permanecerá en modo de potencia ultra baja hasta el siguiente cambio de inductancia.
Cuando se retire el objeto, se producirá otro cambio de inductancia y el sistema volverá a buscar dispositivos válidos.
La Fig. 3(b) muestra un ejemplo de diagrama de tiempo cuando se coloca un dispositivo válido en la fuente de energía inalámbrica 200 en el momento E. En el siguiente punto de detección (momento F), la fuente de energía inalámbrica 200 detectará el cambio de inductancia, conectará la red eléctrica y en el punto G buscará dispositivos válidos. Determinará que hay un dispositivo válido. Como resultado, en el punto H el sistema suministrará toda la energía al dispositivo portátil. Cuando el dispositivo esté completamente cargado, la unidad de control 208 determinará que no se necesita más energía y pondrá el sistema en modo de ultra bajo consumo (siempre que no haya otros dispositivos válidos que necesiten energía). Si se retira el dispositivo, se activará el circuito sensor 206, pero sólo se suministrará la energía completa cuando se coloque un dispositivo válido que requiera energía en la fuente de energía inalámbrica 200. Cabe señalar que el sistema puede funcionar si se coloca al mismo tiempo un objeto extraño y un dispositivo válido. También es capaz de funcionar si se colocan varios objetos extraños al mismo tiempo pero se retiran en momentos diferentes y viceversa.
La Fig. 3(c) muestra un ejemplo de diagrama de temporización cuando hay un dispositivo que recibe energía y, posteriormente, este dispositivo ya no necesita energía (por ejemplo, porque se ha cargado completamente o porque se ha retirado el dispositivo). En el punto I, la fuente de energía inalámbrica 200 suministra energía al dispositivo (o dispositivos) presente. En el punto J, el sistema determina que ya no hay dispositivos que requieran energía y, por lo tanto, deja de suministrarla. En el punto K, el sistema realiza una medición de inductancia de calibración. Esta es la medición de la inductancia con la que se compararán las mediciones posteriores para activar el circuito sensor 206. Esto puede llevar más tiempo que una medición normal, ya que es importante asegurarse de que la medición de calibración es válida y no una medición errónea. En el punto L, el sistema realiza otra comprobación para determinar si hay dispositivos válidos presentes, ya que es posible que se haya colocado un dispositivo en la unidad justo antes de realizar la medición de calibración. Suponiendo que no se haya detectado ningún dispositivo, en el punto M el sistema pasa al estado de ultra bajo consumo en el que se realizan periódicamente mediciones de inductancia de baja potencia para detectar si se ha colocado otro dispositivo en las proximidades.
La Fig. 4 muestra una forma de implementar el circuito sensor 206. En este ejemplo, el circuito sensor 206 utiliza un oscilador de frecuencia variable para detectar el cambio de inductancia. El circuito sensor 206 tiene un oscilador 402, cuya frecuencia está determinada en parte por una inductancia externa. Esta inductancia externa es proporcionada por la bobina primaria 212. Si la bobina primaria 212 tiene un extremo conectado a tierra, entonces puede ser ventajoso utilizar una topología de oscilador en la que el inductor está conectado a tierra. Esto permite que la bobina primaria 212 se conecte al circuito sensorial 206 utilizando un solo interruptor. En lugar de conectar directamente la bobina primaria 212 al circuito sensor 206, la bobina primaria 212 puede acoplarse inductivamente (por ejemplo, enrollando vueltas alrededor del cable de la bobina primaria 212) o acoplarse capacitivamente utilizando un condensador o capacitancia externa. En el ejemplo mostrado en la Fig. 4, la bobina 212, Lp está acoplada al Oscilador 402 a través de SW3404. La salida del oscilador 402 se acopla a la entrada digital de una unidad de microprocesador (MPU) 406. El oscilador 402 puede tener una salida digital, sinusoidal o de otro tipo. Sin embargo, si se utiliza una salida no digital, esta señal puede convertirse en digital antes de llegar a la MPU 406 (por ejemplo, utilizando un comparador). Independientemente de la forma de salida, puede formarse una corriente sinusoidal en el inductor, para evitar que los armónicos no deseados sean una causa de interferencia electromagnética. En algunas realizaciones, la bobina inductora puede irradiar a través de una amplia gama de frecuencias. La MPU 406 realiza una medición relativa de la inductancia midiendo la frecuencia de la señal. Esto se logra utilizando contadores internos dentro de la MPU 406 y contando el número de pulsos dentro de un intervalo de tiempo definido.
La Fig. 5 muestra el circuito sensorial 206 utilizando un tipo de oscilador 402, basado en un comparador 502. Este tipo de oscilador 402 es bien conocido. Véase, por ejemplo, http://ironbark.bendigo.latrobe.edu.au/~rice/lc/index2.html. En este tipo de oscilador 402, el componente activo es un comparador (Comp) 502 que proporciona una salida máxima si la entrada no inversora (+I/P) es mayor que la inversora (-I/P) y una salida mínima (normalmente 0V o cerca de la alimentación negativa) en caso contrario. La frecuencia está determinada por el tanque resonante LC proporcionado por Lp 212 y C1. C1 puede elegirse de forma que la frecuencia de resonancia del circuito LC, 1/(2nV(LC)), esté a medio camino entre el rango de entrada de frecuencia del microprocesador y lo suficientemente bajo como para que no haya radiación no deseada de la bobina. Por ejemplo, si la bobina primaria 212 tiene una inductancia de 60mH entonces un valor de C1 de aproximadamente 2nF da una frecuencia de resonancia de 460kHz. El valor de 2nF puede realizarse utilizando dos condensadores de 1nF en paralelo. Muchos microprocesadores permiten entradas de frecuencia de 1MHz, por lo que esto da una amplia gama de variación de frecuencia. La frecuencia de resonancia se reducirá típicamente cuando se coloque un dispositivo válido si contiene ferrita o material con propiedades similares a la ferrita. Por ejemplo, el dispositivo puede tener un núcleo de ferrita o el dispositivo puede incluir materiales con propiedades de saturación más altas. Sin embargo, los objetos metálicos tenderán a aumentar la frecuencia. Además de permitir el cambio de inductancia causado por los objetos y dispositivos, se dispone de una amplia gama de frecuencias para hacer frente a las tolerancias de los componentes tanto de la bobina como de C1. También puede ser útil en sistemas de bobinas múltiples, como se verá más adelante.
El circuito del tanque está acoplado a la entrada no inversora a través del condensador C2. El valor de C2 debe ser grande para presentar una baja impedancia para las señales de CA. Sin embargo, los condensadores grandes ocupan más espacio y cuestan más. En una realización, un buen compromiso es 100nF ya que esto permite utilizar un condensador cerámico no electrolítico que es barato y pequeño. La polarización de DC se proporciona a la entrada no inversora a través de un divisor de potencial formado entre las resistencias R1 y R2. R1 y R2 deben ser aproximadamente iguales para polarizar la entrada no inversora a medio camino entre los carriles de suministro. Deben ser grandes para reducir la corriente de polarización entre los raíles de suministro, ya que esto supondrá un consumo de energía. Sin embargo, es posible que sean pequeños en relación con la impedancia de entrada del comparador 502. Un compromiso es hacer que R1=R2=100k. Esto debería ser un factor de 10 menos que la impedancia de entrada. Con una alimentación de 3V, esto dará como resultado una corriente de sólo 15|j A (45|j A de disipación de potencia) en las resistencias de polarización. Una retroalimentación positiva adicional es proporcionada por la resistencia R4 (típicamente 100k) que puede mejorar el rendimiento transitorio. La retroalimentación negativa de DC la proporciona R3 y lleva la entrada inversora al mismo valor de DC que la entrada no inversora a medio camino entre los carriles de suministro. El condensador C3 proporciona un cortocircuito de CA entre la entrada inversora y tierra para evitar el ruido espurio. C3 puede tomar un valor de 100nF por razones similares a C2.
El oscilador 402 partirá de ruido espurio en la entrada del comparador de alta ganancia 502. La señal a través del circuito tanque LC será sinusoidal. Sin embargo, la salida del comparador será digital, permitiendo así la conexión directa a la entrada digital de la unidad de microprocesador (MPU) 406 (OSC I/P). La alimentación de la MPU 406, del comparador 502 y de las resistencias de polarización procede de la unidad de almacenamiento de energía 204. La MPU 406 está configurada para que la OSC I/P esté conectada a su contador interno. La MPU 406 reinicia el contador y espera un período de tiempo específico predeterminado. Al final del periodo de tiempo, la MPU 406 lee el contador y utiliza este valor como la medida de inductancia indicada. La MPU 406 tomará inicialmente una medición y la almacenará. Periódicamente tomará mediciones hasta que se tome una medición que sea lo suficientemente diferente de la medición inicial que indique que se ha producido un cambio de inductancia (a diferencia del ruido). El circuito sensorial 206 responderá entonces a este cambio de inductancia alterando adecuadamente sus salidas para controlar los interruptores externos.
Una ventaja de este tipo de oscilador 402 es que se pone en marcha rápidamente debido a la alta ganancia del comparador 502 y también que puede oscilar en un amplio rango de frecuencias y un amplio rango de tensión de suministro. Esta última característica es importante, ya que la mayoría de las tecnologías de almacenamiento de energía suelen reducir su tensión con el paso del tiempo, y el hecho de poder operar en un rango de tensión amplio y bajo puede aumentar el periodo de tiempo en el que la unidad puede funcionar antes de que el elemento de almacenamiento de energía se recargue o se sustituya.
La Fig. 6 muestra otro ejemplo de circuito sensor. Esta realización utiliza un microcontrolador específico 602, un PIC16F506 fabricado por Microchip® Inc. Son posibles implementaciones similares utilizando microcontroladores o microprocesadores de otros fabricantes. El PIC16F506 tiene un comparador interno que puede utilizarse para sustituir al comparador externo (Comp) 502 de la Fig. 5. Esto permite reducir considerablemente el tamaño y el coste del sistema. El circuito básico del oscilador es el mismo que el de la Fig. 4 y se pueden utilizar los mismos valores de componentes. En lugar de conectar la resistencia de polarización R1 a la alimentación positiva, se conecta a una salida digital del PIC (polarización). Esta salida puede configurarse como cualquiera de las salidas digitales disponibles, por ejemplo RC0. El PIC puede alimentar hasta 25mA por lo que suministrar los 15jA está dentro de su capacidad. Esto permite al PIC desconectar la polarización cuando el oscilador no se está utilizando, proporcionando así una reducción significativa en el consumo de energía. Un único relé 604 se utiliza para conmutar la red eléctrica y también para conmutar la bobina. Un relé adecuado 604 es el Panasonic DE2BL2-3V. Este relé 604 tiene dos contactos, (xl, x2). En el estado de 'activación' el contacto (xl) está conectado y el contacto (x2) desconectado; en el estado 'reinicio' el contacto (xl) está desconectado y el contacto (x2) está conectado. El relé 604 tiene dos bobinas (yl, y2). Cuando se aplica un impulso (de 2,25V a 3,75V y de unos 10-100ms de duración) a y1, el relé 604 entra en el estado de 'activación'. Cuando se aplica un pulso similar a y2, el relé 604 entra en el estado de "reinicio". El relé 604 se bloquea en los estados de ajuste o reinicio y puede permanecer allí indefinidamente. Esto tiene la ventaja de que el relé 604 no consume energía, excepto en los breves instantes en que se conmuta. Esto significa que el relé 604 generalmente no aumenta el consumo de energía en el estado de ultra bajo consumo. El contacto x l está colocado en serie con la línea de entrada de corriente de la red que alimenta el sistema de energía inalámbrica y se utiliza para desconectar la red cuando el sistema está en modo de energía ultra baja. El contacto x2 se utiliza para reemplazar el interruptor SW3404 en la Fig. 5 y se utiliza para conectar la bobina cuando el sistema está en modo de potencia ultra baja.
En un ejemplo, la MPU 406 asegura que su fuente de energía no se agote. Un método sencillo para determinar la potencia disponible es medir la tensión de entrada, ya que ésta suele reducirse a medida que se agota la energía. Esto puede lograrse alimentando la MPU 406 directamente del elemento de almacenamiento de energía 204. En el PIC16F506 hay un convertidor analógico-digital (ADC) que está referenciado a la tensión de entrada. También hay una tensión de referencia de 0,6V generada internamente para calibrar el ADC. Configurando el ADC para leer la referencia de 0,6V es posible determinar el voltaje de la fuente de energía. Por ejemplo, el PIC16F506 funciona con una alimentación de 2V, pero normalmente se utiliza una alimentación de 2,6V para garantizar un funcionamiento fiable del oscilador. Por lo tanto, por ejemplo, un umbral de 2,8V puede ser apropiado para determinar una condición de subtensión. El convertidor ADC tiene 8 bits (256 niveles), por lo que a una alimentación de 2,8V, la referencia de 0,6V debería leer (0,6/2,8)*256=54. Si la lectura supera los 54, es una indicación de que la energía ha caído por debajo de los 2,8V. Si el sistema tiene una batería recargable, entonces puede encenderse durante un período de tiempo para recargarla cuando se determina una condición de subtensión. Si el sistema no tiene una batería recargable, puede simplemente encender un LED para informar al usuario de que la batería necesita ser reemplazada. En cualquier caso, el sistema puede estar encendido durante una condición de baja tensión para que la unidad de energía inalámbrica 200 siga funcionando.
En un ejemplo, si la MPU 406 emplea un regulador de tensión en su fuente de energía (por ejemplo, si la unidad de almacenamiento de energía 204 tiene una tensión de salida muy variable), la condición de subtensión puede determinarse utilizando dos resistencias de baja tolerancia (normalmente el 1 % o menos) para formar un divisor de potencial a través de la tensión de salida del almacenamiento de energía 204. Si no hay pines de entrada disponibles en la MPU 406, se puede utilizar la red de polarización (R1, R2). La tensión de polarización exacta no es crítica para el oscilador 402, por lo que las resistencias de polarización podrían conectarse a la salida del Almacenamiento de Energía 204 en lugar de la tensión regulada (la relación de R1 y R2 puede ajustarse). Cuando el oscilador 402 se desconecta (apagando los comparadores 502, 602), la entrada no inversora puede reconfigurarse temporalmente para ser una entrada analógica, de modo que pueda leerse la tensión de polarización.
El relé 604 es controlado por las salidas digitales OP1 y OP2 de la MPU 406. Las salidas digitales controlan los transistores Q1 y Q2 para pulsar selectivamente y1 o y2. Estos pueden ser configurados para ser cualquiera de los pines de salida digital disponibles. Por ejemplo, OP1 podría configurarse como RC1 y OP2 podría configurarse como RC2. En la realización actual, los pines de salida digital no son capaces de suministrar o absorber suficiente corriente para activar los relés. Se pueden emplear transistores externos. Pueden emplearse MOSFET, JFET, u otro tipo de transistores. En un ejemplo, se selecciona un transistor con una resistencia muy alta para minimizar el consumo de corriente cuando los relés no están siendo activados. En este ejemplo se utilizan dispositivos NMOS, pero también pueden utilizarse dispositivos PMOS. (Los dispositivos PMOS pueden permitir que las bobinas de los relés estén conectadas a tierra, lo que puede mejorar la fiabilidad, un ejemplo de lo cual se ilustra más adelante en la Fig. 13). Los diodos D1 y D2 se utilizan para proporcionar un camino de retorno para cualquier emf de retorno generado en la bobina. OP1 se acopla a la puerta del transistor Q1 y OP2 se acopla a la puerta del transistor Q2. Las fuentes de Q1 y Q2 están conectadas a tierra. El drenaje de Q1 está conectado a la bobina y1 y el drenaje de Q2 está conectado a y2. La conexión común entre las dos bobinas está conectada a la alimentación positiva. Además, hay un puerto de salida para transmitir información al procesador principal y un puerto de entrada para recibir información del procesador principal. Como alternativa, se puede utilizar un único puerto bidireccional.
La Fig. 7 ilustra, a modo de ejemplo, cómo el circuito de ultra baja potencia 700 interactúa con el circuito principal de energía inalámbrica 704. El circuito de potencia ultra baja 700 incluye la unidad de almacenamiento de energía 204 y el circuito sensorial 206. El circuito sensor 206 incluye un microprocesador, al que se hace referencia como procesador ULP 702 en esta realización. El circuito principal 704 incluye componentes para la transferencia de energía inalámbrica (en este ejemplo el procesador principal 706, el interruptor SW1 202, la rectificación de red 218, el convertidor DC/DC 216, el inversor 210, el condensador resonante 214 y la bobina primaria 212). El circuito ULP 700 está continuamente encendido (aunque puede estar en modo de "reposo" cuando no realiza funciones activamente). El circuito principal 704 está controlado por el circuito ULP 700 y sólo se enciende cuando el circuito ULP 700 activa el SW1 202. El puerto de salida del procesador ULP 702 (SigU) está conectado a un puerto de entrada del procesador principal 706 y un puerto de salida del procesador principal 706 (SigM) está conectado al puerto de entrada del procesador ULP 702.
La Fig. 8 muestra un ejemplo de máquina de estados ejecutada por el procesador ULP 702 en una realización de la fuente de energía inalámbrica. Después de la inicialización, el procesador ULP 702 comienza en el estado Cal (S1). En este estado, el procesador del ULP 702 mide la frecuencia del oscilador del circuito sensor para que las mediciones posteriores puedan ser comparadas con él. En realizaciones alternativas con diferentes circuitos sensores, este proceso puede ser diferente o innecesario. El estado Cal genera los umbrales superior e inferior para la comparación de frecuencias. El sistema permanece en el estado Cal hasta que se obtiene una calibración válida.
Después del estado Cal (S1), el sistema conecta la red y entra en el estado de encendido (S2). Es posible que se haya puesto un dispositivo en el sistema justo antes de que se ejecute el estado Cal (S1), por lo que el sistema puede hacer una comprobación adecuada de los dispositivos válidos antes de entrar en el estado de ultra bajo consumo. El circuito principal 704 tarda en encenderse. Por lo tanto, la máquina de estado permanece en el estado de Encendido (S2) hasta que el procesador principal 706 afirma una señal alta (SigM=1) en su salida. Después de recibir esta señal, el sistema inicializa el Contador de Búsqueda a x y entra en el Estado de Búsqueda (S3).
En el estado de búsqueda (S3), el sistema espera a que el procesador principal 706 determine si hay un dispositivo válido o no. Si el procesador principal 706 determina que no hay un dispositivo válido (o que hay un objeto extraño presente) entonces toma la señal baja (SigM=0). El contador de búsqueda se decrementa cada vez que se ejecuta este estado. El sistema permanece en este estado hasta que el procesador principal 706 afirma una señal baja (SigM=0) o el contador de búsqueda ha llegado a cero indicando que ha ejecutado este estado más de x veces. Si SigM=0 entonces el sistema entra en el estado de desconexión (S4), de lo contrario el sistema entra en el estado de operación (S6).
En el estado de desconexión (S4), el procesador ULP 702 espera a que el circuito principal 704 determine que es seguro desconectar la red eléctrica. El circuito principal 704 apaga todos los componentes de manera ordenada y espera hasta que el voltaje de la bobina haya alcanzado un valor cercano a cero antes de afirmar SigM=1. Después de determinar SigM=1, el procesador ULP apaga la Red y entra en el Estado de Ultra Bajo Consumo (S5).
En el estado de ultra bajo consumo (S5), el procesador ULP 702 enciende el oscilador del circuito sensor, mide la frecuencia y apaga el oscilador del circuito sensor. Si la frecuencia está fuera de los límites del umbral determinado por el Estado de Calibración, el sistema enciende la red eléctrica y entra en el Estado de Encendido (S2). Hasta que esto ocurra, el sistema permanece en el Estado de Ultra Bajo Consumo (S5).
Si el sistema entra en el Estado de Operación (S6) desde el Estado de Búsqueda (S3), entonces es porque el procesador principal 706 determinó que había un dispositivo válido presente y ningún objeto extraño presente. Por lo tanto, el circuito principal 704 activa todos los circuitos para suministrar energía al dispositivo. El sistema permanece en el estado de operación (S6) hasta que el procesador principal 706 afirma (SigM=1). Cuando SigM=1, el sistema desconecta la red eléctrica y entra en el Estado de Restablecimiento de Energía (S7). Esto indica que el dispositivo se ha cargado completamente o que se ha retirado. Después de cualquiera de estos eventos puede ser posible comenzar de nuevo con un nuevo valor de calibración.
En el estado de restablecimiento de energía, el procesador principal 706 desconecta los elementos del circuito principal 704 de forma ordenada, espera a que la tensión de la bobina se acerque a cero y entonces afirma SigM=0. Cuando el procesador ULP 702 determina que SigM=0 entra en el estado Cal (S1).
El estado de restablecimiento de energía es similar al estado de desconexión, excepto que en lugar de salir al estado de ultra bajo consumo (S5), sale al estado Cal (S1). En lugar de tener un estado extra (S7), es posible utilizar una variable extra establecida por el Estado de Búsqueda que indica si el estado después del estado de Desconexión (S4) debe ser el Estado Cal (S1) o el Estado de Ultra Bajo Consumo (S5).
Puede producirse un falso accionamiento si el sistema ha derivado (por ejemplo, debido a la deriva del oscilador o a la fluctuación de la temperatura ambiente). Para evitar que el sistema se quede atascado en un bucle en el que continuamente se enciende y vuelve a ultra bajo consumo, es posible tener un límite en el número de "falsos accionamientos". Esto puede implementarse teniendo un conteo de Falsos Accionamientos que se incremente cada vez que ocurra un Falso Accionamiento. Se puede utilizar un contador para contar cada estado y cuando este contador se desborda (por ejemplo, después de 256 estados) el recuento de falsos accionamientos se reinicia. Cuando el recuento de falsos accionamientos supera un determinado umbral, el sistema entra en el Estado de cal (S1) para poder obtener una nueva calibración.
Además, existe un Estado de Error, al que se puede entrar desde cualquier estado si se produce un error. Hay un número de diferentes causas que podrían generar un error y sólo algunos se enumeran aquí. Esto podría ser generado por un tiempo de espera, por ejemplo, si no se recibe una Calibración válida después de un número determinado de ciclos de estado o si el Procesador Principal 706 no afirma SigM=1 para indicar que se ha encendido dentro de un número determinado de ciclos de estado. Una vez eliminado el error, el sistema puede entrar en el estado de Restablecimiento de Energía (S7), seguido por el Estado de Calibración (S1). Una condición de falta de tensión también podría poner el sistema en el estado de error. Alternativamente, podría haber un estado separado para la condición de bajo voltaje.
En un ejemplo, el procesador ULP 702 incluye un reloj oscilador principal del procesador ULP y un reloj oscilador o temporizador separado del procesador ULP de vigilancia. El procesador ULP está configurado de tal manera que ejecuta un estado después de cada tiempo de espera del temporizador de vigilancia. Después de ejecutar las instrucciones asociadas a cada estado, el procesador ULP 702 se pone en un modo de "reposo" de bajo consumo. En esta configuración, el procesador ULP se suspende temporalmente y todas las funciones se apagan cuando es posible, incluido el reloj oscilador principal del procesador ULP. El temporizador de vigilancia del procesador ULP permanece activo mientras se suspenden las demás funciones del procesador ULP. El consumo de energía en modo de reposo está especificado para ser inferior a 1,2|j A a 2V y suele ser de 100nA. El intervalo de tiempo entre cada estado es un compromiso entre maximizar el tiempo que el procesador está en reposo para conservar la energía y tener el intervalo de tiempo lo suficientemente corto como para que haya poco retraso observable. Un compromiso adecuado es establecer el intervalo de tiempo para ser nominalmente 288ms mediante el ajuste apropiado del prescaler del vigilante.
La Fig. 9 muestra algunos ejemplos de diagramas de tiempo para una máquina de estado de la forma mostrada en la Fig. 8. Estos muestran la señal SigU del procesador ULP 702 y la señal SigM del procesador principal 706. Inicialmente el sistema está en el estado ULP (S5). En el primer estado (1 en el diagrama), el circuito ULP 700 detecta que se ha producido un cambio de inductancia y conecta la red eléctrica y establece SigU=1. El circuito ULP 700 entra en el estado de encendido (S2). En las siguientes 2 transiciones de estado (2,3), el circuito principal 704 sigue encendiéndose y, por tanto, SigM=0. Entre la tercera y la cuarta transición, el circuito principal 704 se ha encendido completamente y ha establecido SigM=1. El circuito principal 704 comienza ahora a buscar dispositivos. En la cuarta transición, el procesador ULP 702 ve que SigM=1, por lo que reconoce poniendo SigU=0 y luego entra en el estado de búsqueda (S3). Durante el estado de búsqueda, el procesador ULP 702 cuenta los ciclos de estado.
Si el procesador principal 706 determina que no hay ningún dispositivo presente, entonces establece SigM=0. Si esto ocurre dentro de un número fijo de ciclos de estado (por ejemplo, 5 o 10) entonces el procesador ULP 702 determina que no había ningún dispositivo presente. En el ejemplo, el procesador principal 706 establece SigM=0 entre la quinta y la sexta transición. En la sexta transición el procesador ULP 702 ve que SigM=0 indicando que el procesador principal 706 desea apagarse. El procesador ULP 702 señala SigU=0 (para indicar que está funcionando correctamente y que está listo para tomar el control) y luego entra en el estado de desconexión (S4).
Después de que el procesador principal 706 ha recibido el reconocimiento del procesador ULP 702 en la sexta transición, comienza a apagar todos los circuitos de manera ordenada. Una vez completado esto, espera a que la tensión de la bobina caiga por debajo de un valor umbral (típicamente cercano a 0V) y entonces pone SigM=1. Cuando el procesador ULP 702 recibe esta señal (en el octavo estado) entonces desconecta la red eléctrica y entra en el estado de ultra bajo consumo (S5).
Si hubiera habido un dispositivo presente, entonces el procesador principal 706 habría mantenido SigM=1 en lugar de establecer SigM=0 entre el quinto y el sexto estado. Esto habría significado que el número de ciclos contados durante el estado de búsqueda habría superado el umbral y el procesador ULP 702 habría determinado que había un dispositivo presente y, en consecuencia, entraría en el estado de operación (S6). El circuito ULP 700 permanecería en el Estado de Operación hasta que recibiera SigM=0, tras lo cual entraría en el Estado de Restablecimiento de Energía (S7).
El software para implementar la máquina de estado puede escribirse directamente en el lenguaje ensamblador de la MPU o puede escribirse en un lenguaje de alto nivel (por ejemplo, C) y compilarse en lenguaje ensamblador o puede utilizarse un híbrido de ambos. Es ventajoso utilizar el lenguaje ensamblador para implementar la función de medición, ya que significa que sólo se necesita un contador de 8 bits. La medición puede realizarse en un intervalo de tiempo fijado por un número determinado de ciclos de instrucción ejecutados por la MPU. La MPU puede comprobar periódicamente si el contador se ha desbordado e incrementar un byte de contador de sobrecarga si esto sucede (teniendo cuidado de asegurar que esta bifurcación no altere el tiempo tomado). El intervalo de tiempo de medición es un compromiso entre tener una alta sensibilidad y asegurar que la MPU esté en modo de reposo la mayor parte del tiempo. Un compromiso adecuado es 1ms, pero se pueden utilizar periodos más cortos o más largos. El PIC puede ser configurado para usar el oscilador interno de 4MHz para dar un bajo consumo de energía mientras permite hacer mediciones precisas.
La rutina de calibración puede establecer los umbrales superior e inferior para activar el circuito sensorial 206. El número de periodos contados durante cualquier periodo de medición particular variará típicamente en uno dependiendo de la fase del oscilador 402 con respecto a la fase del reloj interno en el momento en que se realiza la medición. Es posible realizar una serie de mediciones para la rutina de calibración (por ejemplo, 5 o 10) para determinar los recuentos más altos y más bajos. El Umbral Inferior se puede ajustar para que sea un número fijo de recuentos (por ejemplo 2) por debajo de la lectura más baja y el Umbral Superior se puede ajustar para que sea un número fijo de recuentos sobre la lectura más alta.
Antes de cada medición o serie de mediciones, el oscilador 402 y el circuito de polarización pueden ser encendidos. Esto se consigue encendiendo el comparador 502 y encendiendo el puerto para aplicar la polarización. Asimismo, estos deben ser apagados después de cada medición o serie de mediciones.
Es posible conservar la energía en el modo de ultra bajo consumo ya que el sistema probablemente estará en este modo la mayor parte del tiempo. El tiempo que tarda el oscilador 402 en despertarse y estabilizarse puede variar de un dispositivo a otro y con el tiempo y la temperatura. En lugar de esperar un periodo de tiempo determinado (que puede incluir algún margen extra) es posible reducir el tiempo de encendido del oscilador 402 para conservar la energía. Se toman varias mediciones en un bucle y se sale de este bucle antes de tiempo si la medición cae entre los umbrales superior e inferior. Es poco probable que el ruido aleatorio dé lugar a una medición entre los dos umbrales (incluso si esto ocurre, el sistema se activará en la siguiente transición de estado si se ha producido un cambio de inductancia). Por ejemplo, se toma una serie de siete mediciones de 1ms y el bucle sale en la primera medición válida. Utilizando esta técnica, el tiempo total de medición para tomar una decisión es típicamente de 2ms (porque el oscilador generalmente se pone en marcha en menos de 1ms). Esto resulta en un consumo de energía extremadamente bajo durante la ultra baja potencia, porque la MPU 406 y el oscilador 402 sólo están activos durante 2ms cada transición de estado. Si el tiempo entre transiciones de estado es de 288ms, entonces la MPU 406 está en modo de reposo (con el oscilador apagado) durante el 99,3% del tiempo. Utilizando un PIC16F506, el consumo de energía del sistema en modo de ultra bajo consumo es normalmente de sólo unos 30|j W. Esto significa que se podrían utilizar pilas no recargables (por ejemplo, 2 pilas alcalinas AA o 2 pilas AA), ya que la vida útil sería de varios años.
Aunque el ejemplo muestra una máquina de estados sincrónica, en la que hay un intervalo de tiempo igual entre cada estado, es posible utilizar una máquina de estados asincrónica, o utilizar una implementación alternativa sin máquina de estados. La máquina de estados o el algoritmo podrían implementarse en hardware, en un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) en una matriz de puertas programables en campo (FPGA) en lugar de un microprocesador.
En lugar de comunicarse entre el procesador ULP 702 y el procesador principal 706 como se ha descrito, los procesadores podrían comunicar mensajes más complejos utilizando un enlace en serie o en paralelo. Podrían utilizar un estándar como un bus I2C. El procesador ULP 702 podría comunicar información al procesador principal 706 relacionada con las mediciones realizadas. Esto podría permitir al procesador principal 706 deducir información sobre los dispositivos. Por ejemplo, a partir del cambio de inductancia medido, el procesador principal 706 podría deducir que el dispositivo es de un tipo particular y, por lo tanto, adaptar su frecuencia y/o niveles de tensión/corriente/potencia en consecuencia. Esto podría permitir una puesta en marcha más rápida ya que evitaría la necesidad de enviar múltiples avisos de diferente frecuencia para establecer el tipo de dispositivo. La frecuencia podría adaptarse variando la frecuencia de la señal aplicada a las bobinas y/o variando una capacitancia y/o inductancia para cambiar la frecuencia de resonancia del sistema. El sistema podría alternativamente, o además de, utilizar el conocimiento de la frecuencia absoluta de oscilación para establecer la frecuencia de resonancia del sistema directamente.
Existen otros numerosos circuitos osciladores que pueden utilizarse en lugar del oscilador comparador LC. Por ejemplo y sin limitación, se pueden utilizar osciladores basados en JFET, transistores bipolares o MOSFET, amplificadores operacionales o puertas lógicas. Se pueden utilizar varias topologías de osciladores, incluyendo sin limitación Hartley, Clapp y Armstrong. En lugar de medir la inductancia de la bobina primaria 212, se puede utilizar una bobina separada para detectar la presencia de un dispositivo u otro objeto.
En lugar de utilizar relés de enclavamiento de 2 bobinas, es posible utilizar un relé de enclavamiento de una sola bobina. Esto puede permitir una reducción de costes, ya que el relé sólo tiene una bobina en lugar de dos. Un relé de este tipo requiere un pulso corto (~5ms) de corriente en una dirección para "activarlo" y un pulso de corriente en la dirección opuesta para "reiniciarlo". Este relé puede ser accionado utilizando 4 transistores MOSFET en una configuración de puente. La Fig. 10 muestra un relé de una sola bobina accionado por dos pares de MOSFET complementarios Qa, Qb, Qc, Qd (las resistencias Ra, Rb, Rc y Rd no son necesarias para accionar el relé). Si A y B están ambos bajos (0), no fluye corriente. Del mismo modo, si A y B son altos (1). Sin embargo, si A=1 y B=0, la corriente fluye en una dirección (por ejemplo, "activación"). Por el contrario, si A=0 y B=1, la corriente fluye en la dirección opuesta (por ejemplo, "reinicio"). Aplicando un pulso a A, el relé se bloquea en el estado " activación " y aplicando un pulso a B, el relé se bloquea en el estado " reinicio ".
Se puede utilizar una MPU 406 de baja especificación para reducir tanto el coste como el tamaño. Mediante una novedosa multiplexación de los pines es posible utilizar un PIC12F510 de 8 pines en su lugar, ahorrando costes. El puerto de E/S separado para la polarización puede eliminarse combinándolo con los dos puertos necesarios para accionar el relé. En la Fig. 10 las cuatro resistencias Ra, Rb, Rc y Rd se utilizan para suministrar la polarización al oscilador 402. Por ejemplo, podrían ser resistencias de 100k Ohm cada una. La presencia de estas resistencias no afecta materialmente al funcionamiento del accionamiento del relé. Si A=1 y B=0 la corriente fluye a través del relé en una dirección y en la dirección opuesta para A=0 y B=1. Si A=B=0 o si A=B=1 no circula corriente por el relé. Sin embargo, si A=B=1, bias estará nominalmente a la mitad de la tensión de suministro y si A=B=0, vías estará nominalmente a 0V. Esto permite una forma conveniente de conectar y desconectar la polarización del oscilador 402 sin necesidad de un puerto de E/S separado. Las resistencias deben estar relativamente bien adaptadas para evitar corrientes extrañas. Rc y Rd podrían ser reemplazados por una resistencia del doble de la de Ra. Aunque la corriente extra fluye a través de las resistencias cuando los relés se conmutan, los pulsos son muy cortos y la corriente extra (~15|j A) es insignificante comparada con la corriente a través del relé (típicamente 50mA).
El puerto de salida para que el procesador ULP 702 se comunique con el procesador principal 706 puede ser multiplexado con el pin de salida del comparador utilizado para el oscilador 402, 602. Cuando el oscilador está funcionando, el procesador principal 706 generalmente estará apagado, por lo que puede no haber necesidad de que el puerto de salida esté habilitado durante este tiempo. La Fig. 11 muestra una implementación del sistema utilizando un PIC12F510 y un relé de una sola bobina, utilizando la configuración de polarización de la Fig. 10 (utilizando las mismas etiquetas).
El uso de un solo relé para conmutar la red y la bobina conjuntamente puede ser ventajoso para ahorrar costes. Sin embargo, el inconveniente es que puede haber retrasos adicionales entre el encendido y el apagado. Esto será evidente después de que se haya realizado una calibración y el sistema se encienda para comprobar los dispositivos antes de pasar al modo de ultra bajo consumo. Una alternativa es utilizar dos relés separados, uno para la bobina y otro para la red eléctrica. Esto significa que no es necesario apagar todo cuando se realiza una calibración. Una alternativa es utilizar un solo relé, pero mantener la energía del procesador principal 706 (por ejemplo, con un condensador) para que permanezca encendido mientras la red eléctrica se desconecta momentáneamente para la calibración.
La Fig. 12 muestra una realización alternativa de la invención en la que el sistema de ultra bajo consumo se "adapta" como un accesorio de postventa. Esto podría utilizarse para actualizar los sistemas de energía inalámbricos del mismo fabricante o de un fabricante diferente (de terceros). Opcionalmente, el sistema de energía inalámbrica puede estar diseñado para permitir una actualización más fácil en el futuro. En la Fig. 12, la fuente de energía de DC utilizada para suministrar energía de DC a la fuente de energía inalámbrica 1214 se sustituye por la "Fuente de energía de DC de reemplazo" 1202. La fuente de energía de DC de reemplazo 1202 tiene una toma de entrada de red, fusibles, un filtro de supresión de EMI/RFI en la entrada. El terminal vivo se dirige a través del relé de red 1206 a la entrada de una fuente de energía conmutada 1210. Opcionalmente, el terminal neutro puede ser dirigido a través del relé o puede ser conectado directamente a la fuente de energía. La salida de la fuente de energía 1210 se regula a través de un regulador de voltaje que también tiene protección contra sobrecargas y cortocircuitos. La salida del regulador pasa a través de un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) 1216 a la toma de salida de DC 1222. Es posible que la fuente de energía inalámbrica 1214 tenga una gran corriente de entrada generada cuando se enciende el dispositivo. Este es un gran pico de corriente (tal vez tan alto como 20A o más) durante un corto período de tiempo y puede ser causado por la carga de grandes condensadores presentes a través de los rieles de energía del sistema. El termistor NTC 1216 es una resistencia que se reduce cuando se calienta. El termistor limita la corriente cuando la red se enciende por primera vez y luego se calienta para que tenga bajas pérdidas durante el funcionamiento normal. Un valor de alrededor de 10Q puede ser apropiado.
Además de la toma de DC 1222, también hay una toma de control 1224 (estas dos podrían combinarse para que sólo se necesite un único cable). Los contactos del relé 1206 ( Bobina1, Bobina2 y Bobina Comm) se dirigen a la toma de control 1224. También están presentes dos pilas AA 1208, cuyos terminales también se dirigen a la toma de control 1224. Las pilas AA 1208 pueden estar situadas en un compartimento de pilas que sea accesible sin exponer otras conexiones (por ejemplo, la red eléctrica) en la fuente de energía de DC de sustitución 1202. Las pilas AA pueden ser primarias o recargables.
La toma de corriente de DC 1222 se conecta a la toma de entrada de corriente existente 1218 en la fuente de energía inalámbrica 1214. La toma de control 1224 está conectada al circuito ULP, un ejemplo del cual se muestra en la Fig. 13. El circuito ULP tiene un circuito sensorial 206 similar al de la Fig. 6. Sin embargo, en esta configuración hay un segundo relé 1306 que se utiliza para conectar y desconectar la bobina del circuito sensor 206 (el primer relé 1206 se encuentra en la fuente de energía de DC de sustitución). Se utiliza un pequeño relé de montaje superficial de una sola bobina (Axicom IM41GR). El circuito se conecta al terminal de la bobina, al terminal de tierra y a una salida del procesador principal 706 que indica una señal de "Dispositivo válido presente". La señal de 'Dispositivo Válido Presente' sólo debe estar activa cuando hay un dispositivo recibiendo energía o listo para recibirla (en contraposición a un dispositivo completamente cargado presente o un objeto no configurado para recibir energía presente). Esta señal de dispositivo válido presente podría ser una salida del procesador principal 706 que se utiliza para controlar la salida de un LED (por ejemplo, la fuente de energía inalámbrica puede iluminar un LED cuando un dispositivo se está cargando). El sistema podría ser adaptado a la placa de circuito suministrando un kit que el usuario suelde a la placa existente. Alternativamente, el usuario podría realizar la operación enviando la unidad al fabricante o al minorista.
La unidad de energía inalámbrica puede diseñarse para una futura actualización dirigiendo las clavijas de la placa de circuito principal hacia una toma de corriente. El circuito puede ser muy pequeño y, por lo tanto, estar integrado en un enchufe que se conecta a esta toma en la placa de circuito principal 704. El enchufe puede ser colocado y diseñado de tal manera que no haya ninguna protuberancia antiestética. Opcionalmente, los pines de E/S pueden dirigirse desde el procesador principal 706 hasta el zócalo para que la comunicación completa entre el procesador principal 706 y el procesador ULP 702 sea posible, permitiendo la implementación de un sistema de control como el ilustrado en la Fig. 8. También puede haber una conexión que permita al procesador principal 706 determinar si hay un sistema de ultra bajo consumo para poder ejecutar un código de software diferente si lo hay. Alternativamente, una operación de adaptación también implicaría una reprogramación (re-flash) del software del procesador principal 706 para adaptar el código para la operación de ultra bajo consumo.
Si el sistema de energía inalámbrica no ha sido diseñado para una futura actualización, entonces el procesador ULP 702 puede implementar una máquina de estado similar a la de la Fig. 14. El sistema comienza en el Estado de Calibración 1402. Se realiza una medición de calibración y se utiliza para determinar los umbrales de medición superior e inferior para activar un cambio de inductancia. Después de realizar una medición de calibración válida, el sistema entra en el estado aviso 1404. El sistema permanece en el estado aviso por un período de tiempo establecido, determinado por la disminución de un contador aviso en cada transición de estado. Después de que el contador aviso ha llegado a cero, el sistema se mueve al estado de Ultra Bajo Consumo 1406 si el Dispositivo Presente=0. Si, sin embargo, el Dispositivo Presente=1, el sistema se mueve al estado de Operación 1408. El contador debe ser configurado de tal manera que haya suficiente tiempo para que un dispositivo sea detectado y la salida de Dispositivo Presente sea habilitada.
En el estado de ultra bajo consumo 1406, el sistema mide la inductancia en cada transición de estado Permanece en este estado hasta que se realiza una medición que está fuera de los umbrales superior e inferior establecidos por el estado de Calibración 1402. Cuando se encuentra tal medición, el conteo de accionadores falso se decrementa y si no ha llegado a cero el sistema entra en el estado aviso 1404. Si el contador de falso accionamiento llega a cero, el sistema entra en el estado de Calibración 1402. El contador de falsos accionamientos se reinicia periódicamente. En el estado Operación 1408, el sistema mira el pin de Dispositivo Presente en cada transición de estado. El sistema permanece en el estado de operación 1408 hasta que el Dispositivo Presente=0 y entonces vuelve al estado de Calibración 1402.
Si el sistema de energía inalámbrica encuentra un error, el sistema se mueve al estado de error 1410 hasta que el error se borra, en cuyo momento el sistema se mueve al estado de calibración 1402.
La Fig. 15 muestra un ejemplo en el que se mantiene la fuente de energía de DC existente 1502. En su lugar hay un interruptor de red 1504 que se instala posteriormente entre la toma de corriente y la entrada de red de la fuente de energía inalámbrica existente 1506. Este sistema puede utilizarse si la unidad de energía inalámbrica existente 1506 tiene una fuente de energía de DC integrada 1502 o si la fuente de energía de DC es una unidad separada (no se muestra). El interruptor de red incluye el relé de red 1206, el elemento de almacenamiento de energía 1208 y un conector para el cable de control. El cable de control se conecta a un circuito sensor/control separado 1510 que se adapta a la fuente de energía inalámbrica existente 1506.
El circuito sensor/control 1510 incluye un circuito ULP, por ejemplo el circuito ULP mostrado en la Fig. 13. Alternativamente, el circuito sensor/control 1510 podría ser completamente independiente y no requerir ninguna conexión con el circuito principal, como se describe en las realizaciones posteriores. Por ejemplo, se puede utilizar un detector de proximidad independiente. Esto es especialmente conveniente para la readaptación de sistemas de terceros en los que el circuito principal no es accesible.
Si no se dispone de una clavija de dispositivo presente, el circuito de control puede simplemente encender la red cuando hay un dispositivo detectado por el detector de proximidad y apagarlo cuando no hay ningún dispositivo detectado.
En el ejemplo de adaptación se pueden utilizar dos relés para que el circuito oscilador tenga cables relativamente cortos en la bobina primaria. Esto permite reducir la resistencia de CA para garantizar un funcionamiento fiable del oscilador. Los MOS-FET para el relé de red 1206 podrían ubicarse alternativamente dentro de la fuente de energía de reemplazo.
La Fig. 16 muestra una implementación de la unidad de almacenamiento de energía 204 en la que la unidad de almacenamiento de energía puede recargarse desde el circuito principal 704. La unidad de almacenamiento de energía 204 toma como entrada la corriente continua. Ésta se acopla a un controlador de carga 1602 que suministra energía a un elemento de almacenamiento de energía 1604. El elemento de almacenamiento de energía 1604 es opcionalmente un supercondensador, pero pueden utilizarse otros elementos como una batería u otra forma de almacenamiento de energía eléctrica. Una forma de controlador de carga 1602 que puede utilizarse es un regulador reductor en el que el condensador de salida se sustituye por el supercondensador. La retroalimentación se utiliza para conducir el regulador reductor de tal manera que se entregue una corriente constante al supercondensador. El elemento de almacenamiento de energía 1604 está acoplado a la salida de la unidad de almacenamiento de energía. También puede haber circuitos de protección 1606 y/o regulación/limitación de voltaje/corriente 1606. En una realización también hay una salida que es indicativa del nivel de energía del elemento de almacenamiento de energía 1604.
En este ejemplo, el elemento de almacenamiento de energía 1604 se supervisa para que no se agote por completo, impidiendo el funcionamiento del circuito sensorial 206. Este puede ser cargado desde la entrada de energía cuando la fuente de energía inalámbrica está entregando energía a la carga. Además, el Circuito sensor 206 supervisa periódicamente la energía en el elemento de almacenamiento de energía 1604 a través de la salida de nivel de energía de la unidad de almacenamiento de energía 204. Si ésta se sitúa por debajo de un determinado umbral, el circuito sensorial 206 activa el SW1 202 para que el elemento de almacenamiento de energía 1604 pueda recargarse.
La Fig. 17 muestra una unidad de almacenamiento de energía 204 en la que hay además un diodo 1702 para evitar la retroalimentación de la corriente en el circuito de carga. En este ejemplo también hay un interruptor 1704 El interruptor 1704 puede abrirse cuando el circuito sensor 206 está siendo alimentado desde la unidad de almacenamiento de energía 204 para evitar que la corriente de fuga inversa agote el condensador o la pila. En lugar de utilizar una unidad de almacenamiento de energía 204 recargable, también es posible utilizar una pila primaria no recargable. En este caso, se utiliza un compartimento para la batería con una tapa extraíble, de modo que la batería o las baterías puedan retirarse cuando se agoten.
La Fig. 18 muestra un ejemplo de diagrama de flujo que ilustra el funcionamiento de un sistema de ultra bajo consumo. El sistema comprueba primero 1802 el nivel de energía en el elemento de almacenamiento de energía. Si es baja, se conecta la red 1810 y se le suministra energía 1812 para recargarla. Si la energía no es baja, se desconecta la red 1804 para reducir el consumo de energía. El circuito sensor 206 comprueba entonces si se ha producido un cambio de inductancia 1806. Si no se ha producido, tras un periodo de espera 1808, el sistema vuelve al inicio 1800. Si ha habido un cambio de inductancia, el sistema conecta 1814 a la red eléctrica y ve si hay un dispositivo que requiera energía 1816. Si no lo hay, vuelve al inicio 1800. Si lo hay, el sistema comprueba si hay un objeto extraño presente 1818 (puede haber sido colocado al mismo tiempo que el dispositivo). Si lo hay, el sistema vuelve al inicio 1800. Si no lo hay, el sistema suministra energía a la bobina primaria 1820 para suministrar energía al dispositivo portátil. Continúa comprobando que el dispositivo sigue necesitando energía 1816 y sólo vuelve al inicio 1800 cuando el dispositivo ya no necesita energía o si se coloca un objeto extraño 1818 en la fuente de energía inalámbrica.
En la invención, la unidad primaria hace una determinación sobre si un dispositivo secundario válido está presente y si un dispositivo secundario desea energía. Debe entenderse que estas determinaciones pueden hacerse simultáneamente o en diferentes momentos. Por ejemplo, si el dispositivo secundario envía una solicitud de energía, puede interpretarse que indica tanto que hay un dispositivo secundario válido como que un dispositivo secundario desea energía. Además, en la medida en que un dispositivo secundario desea energía, debe entenderse que el dispositivo secundario no necesita emitir una solicitud de energía, o estar bajo de energía, para desear energía. Por ejemplo, el dispositivo secundario que desea recibir una carga de goteo puede ser caracterizado como deseando energía.
La Fig. 19 muestra un ejemplo de un método para implementar el sistema en el que hay dos estados de energía. En el primer modo, A, 1902 el sistema está en el equivalente al modo de ultra bajo consumo descrito anteriormente. En este estado, el circuito sensor 206 se alimenta de la unidad de almacenamiento de energía 204. Si la unidad de almacenamiento de energía 204 se queda sin energía 1908, el sistema se alimenta de la red eléctrica 1910 para recargarla. El Circuito Sensor 206 busca periódicamente un cambio 1912 que indique que un dispositivo u objeto puede haber sido colocado o retirado del cargador. Si el circuito sensor 206 detecta que se ha producido un cambio, el sistema entra en el estado B 1904.
En el modo B 1904, el sistema está conectado a la red eléctrica. El sistema hace periódicamente un "aviso" 1914 modulando la bobina primaria, Lp. Si hay un dispositivo portátil presente, éste responde (por ejemplo, modulando su carga). Si el sistema detecta 1916 que hay un dispositivo válido, después de comprobar que no hay objetos extraños presentes, el sistema entregará toda la potencia a la bobina primaria. El sistema seguirá enviando un "aviso" durante un número predeterminado de "avisos" o una cantidad de tiempo predeterminada 1918. Estos números predeterminados pueden ser configurables por software (y/o dinámicamente variables). Si no se detecta ningún dispositivo durante este tiempo, el sistema volverá al estado A 1902.
Una de las ventajas de esta disposición es que da más oportunidades para comprobar si hay un dispositivo válido presente. Esto evita que el sistema permanezca en espera indefinidamente si hay un dispositivo válido en él que no fue detectado en el primer 'aviso'. Algunos dispositivos portátiles tardan en "despertarse" El primer "aviso" puede proporcionar suficiente energía para poner en marcha el microprocesador. Sin embargo, puede tardar más en "arrancar" que la duración del "aviso". Este dispositivo debería autentificarse con el segundo "aviso".
La Fig. 20 muestra un diagrama de temporización ejemplar para ilustrar el método de la Fig. 19. La Fig. 20(a) muestra el sistema cuando se coloca un objeto extraño en el sistema. El sistema comienza en el modo A 1902. Ve un cambio de inductancia y luego pasa al modo B 1904 para tres "avisos". Estos "avisos" pueden tener un intervalo de tiempo diferente al del sondeo del circuito sensorial 206. Como no se detecta ningún dispositivo, el sistema vuelve al modo A 1902. La Fig. 20(b) muestra el sistema cuando se coloca un dispositivo válido en el sistema. En este ejemplo, el dispositivo no se autentifica en el primer "aviso", pero sí en el segundo.
Si la unidad de almacenamiento de energía 204 requiere un tiempo relativamente largo para recargarse, en lugar de encenderla para una carga rápida (por ejemplo, si la unidad de almacenamiento de energía 204 es una batería como una batería de iones de litio), podría utilizarse el diagrama de flujo de ejemplo de la Fig. 21. En este diagrama de flujo, el sistema sale del modo de reposo con la red desconectada 2006 y entra en el Modo B 2004 si la unidad de almacenamiento de energía 2004 cae por debajo de un umbral establecido 2008 o el estado de la bobina cambia 2010. El sistema permanece en el Modo B 2004 hasta que no haya dispositivos que requieran carga 2014, 2016 y la unidad de almacenamiento de energía se haya cargado completamente 2018, 2022, 2020.
La Fig. 22 muestra un ejemplo alternativo en el que la unidad de almacenamiento de energía 204 también se utiliza para alimentar el circuito principal 704 durante un período de tiempo. Para reducir el tiempo de retardo entre el dispositivo que dispara el sistema y el encendido del mismo, el sistema utiliza el elemento de almacenamiento de energía 1604 como fuente temporal de energía. Una vez que se activa el circuito sensorial 206, se conecta la red eléctrica. El sistema conecta entonces el elemento de almacenamiento de energía 1604 al circuito principal 704 para alimentar los distintos elementos. Esto permite que el sistema autentifique el dispositivo mientras la red eléctrica sigue encendida. La energía necesaria para autentificar un dispositivo puede ser menor que la necesaria para suministrar energía. Opcionalmente, si el elemento de almacenamiento de energía 1604 tiene capacidad suficiente para suministrar energía, el sistema también puede suministrar energía desde el elemento de almacenamiento de energía 1604 al dispositivo. Una vez que la red eléctrica se ha encendido junto con todos los demás suministros, el sistema cambia para que esté totalmente alimentado por la red eléctrica. A continuación, el sistema también puede suministrar energía a la unidad de almacenamiento de energía 204 para recargarla.
La Fig. 23 muestra un ejemplo alternativo en el que se utiliza un único procesador 2302 en lugar de procesadores separados para el circuito ULP 700 y el circuito de red 704 En esta disposición, el procesador 2302 sólo suministra los elementos que necesite en cada momento. El procesador único 2302 podría ser suministrado desde el elemento de almacenamiento de energía 1604 continuamente, o alternativamente podría cambiar su entrada de energía a la generada por la red eléctrica si se enciende. Para conservar la energía, el procesador único 2302 podría "conmutar" los relojes para que funcione a una velocidad de reloj más baja en el modo de energía ultra baja. Este ejemplo puede utilizar adicionalmente la unidad de almacenamiento de energía 204 para suministrar energía a los dispositivos mientras espera que la red eléctrica se encienda. La configuración de un solo procesador 2302 podría utilizarse para implementar todas las realizaciones en las que se utilizan dos o más procesadores. Esto incluye la deducción de información sobre el dispositivo a partir de la detección de la inductancia y el uso de esta información posteriormente, como la identificación del tipo de dispositivo y el ajuste apropiado de la frecuencia y el voltaje.
El procesador puede estar configurado para ser un procesador de doble núcleo (o multinúcleo). Los dos núcleos pueden funcionar de forma independiente. Un núcleo (el núcleo principal) se utiliza para el circuito principal de energía inalámbrica y el otro núcleo (el núcleo ULP) se utiliza para la funcionalidad ULP (como el circuito sensor y el control de los relés). Una parte o la totalidad del circuito sensor puede incorporarse al núcleo ULP (por ejemplo, comparadores para el circuito oscilador y otros componentes pasivos). El núcleo principal puede estar apagado cuando está en modo ULP y el núcleo ULP puede estar apagado en modo operativo. Durante los periodos de transición, ambos núcleos pueden estar alimentados. El núcleo ULP puede tomar su energía exclusivamente de la unidad de almacenamiento de energía o puede tomar su energía de una combinación del circuito de red y la unidad de almacenamiento de energía o puede tomar su energía sólo del circuito de red. El procesador ULP puede estar optimizado para consumir menos energía que el procesador principal (por ejemplo, funcionando a una velocidad de reloj inferior). El núcleo ULP puede estar aislado del núcleo principal (por ejemplo, grabando zanjas o depositando material aislante) para minimizar las fugas de corriente.
A lo largo de las diversas realizaciones se describen diferentes procesadores y unidades de control. El ejemplo de la Fig. 2 incluye una unidad de control 208 y un circuito sensor 206 que incluye un microprocesador integrado, por ejemplo, como se muestra en las Figs. 4-6. El ejemplo de la Fig. 7 incluye un circuito ULP con un procesador ULP separado del circuito sensor. El circuito sensor puede o no tener su propio microprocesador en la realización de la Fig. 7. El ejemplo de la Fig. 16 del dispositivo de almacenamiento de energía incluye un controlador de carga. Como se acaba de discutir, el ejemplo de la Fig. 23 incluye un único procesador y el circuito sensor no incluye un procesador. El ejemplo de la Fig. 26 incluye una unidad de microcontrolador que tiene incluida una salida de oscilador digital y una entrada analógica a digital (A/D). Debe entenderse que el número y la función de los microprocesadores pueden repartirse esencialmente de cualquier manera que permita que las funciones de control apropiadas estén encendidas y disponibles en los momentos adecuados. En la medida en que existan diferencias sustanciales introducidas por la introducción de terminología diferente, como procesador, microprocesador, MPU, MCU, PIC, procesador ULP, control de carga, unidad de carga o cualquier otra terminología de controlador, estas diferencias terminológicas no deben interpretarse como una limitación del alcance de la invención. Por el contrario, debe entenderse que las ubicaciones y esquemas de los controladores pueden intercambiarse entre las realizaciones.
En lugar de medir la frecuencia de un oscilador 402 para implementar el circuito sensorial 206, existen otras numerosas técnicas que pueden emplearse. La Fig. 24 muestra una implementación alternativa del circuito sensorial 206. En esta disposición, el circuito sensor 206 utiliza la misma bobina para la detección que se utiliza para la transferencia de potencia, Lp 212. El Circuito sensor 206 tiene un inductor adicional Lsen 2404, que forma un puente con la bobina primaria, Lp 212 (Aunque se utiliza un inductor, se puede utilizar cualquier impedancia: resistiva, reactiva o una combinación de otros elementos), Este puente puede ser conducido con un oscilador 402. En esta realización, el voltaje de salida del oscilador y la frecuencia es tal que hay una mínima disipación de energía a través del puente de inductancia formado entre Lsen 2404 y Lp 212. Si la inductancia vista a través de Lp 212 cambia, entonces esto resultará en un cambio en el pico de voltaje en el punto medio del puente, M. Esta inductancia cambiaría si un dispositivo portátil, como el mostrado en la Fig. 1 se colocara en la fuente de energía inalámbrica 200, de tal manera que la bobina secundaria se acoplara a la bobina primaria Esto sería cierto tanto si hubiera una carga en el dispositivo portátil como si no. La inductancia también cambiaría si un objeto metálico o un objeto que contenga material magnético se colocara cerca de la bobina primaria, Lp 212. Asimismo, la inductancia cambiaría si se retirara un dispositivo u objeto metálico de la fuente de energía inalámbrica 200.
En este ejemplo, el circuito sensorial 206 detecta el pico de tensión en el punto M mediante un detector de picos 2402. La salida del Detector de Picos 2402 se introduce en una unidad de microprocesador (MPU) 406. La MPU 406 lee periódicamente el valor del detector de picos 2402. Si este valor cambia, entre dos lecturas consecutivas, entonces el circuito sensor 206 determina que se ha producido un cambio de inductancia, y la fuente de energía inalámbrica 200 comprueba si hay un dispositivo válido que requiere energía o si esto se debe a un objeto extraño. Puede realizar una media de las mediciones para reducir el efecto del ruido.
El circuito sensor 206 puede utilizar dos interruptores controlados por la MPU 406, SW3 404 y SW4 408. En el ejemplo ilustrado, el SW3404 se utiliza para aislar el circuito sensor 206 de la bobina primaria, Lp 212 cuando la fuente de energía inalámbrica 200 está suministrando energía al dispositivo portátil. El interruptor SW3 404 está cerrado durante el modo de espera y abierto durante la entrega de energía. El interruptor SW4408 se utiliza para reducir aún más el consumo de energía del circuito sensor 206. En lugar de tener el oscilador 402 y el detector de picos 2402 alimentados continuamente, la MPU 406 sólo cierra el SW4408 durante la duración de cada medición de inductancia. Aunque el SW3404 es controlado por la MPU 406 dentro del circuito sensorial 206 en este ejemplo, puede ser controlado por la unidad de control 208 dentro de la fuente de energía inalámbrica principal 200.
La Fig. 25 muestra un diagrama de flujo que ilustra una implementación del sistema. Este diagrama de flujo ilustra las mediciones separadas realizadas para determinar el cambio de inductancia. En esta variación, si el elemento de almacenamiento de energía 1604 está agotado, el sistema no utiliza temporalmente el circuito sensorial 206, sino que sólo utiliza el sistema de validación del dispositivo hasta que el elemento de almacenamiento de energía 1604 se cargue. En la Fig. 25, X1 es el umbral por debajo del cual se recarga el elemento de almacenamiento de energía 1604, X2 es el umbral por encima del cual se carga completamente. Y es la diferencia en las mediciones de inductancia para activar el circuito sensor 206. En este ejemplo, la memoria que contiene la lectura de la inductancia se actualiza después de cada medición. Esto significa que el circuito seguirá las derivas en el tiempo, por ejemplo, debido a la fluctuación de la inductancia de la bobina con la temperatura ambiente. Alternativamente, la memoria no se actualiza. Esto significa que habrá más falsos accionamientos debido a la fluctuación de las condiciones ambientales. Sin embargo, también evitará que el sistema sea engañado si un dispositivo se acerca muy lentamente al sistema.
Refiriéndose ahora a la Fig. 25, comenzando en el inicio 2502 del diagrama de flujo, SW1 se abre mientras SW3 y SW4 se cierran 2504 para que el detector de picos pueda ser leído 2506 y almacenado en la memoria 2508. Cuando se completa la medición, se abre SW42510 y se mide la cantidad de energía en el elemento de almacenamiento de energía 2512 y se almacena en la memoria 2514. Si la cantidad de energía no está por debajo del umbral 2516, entonces el procesador espera 2518 y cierra sw42520 para preparar el detector de picos 2522 y almacenar el valor en la memoria 2524. Una vez tomada la segunda lectura de pico, se abre SW42526 y el valor absoluto de las dos lecturas se compara con un umbral 2528. Si la comparación está por debajo del umbral, entonces no hay una diferencia lo suficientemente grande en las mediciones de inductancia como para activar el circuito sensor y la segunda medición sobrescribe la primera en la memoria 2530, 2532 antes de volver a leer la cantidad de energía en el elemento de almacenamiento de energía 2512. Si la diferencia en las mediciones de inductancia activa el Circuito de Sensor 2528 o el elemento de almacenamiento de energía necesita ser recargado 2376, entonces se abre SW3 y se cierra SW1 2534. El sistema determina si hay un dispositivo presente 2536 y si necesita energía 2538. Si no hay ningún objeto extraño presente 2540, se suministra energía al dispositivo remoto 2542. Después de un período de espera, un período de espera 2544, el sistema comprueba si el dispositivo sigue presente, necesita energía y que no se han colocado objetos extraño Si el dispositivo no está presente, no necesita energía, o si hay un objeto extraño, entonces el sistema comprueba si el elemento de almacenamiento de energía está por encima de su umbral de carga 2546. El sistema continuará cargando el elemento de almacenamiento de energía hasta que esté por encima del umbral y luego regresará al modo de espera 2504.
La Fig. 26 muestra una implementación de un circuito sensor que utiliza una unidad de microcontrolador (MCU) 2602. La MCU incluye una salida de oscilador digital y una entrada analógica a digital (A/D). En esta implementación, la inductancia de la bobina primaria, Lp 212 se utiliza para formar un filtro de paso de banda. Este filtro se utiliza para filtrar selectivamente el componente de frecuencia fundamental de la señal de onda cuadrada para generar una sinusoidal. Sin embargo, al cambiar la inductancia de Lp 212, la frecuencia de la banda de paso también cambia, alterando así tanto la amplitud como la fase de la señal resultante. Una de las ventajas de este ejemplo es que el filtrado y la detección de la inductancia se realizan en el mismo paso utilizando únicamente componentes pasivos.
En este ejemplo, la salida digital de onda cuadrada se acopla en CA a través de C2 a la combinación paralela de Lp 212 y C1. Lp y C1 son resonantes en la proximidad de la frecuencia del oscilador. Esta combinación se acopla entonces en CA a través de C3 a un desplazador de nivel formado por R1 y R2. R1 y R2 añaden una componente DC a la señal para evitar que entren tensiones negativas en la MCU. La parte superior de R1 se alimenta con la tensión de carril del oscilador. Esto se proporciona desde un pin de salida del MCU 2602. Esto significa que cuando no se está realizando una medición, el MCU 2602 puede eliminar esta tensión y evitar la disipación de energía a través de R1 y R2. La salida del cambiador de nivel se aplica a la entrada del convertidor analógico-digital del MCU 2602.
Generalmente, se puede obtener una mayor sensibilidad a expensas de un mayor consumo de energía, por lo que hay que hacer una compensación. Esto podría ser, por ejemplo, el uso de amplificadores, el uso de la detección sensible a la fase en lugar de la detección de pico utilizando niveles de tensión más altos, o tener tiempos de adquisición más largos y, por lo tanto, menos tiempo cuando el circuito sensor 206 está en modo de reposo. Es posible hacer que esta compensación sea configurable por software, de modo que, dependiendo del lugar en el que se encuentre el sistema, se pueda optimizar la sensibilidad y el consumo de energía.
La frecuencia de la señal del oscilador del circuito sensor 206 puede adaptarse dinámicamente. Esto podría ser para situar la frecuencia en la parte más sensible de la curva de inductancia frente a la amplitud de salida, o para situarla en una región de baja disipación de energía o para situarla en un compromiso optimizado entre ambas. La frecuencia podría adaptarse en el momento del encendido, periódicamente o cada vez que se reinicie el circuito sensorial 206. Por ejemplo, cuando se coloca un dispositivo u objeto metálico sobre la fuente de energía inalámbrica 200, podría llevar al circuito sensor 200 cerca del límite de su rango dinámico. El circuito sensor 206 podría ajustar el oscilador para devolverlo al centro del rango cuando se detecte el siguiente evento. Una forma alternativa de implementar el sistema es ajustar siempre la frecuencia a la posición de máxima amplitud. Cualquier reducción de la amplitud indicaría entonces que se ha producido un cambio.
La Fig. 27 muestra un ejemplo de funcionamiento de este circuito de la Fig. 26. La Fig. 27(a) muestra una señal dentro de la MCU 2602 (dividida a partir de su reloj oscilador interno). La Fig. 27(b) muestra la salida del oscilador de la MCU 2602 que se aplica al puente de impedancia. La Fig. 27(c) muestra la señal en el punto medio del puente bajo un conjunto de condiciones. Esta señal difiere en amplitud y/o fase. La Fig. 27(d) muestra la señal en el punto medio del puente bajo una serie de condiciones diferentes (por ejemplo, si se coloca un dispositivo u objeto metálico sobre la fuente de energía inalámbrica). En general, la Fig. 27(d) difiere de la Fig. 27(c) en amplitud y/o fase. El microprocesador 2602 primero permite que la señal del oscilador se asiente. Para cada medición de inductancia, se toma un número de lecturas del convertidor A/D a un número específico de ciclos de reloj desde un punto de referencia dado, 0. Estos tres puntos de lectura están etiquetados como i, ii, iii en la Fig. 27(a). Los valores leídos por el convertidor A/D en estos puntos de lectura se ilustran en las Figs. 27(c) y 27(d). Puede verse que en este ejemplo los valores obtenidos en el caso de la Fig. 27(d) difieren de los de la Fig. 27(c), lo que indica que se ha producido algún cambio. Una ventaja del muestreo de la señal en diferentes puntos, en lugar de medir simplemente la señal de pico, es que el circuito sensor 206 puede hacerse más sensible porque el circuito responde a los cambios de fase así como a los de amplitud. En un ejemplo, los puntos de medición no coinciden con los mismos puntos en el ciclo de la frecuencia de detección. En particular, puede obtenerse al menos una lectura de amplitud significativa, ya que la comparación de dos valores cercanos a cero es propensa a errores inducidos por el ruido. Una forma de asegurar esto es asegurarse de que el intervalo de tiempo no es constante (por ejemplo, el intervalo de tiempo entre la lectura i y la lectura ii es diferente al que hay entre la lectura ii y la lectura iii).
El Circuito Sensor 206 puede ser sensible a la fase, porque es posible que haya un cambio de impedancia causado por la adición de ferrita u otro material similar en la bobina secundaria que equilibre exactamente la impedancia de la carga. Una alternativa para hacer que el circuito sensor 206 sea sensible a la fase es realizar dos mediciones de amplitud de pico a diferentes frecuencias, ya que la impedancia inductiva tiene una dependencia de la frecuencia diferente a la de las pérdidas de resistencia de CA.
La Fig. 28 muestra un ejemplo alternativo de la implementación de la Fig. 26 en el que se utiliza un detector de picos. Algunas MPU no tienen convertidores analógicos-digitales rápidos, lo que hace que una técnica sensible a la fase no sea práctica. En este ejemplo, el detector de picos está formado por un diodo, D1 2802 y un condensador C4.
La Fig. 29 muestra un ejemplo alternativo en el que se utiliza la detección sensible a la fase. El condensador C1 forma un filtro de paso de banda con la bobina primaria, Lp 212, similar a la realización de la Fig. 26. También hay condensadores de bloqueo de DC C2 y C3 y el desplazador de nivel (R1, R2). Sin embargo, la salida del desplazador de nivel está acoplada a la entrada del comparador interno que emplea el microcontrolador 2902 de este ejemplo. La otra entrada puede ajustarse utilizando una referencia interna a medio camino entre los raíles de suministro. Este comparador se utiliza para generar una señal digital limpia desde el desplazador de nivel que será sinusoidal y atenuada. La señal digital del comparador se acopla a una entrada de un detector de fase ( Detector de Fase ) 2904, la otra entrada proviene de la salida del oscilador. La salida del detector de fase 2904 se acopla a una entrada analógica de la MCU. A medida que la inductancia efectiva de la bobina primaria 212 cambia, la fase de la señal en el desplazador de nivel variará con respecto a la salida del oscilador. El detector de fase 2904 tiene como salida una tensión analógica representativa de la diferencia de fase entre la señal respecto a la salida del oscilador y es, por tanto, una medida de la inductancia.
El detector de fase 2904 puede realizarse, por ejemplo, utilizando una puerta OR exclusiva 2906 acoplada a un filtro de paso bajo, siendo el filtro de paso bajo una resistencia en serie 2908 y un condensador 2910 a tierra. Opcionalmente, se puede utilizar un cambiador de fase 2906 en cualquier camino hacia el detector de fase 2904. Esto se puede utilizar para predisponer el sistema de manera que la salida del detector de fase 2904 esté a medio camino entre su rango cuando la respuesta de paso de banda está centrada en la frecuencia del oscilador. Entonces es posible distinguir entre excursiones de inductancia positiva y negativa desde la frecuencia central. El desfasador 2906 debe proporcionar 90 grados de desplazamiento de fase. Esto puede implementarse utilizando dos redes RC (2912, 2914, 2916, 2918) como se muestra a expensas de atenuar la señal. En lugar de introducir una atenuación adicional en la ruta de la señal, una alternativa es desplazar la fase de la señal del oscilador aplicada a la segunda entrada del detector de fase En este caso, la señal puede convertirse en una señal digital utilizando un segundo comparador.
La Fig. 30 muestra una variación del ejemplo de la Fig. 24. En lugar de que el circuito sensor 206 tenga una impedancia separada (Lsen en la Fig. 24), el circuito sensor 206 utiliza el condensador resonante 214 en serie con la bobina primaria. El subcircuito sensor esbozado en la Fig. 24 se refiere al circuito sensorial en el ejemplo actual ilustrado en la Fig. 30. El oscilador 402 se aplica al punto en el que el condensador 814 está conectado a la salida del inversor 210. El punto medio del condensador 214 y el inductor 212 se conecta al detector de picos 2402. Cuando se coloca un dispositivo en proximidad a la bobina primaria 212, la inductancia efectiva vista a través de la bobina primaria 212 cambiará, cambiando así la frecuencia de resonancia de la combinación condensador-inductor. Esto, a su vez, cambiará la amplitud y/o la fase de la señal en el detector de picos. Una ventaja de esta realización es que no es necesario tener un elemento de impedancia adicional para el circuito sensor. Sin embargo, puede significar que se necesitan dos interruptores para aislar el circuito sensor de la bobina primaria.
La Fig. 31 muestra un ejemplo de la invención cuando la fuente de energía inalámbrica 200 tiene una entrada de DC en lugar de una entrada de red. En este ejemplo, la fuente de energía de DC 3102 está situada en la toma de corriente de la red eléctrica y un cable 3104 suministra energía de DC a la fuente de energía inalámbrica 200. La fuente de energía de DC 3102 incluye la rectificación de red 218 y un convertidor DC/DC 216. Sin embargo, también incluye un interruptor 3108 antes de la Rectificación de la Red 218. El cable 3104 entre la fuente de energía de DC y la fuente de energía inalámbrica 200 incluye otra línea para que el interruptor 3108 de la fuente de energía de DC 3102 pueda ser controlado por el circuito sensorial 206.
La fuente de energía de DC 3102 también puede utilizarse sin la fuente de energía inalámbrica 200, para suministrar energía a diferentes equipos. Otros equipos que tienen una entrada de energía de DC pueden beneficiarse de la fuente de energía de DC 3102 de la Fig. 31. Tales equipos tendrían una unidad de almacenamiento de energía 204 que suministra energía a una pequeña MPU 406 cuando está en su estado de espera. Al recibir una señal de activación de un estímulo, el equipo podría enviar una señal a través del cable 3104 para cerrar el interruptor SW2 3108. Dicho estímulo puede provenir de una señal de control remoto (por ejemplo, óptica, inalámbrica, RF, ultrasónica), o de un sensor de proximidad o de otro equipo, o de un temporizador, etc.). Alternativamente, el equipo puede tener un interruptor de botón que activa el SW2 3108 sin necesidad de una unidad de almacenamiento de energía 1604 o un microprocesador 406 separados.
La Fig. 32 muestra un ejemplo de una fuente de energía inteligente 3102 con una lógica 3202 que controla un proceso similar en la fuente de energía 3102. Esta misma fuente de energía 3102 puede controlar los niveles de voltaje y el ciclo de sueño de la fuente de energía 3102. Dichas fuentes de energía se utilizan para alimentar los ordenadores portátiles más recientes. Un simple comando o nivel lógico puede controlar varios aspectos de la fuente de energía 3102 junto con el inicio y finalización de un ciclo de sueño de mucho menor consumo de energía.
La Fig. 33 muestra un ejemplo en el que no se utiliza un elemento de almacenamiento de energía independiente 1604. En esta configuración no es posible tener el interruptor 3108 antes de la Rectificación de la Red, ya que no hay una fuente de energía secundaria. En su lugar, la Rectificación de la Red 218 funciona en todo momento. El circuito sensor 206 recibe energía de la salida de la unidad de rectificación de red 218. El interruptor 3108 se coloca entonces entre la unidad de Rectificación de la Red 218 y todas las demás unidades (o tantas como sea prácticamente posible). Habrá pérdidas asociadas a la rectificación de la red. El interruptor 3108 también puede colocarse en otros puntos del sistema para mantener selectivamente diferentes partes del sistema en funcionamiento durante la espera.
La Fig. 34 muestra un ejemplo en el que la entrada de energía es de corriente continua. Una de las aplicaciones de este ejemplo es en aplicaciones de automoción. La operación es muy similar al ejemplo de la Fig. 33. La Fig. 35 muestra un ejemplo en el que no se utiliza un Circuito sensor 206 separado. En su lugar, los dispositivos se detectan aplicando periódicamente energía a la bobina primaria 212 mediante un método similar al divulgado en GB2414121. Sin embargo, este ejemplo difiere de GB2414121 en que hay una unidad de almacenamiento de energía 204 presente y un interruptor 3502 para desconectar el suministro de electricidad de la red. Durante el tiempo de espera, la unidad de control 208 recibe energía del elemento de almacenamiento de energía 1604. La unidad de control 208 también puede suministrar energía a la bobina primaria 212 a través del inversor 210 desde el elemento de almacenamiento de energía 1604. De vez en cuando se aplica energía a la bobina primaria 212 durante un corto período de tiempo para ver si el dispositivo se comunica para reconocer su presencia. Sin embargo, el nivel de potencia requerido para que el dispositivo se comunique es menor que la potencia requerida para transferir toda la energía al dispositivo. Por lo tanto, la unidad de control 208 puede activar el inversor 210 para que suministre un nivel de potencia menor y, por lo tanto, la cantidad de energía tomada del elemento de almacenamiento de energía 1604 es menor. Si la unidad de control 208 recibe una señal de que hay un dispositivo presente, entonces puede activar la Rectificación de Red 218 para que el sistema se alimente de la Red en lugar de la unidad de Almacenamiento de Energía 204. Si hay un dispositivo válido presente, entonces también puede comunicar su necesidad de energía. La fuente de energía inalámbrica 200 mide la energía que se extrae de la bobina primaria 212 y la compara con la necesidad de energía del dispositivo. Si no hay una diferencia significativa entre los dos, la fuente de energía inalámbrica 200 determina que hay un dispositivo válido y no hay objetos extraños y, por lo tanto, permite la entrega de energía completa al dispositivo.
En lugar de recibir una comunicación del dispositivo de que está presente, la fuente de energía inalámbrica 200 puede simplemente detectar que hay algo presente simplemente monitorizando la potencia extraída de la bobina primaria 212. Si la potencia extraída cambia entre mediciones sucesivas (o es mayor que un valor umbral), entonces hay un dispositivo que extrae la potencia o, alternativamente, un objeto extraño. En la realización actual, la fuente de energía inalámbrica 200 determina si hay un objeto extraño presente antes de aplicar toda la energía. Este método es similar al del circuito sensor 206, salvo que el inversor 210 se utiliza como oscilador402. Para reducir el consumo de energía, la frecuencia puede ser desplazada para que se aleje de la resonancia y haya una gran reactancia para reducir la disipación de energía. La tensión de carril aplicada al inversor 210 puede reducirse.
La Fig. 36 muestra un ejemplo en el que hay varias bobinas primarias 212, 3606, 3608, 3610 presentes. Cada una de estas bobinas primarias puede utilizarse para suministrar energía a un dispositivo portátil. Esto permite suministrar varios dispositivos simultáneamente. Alternativamente, las bobinas primarias 212, 3606, 3608, 3610 pueden ser diferentes entre sí, de modo que se puedan alimentar diferentes tipos de dispositivos, por ejemplo, como se indica en el documento WO2004038888. Alternativamente, algunas configuraciones de la fuente de energía inalámbrica 200 tienen una matriz de bobinas, para permitir que un dispositivo se coloque en cualquier lugar de un área continua y siga recibiendo energía. En el documento WO03105308 se describe un ejemplo de dicho sistema. En una fuente de energía inalámbrica 200 con múltiples bobinas, el circuito sensor 3602 puede compartirse entre algunas o todas las bobinas, ahorrando la necesidad de múltiples circuitos sensores 206. Cada vez que se coloca un dispositivo (u otro objeto) en la fuente de energía inalámbrica 200 o se retira de la misma, se activa el circuito sensor 3602. La fuente de energía inalámbrica 200 sondearía entonces cada bobina inactiva para ver qué bobinas tienen un dispositivo válido en sus proximidades. La fuente de energía inalámbrica 200 aplicaría entonces energía a las bobinas que requieren energía después de comprobar primero la presencia de objetos extraños. En una realización, algunos dispositivos de la fuente de energía pueden o no desear energía, por ejemplo, algunos de los dispositivos pueden tener la batería llena. En consecuencia, la fuente de energía inalámbrica puede ser dividida en porciones de manera que algunas porciones sean encendidas y otras no.
En la Fig. 36 se utiliza un interruptor multipolar 3612 para conectar todas las bobinas de la fuente de energía inalámbrica 200 en paralelo. El circuito sensor 3602 se activará cuando un dispositivo (u objeto) se coloque en la proximidad de cualquiera de las bobinas 212, 3606, 3608, 3610, porque cualquier cambio de inductancia individual alterará la inductancia general de la combinación en paralelo. En la realización actual, el circuito de control principal sondea cada bobina para determinar cuál debe ser encendida. Como alternativa, en lugar de agrupar todos los interruptores en la Fig. 21, los interruptores pueden ser controlados individualmente por la MPU. En este sistema, la MPU tiene que realizar una medición separada para cada bobina. Aunque esto significa que el tiempo total de detección es más largo (y, por tanto, la potencia en espera es mayor), significa que la sensibilidad a los cambios de inductancia será mayor.
En lugar de acoplar las bobinas primarias Lp1, Lp2 212, 3606, 3608, 3610, etc. con conexiones de CC, podrían acoplarse enrollando unas cuantas vueltas de una bobina de detección alrededor de cada bobina primaria 212, 3606, 3608, 3610. Puede ser posible eliminar algunos o todos los interruptores 3612 utilizando este método.
La Fig. 37 muestra un ejemplo de un sistema para minimizar la potencia de múltiples canales para la conservación de la energía. Esta configuración permite cualquier combinación de primarios activos para cargar o alimentar según sea necesario. También permite que la unidad de control sensor y sentido 3702 temporice cada canal o primario por separado usando los interruptores 3714, 3716, 3718 y 3720 permitiendo que cada uno tenga modos independientes de ultra baja potencia. También se puede emplear un interruptor multipolar 3704 similar al utilizado en el ejemplo de la Fig. 36. Una vez que todos están apagados puede incluso entonces apagar la energía principal y también controlar los dispositivos auxiliares y la energía.
En la Fig. 37 cada bobina primaria 212, 3606, 3608, 3610 tiene asociada una unidad de control/conductor independiente. Por supuesto, una sola unidad de accionamiento/control 3604 puede ser implementada en su lugar como se muestra en la realización de la Fig. 36. [0110] La Fig. 38 muestra un ejemplo del uso de un sistema de ultra bajo consumo en un sistema multicanal. Cada canal o controlador primario puede apagar los sistemas secundarios primero y luego el primario para un consumo de energía aún más bajo. Este sistema permite que una fuente de energía DC 3102 sea controlada remotamente a través de un enlace de comunicaciones lógicas. [0111] La Fig. 39 muestra un ejemplo de una fuente de energía con apagado directo utilizando el SW23108 controlado por el Circuito Sensor 3702.
En la realización ilustrada en la Fig. 40 se utiliza un Circuito Sensor que actúa como un Detector de Proximidad 4002 para detectar inicialmente que un dispositivo u objeto extraño ha sido colocado en la proximidad de la fuente de energía inalámbrica 200. También detecta si un dispositivo u objeto extraño se retira de la fuente de energía inalámbrica 200. Este detector de proximidad 4002 está completamente separado de la bobina primaria 212 y, por lo tanto, no está conectado a ella. En un ejemplo, el Detector de Proximidad 4002 sólo sabe que se ha producido un cambio en los dispositivos u objetos presentes.
Opcionalmente, podría formarse un sensor de proximidad inductivo utilizando otra bobina en la fuente de energía inalámbrica 200 que es independiente de la bobina utilizada para transferir la energía. Otro tipo de detector de proximidad 4002 que podría utilizarse es un detector de proximidad capacitivo. La presencia del objeto provoca un cambio en la constante dieléctrica entre dos electrodos metálicos. Alternativamente, la capacitancia puede cambiar debido a un cambio en la capacitancia mutua entre el sensor y un objeto. Otro tipo de detector de proximidad 4002 es un sensor de efecto Hall, en el que hay un cambio de voltaje en respuesta a un cambio en el campo magnético. La presencia de un núcleo de ferrita u otro material con propiedades similares dentro del dispositivo portátil puede dar lugar a la alteración del campo magnético.
Hay varias formas de implementar el detector de proximidad 4002. Podría utilizarse un detector óptico, por ejemplo un dispositivo de fotopila. Cuando se coloca un dispositivo en la fuente de energía inalámbrica 200, entra menos luz ambiental en la fotopila, indicando así la presencia del dispositivo. Los falsos accionamientos generados por la fluctuación de las condiciones de luz no tendrían un impacto dramático. Como alternativa, se podría utilizar un LED o un láser para generar luz en frecuencias visibles o invisibles y se podría detectar la luz reflejada. Otra opción sería un detector de proximidad por ultrasonidos. También es posible utilizar un detector basado en el contacto, como un interruptor de presión. Cuando se coloca un dispositivo en la fuente de energía inalámbrica 200, la presión aplicada es suficiente para hacer un contacto eléctrico, proporcionando así la misma señal que proporcionaría el circuito sensor. Es posible tener un elemento en el dispositivo portátil que facilite su detección. Por ejemplo, el dispositivo puede contener un imán permanente. Cuando este imán está cerca de la fuente de energía inalámbrica 200, activa un interruptor dentro de la fuente de energía inalámbrica 200 por atracción magnética. Otros circuitos sensoriales que actúan como detectores de proximidad podrían incluir un sensor Hall, un interruptor de láminas, un sensor de movimiento, un interruptor, un sensor de presión, un sensor de luz o cualquier otro sensor capaz de detectar la presencia de un objeto en la proximidad de la unidad primaria.
Hay varias configuraciones posibles del circuito sensor 206 que podrían utilizarse. En lugar de utilizar un puente de inductancia, podrían utilizarse otros elementos reactivos y/o resistivos para formar el puente. Los elementos reactivos pueden ser capacitivos o inductivos. Se puede formar una resonancia para aumentar la sensibilidad del puente a los cambios de inductancia.
En algunos ejemplos, la fuente de energía independiente es un medio externo. Estos medios externos podrían incluir la recolección de energía (mediante la cual se extrae la energía de radiofrecuencia perdida en la atmósfera de los dispositivos emisores de radiofrecuencia), solar, térmica, eólica, de movimiento, hidroeléctrica, etc. En lugar de utilizar una fuente de energía recargable, podría utilizarse una fuente no recargable, como una pila primaria. Otras formas de almacenamiento de energía que podrían utilizarse son las pilas de combustible. Otra forma de almacenamiento de energía es utilizar la energía almacenada en un muelle. Se han utilizado técnicas similares para radios de cuerda, luces y linternas. El usuario podría dar cuerda a un mango para almacenar energía en el muelle. En otra realización, una fuente de energía de DC de la red puede proporcionar una salida adicional de una cantidad baja de energía, tal como 30mW, teniendo su propio modo de espera.
Otra forma de implementar el circuito sensor 206 es que envíe periódicamente breves avisos de energía (por ejemplo, en RF u otras frecuencias) y espere a que un dispositivo válido responda enviando un mensaje de vuelta en la misma o diferente frecuencia. Estos avisos de información podrían transmitirse utilizando la misma bobina inductiva o, alternativamente, se podría utilizar una antena independiente. Alternativamente, el propio dispositivo podría iniciar el proceso. El circuito sensor 206 podría escuchar periódicamente los avisos de información para determinar la presencia de un dispositivo. La información podría ser un tono sinusoidal, u otro tipo de tono (por ejemplo, una onda cuadrada o triangular) o una secuencia de pulsos o un paquete de información.
El rectificador de red 218 puede incluir un transformador para reducir la tensión de CA, un puente de diodos para convertir la tensión de CA en una tensión de DC y un condensador de suavización. También puede haber otros componentes como inductores o filtros para reducir el rizado o para el cumplimiento electromagnético. También puede haber un convertidor de DC a DC (que puede ser un convertidor de DC a DC de modo conmutado) para convertir la tensión de DC a una tensión de DC diferente. En lugar de un puente de diodos completo (que consta de 4 diodos), puede utilizarse un medio puente (2 diodos) o, alternativamente, un transformador de toma central junto con dos diodos. Los diodos pueden ser diodos Schottky. En lugar de diodos, pueden utilizarse transistores (que pueden ser transistores MOSFET) para reducir la caída de tensión. Se pueden utilizar técnicas para evitar las sobretensiones transitorias cuando se acciona el interruptor de red. Pueden emplearse filtros. Como alternativa, la carga puede conectarse gradualmente utilizando un MOSFET con resistencia variable. También se pueden utilizar interruptores conectados en serie.
En los ejemplos descritos, tanto el campo magnético como las bobinas inductivas pueden adoptar diversas formas. El campo generado puede ser perpendicular o paralelo o cualquier otra orientación con respecto a la superficie de transferencia de energía. Las bobinas podrían ser bobinas planas en espiral, con o sin núcleo magnético; podrían ser bobinas de PCB. Las bobinas pueden estar enrolladas alrededor de una barra de ferrita o de una barra rectangular. Las bobinas pueden tener o no blindaje. Los ejes de las bobinas pueden ser paralelos o perpendiculares a la superficie de transferencia de energía. La corriente y/o el voltaje durante la detección en espera serían típicamente mucho más bajos que durante la transferencia de energía. La frecuencia aplicada durante la espera de detección puede ser diferente o igual a la frecuencia aplicada durante la transferencia de energía. Una parte o la totalidad de la tensión, la corriente y la frecuencia pueden variar o ser estáticas durante el funcionamiento y/o la detección en espera.
Los interruptores pueden ser relés electromagnéticos, transistores MOSFET, relés de estado sólido u otros componentes. Los relés de enclavamiento son opcionales, no dependen de una tensión de control que esté presente continuamente y, por lo tanto, la corriente de fuga y, por tanto, la pérdida de energía serán menores. Sin embargo, los relés con enclavamiento pueden ser considerablemente más costosos que los que no tienen enclavamiento. Como alternativa, es posible utilizar relés sin enclavamiento, configurados de manera que SW1 esté abierto y SW4 esté cerrado en ausencia de una tensión de control. En este caso, se puede realizar un enclavamiento electrónico de forma que cuando la lógica de control principal se enciende, suministra su propia energía a los relés para mantenerlos en posición.
Aunque el funcionamiento de esta invención se ha ilustrado en el contexto de un sistema de energía inalámbrico inductivo 200, también puede ser aplicable a otros tipos de sistemas de energía inalámbricos. Por ejemplo, podría utilizarse cuando la energía se transmite a través de la radiación de radiofrecuencia (incluyendo, pero sin limitarse a, las frecuencias de microondas). La energía inalámbrica también puede transmitirse por acoplamiento de ondas evanescentes (por ejemplo, Witricidad). La energía también puede transmitirse por acoplamiento capacitivo. La energía también puede transmitirse ópticamente. Pueden utilizarse otras formas de transferencia de energía inductiva, capacitiva, magnética, electrostática o electromagnética. No es necesario que el dispositivo portátil tenga un dispositivo de almacenamiento de energía. No es necesario que el transmisor de energía inalámbrico tenga una conexión a la red eléctrica. El transmisor puede ser alimentado por una fuente de energía interna o externa, como una batería, un supercondensador, una pila de combustible o un generador alimentado por combustible u otro. También puede obtener su energía por otros medios (por ejemplo, recolección de energía, solar, eólica, de movimiento, térmica, hidroeléctrica, etc.)
La Fig. 41 muestra la adición del control de un circuito auxiliar mediante una realización del método. Este podría ser un equipo adicional que se vería afectado por este control. Cuando el SW1202 está cerrado para permitir el paso de la electricidad de la red a la fuente de energía inalámbrica 200, también permite el paso de la electricidad de la red a la toma de salida auxiliar. Cualquier equipo conectado a esta toma también se encenderá.
La Fig. 42 muestra un ejemplo de unidad auxiliar controlada a distancia. El circuito principal 704 controla una señal que se envía a un segundo dispositivo 4202 que controla la energía adicional, por ejemplo a través de un interruptor 4204, y o funciones según sea necesario. La señal puede transmitirse mediante una conexión convencional por cable, fibra óptica, inalámbrica, óptica en el espacio libre, ultrasonidos, etc. Cabe señalar también que este control inalámbrico puede ser cualquier tipo de par receptor/transmisor o par transceptor 4206, 4210. Algunos ejemplos de formatos de comunicación son Zigbee, ZWave, (redes de malla) portadora de línea de corriente, X10, u otros. Estas tecnologías de control facilitan el control de otras funciones del sistema 4208, ya que están diseñadas para controlar electrodomésticos, termostatos, iluminación y otros dispositivos con energía. Puede tratarse de un simple conjunto de comandos que se envían para controlar dispositivos externos. La unidad auxiliar puede incluir una batería u otra fuente de energía para proporcionar algo de energía mientras la red eléctrica está desconectada de una parte o de toda la unidad auxiliar. En una realización, la red eléctrica se utiliza como la otra fuente de energía para suministrar energía al circuito de recepción mientras que otros circuitos dentro de la unidad auxiliar están desacoplados de la red eléctrica.
La Fig. 43 muestra un ejemplo alternativo similar a la realización de la Fig. 27, salvo que el circuito sensorial 206 transmite la señal directamente.
Las figuras 44 y 45 muestran ejemplos alternativos en los que la fuente de energía inalámbrica está integrada con otro equipo electrónico. El circuito de control dentro del sistema de energía inalámbrica es capaz de controlar el suministro de energía al resto de los circuitos electrónicos.
Aunque el sistema se ha ilustrado en el contexto de un sistema de energía inalámbrico, también es aplicable a otros sistemas, en los que el sistema sale del estado de espera en respuesta a un objeto, persona o animal que se acerca a él.
Una posible clase de sistema es la identificación por radiofrecuencia (RFID) y las tecnologías asociadas, como las comunicaciones de campo cercano (NFC) y las tarjetas inteligentes sin contacto. En estos sistemas la información se intercambia entre un lector 4606 y una etiqueta 4604 o dispositivo por radiofrecuencia o por medios inductivos. La etiqueta/dispositivo 4604 puede ser pasivo, en el que toma su energía de la energía electromagnética recibida, evitando la necesidad de una batería interna. Alternativamente, la etiqueta/dispositivo 4604 puede ser activo y tener baterías internas para su suministro. Los dispositivos suelen tener una antena que consiste en una bobina, circuitos de transmisión/recepción y un microprocesador u otra lógica para el control. Una etiqueta simple puede ser pasiva y simplemente transmitir un número de serie para dar su identidad. Los dispositivos NFC más complejos que se incorporan a los teléfonos móviles pueden transmitir y recibir información entre el lector y el teléfono. Los lectores se utilizan para diversos fines, por ejemplo, sistemas de pago sin efectivo, publicidad o información local. No es deseable que estos sistemas estén permanentemente encendidos, ya que pueden no ser visitados con frecuencia.
La Fig. 46 muestra un ejemplo de utilización de la invención en un sistema RFID (aplicable a NFC y otros sistemas de pago sin contacto). Cuando la etiqueta RFID 4604 se coloca en la proximidad del lector 4602, el circuito sensor 206 determina que hay una etiqueta/dispositivo en la proximidad. Por lo tanto, el sistema conecta el suministro de red y alimenta el lector 4602. A continuación, el lector busca las etiquetas/dispositivos 4604 que estén cerca y se comunica con ellos. No es necesario que el lector 4602 transfiera energía a la etiqueta/dispositivo. Una vez que el lector 4602 ha terminado de comunicarse con todas las etiquetas/dispositivos 4604 en proximidad, puede volver a entrar en el estado de espera. El sistema permanece en este estado hasta que se produce el siguiente cambio (ya sea que se retiren o se coloquen etiquetas/dispositivos).
La descripción anterior es la de la realización actual de la invención. Pueden realizarse diversas modificaciones y cambios sin apartarse de la invención tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas, que deben interpretarse de acuerdo con los principios del derecho de patentes, incluida la doctrina de los equivalentes. Cualquier referencia a los elementos de la reivindicación en singular, por ejemplo, utilizando los artículos "un", "una", "el/la" o "dicho/a", no debe interpretarse como una limitación del elemento al singular.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Un método para reducir el consumo de energía en una unidad primaria (200) que comprende una bobina primaria (212), dicha unidad primaria capaz de transferir energía inalámbrica por inducción electromagnética a un dispositivo secundario (104) que comprende una bobina secundaria (116), dicho dispositivo secundario (104) separable de dicha unidad primaria (200), dicho método comprende el paso de:
detectar la presencia de un objeto dentro de la proximidad de dicha unidad primaria (200); caracterizado en que dicho método comprende además los pasos de: enviar un pulso de energía inalámbrica a dicho objeto en respuesta a la detección de la presencia de dicho objeto dentro de la proximidad de dicha unidad primaria (200); determinar si un dispositivo secundario válido está presente en la proximidad de dicha unidad primaria (200) en respuesta al envío de dicho pulso de energía inalámbrica a dicho objeto;
en respuesta a la determinación de que un dispositivo secundario válido no está presente, restringir la energía suministrada a dicha unidad primaria (200); y
en respuesta a la determinación de que un dispositivo secundario válido está presente, determinar si dicho dispositivo secundario válido desea energía, y en respuesta a la determinación de que ningún dispositivo secundario válido presente desea energía, restringir la energía suministrada a dicha unidad primaria (200),
en donde dicho dispositivo secundario válido es dicho dispositivo secundario (104) que comprende dicha bobina secundaria (116), y
en donde dicho pulso de energía inalámbrica es suficiente para permitir la comunicación del dispositivo secundario (104), y
en donde el nivel de potencia requerido para habilitar dicha comunicación por parte de dicho dispositivo secundario (104) es menor que la potencia requerida para transferir toda la potencia al dispositivo.
2. El método para reducir el consumo de energía en dicha unidad primaria de la reivindicación 1, que incluye: recibir una comunicación de dicho dispositivo secundario (104) indicativa del estado de dicho dispositivo secundario (104); y
en donde dicha determinación de si un dispositivo secundario válido está presente es, al menos en parte, una función de dicho estado de dicho dispositivo secundario (104).
3. Una unidad primaria (200), dicha unidad primaria (200) capaz de transferir energía por inducción electromagnética a un dispositivo secundario (104), dicho dispositivo secundario que comprende una bobina secundaria (116), y dicho dispositivo secundario separable de dicha unidad primaria (200), dicha unidad primaria (200) que comprende: una bobina primaria (212);
un circuito sensor (206) configurado para detectar la presencia de un objeto en la proximidad de dicha unidad primaria (200);
un circuito principal para reducir el consumo de energía en dicha unidad primaria (200), en comunicación con dicho circuito sensor, dicho circuito principal incluye un procesador; caracterizado porque el procesador está programado para:
enviar un impulso de energía inalámbrica a dicho objeto en respuesta a la detección de la presencia de dicho objeto dentro de la proximidad de dicha unidad primaria (200);
determinar si un dispositivo secundario válido está presente en la proximidad de dicha unidad primaria (200) en respuesta al envío de dicho pulso de energía inalámbrica a dicho objeto, donde dicho dispositivo secundario válido es dicho dispositivo secundario (104) que comprende dicha bobina secundaria (116);
en respuesta a una determinación de que un dispositivo secundario válido no está presente, restringir la energía suministrada a dicho circuito principal; y determinar si dicho dispositivo secundario válido desea energía, y en respuesta a una determinación de que ningún dispositivo secundario válido presente desea energía, restringir la energía suministrada a dicho circuito principal,
en donde dicho pulso de energía inalámbrica es suficiente para permitir la comunicación del dispositivo secundario (104), y
en donde el nivel de potencia requerido para habilitar dicha comunicación por parte de dicho dispositivo secundario (104) es menor que la potencia requerida para transferir toda la potencia al dispositivo.
4. La unidad primaria para reducir el consumo de energía de la reivindicación 3, que incluye:
un receptor para recibir comunicación de dicho dispositivo secundario (104) indicativa del estado de dicho dispositivo secundario (104); y dicho procesador está programado para determinar si un dispositivo secundario válido está presente al menos en parte en función de dicho estado de dicho dispositivo secundario (104).
5. Un sistema de transferencia de energía inalámbrica que comprende:
un dispositivo secundario válido (104) capaz de recibir energía inalámbrica para suministrar energía a una carga secundaria (124), dicho dispositivo secundario válido que comprende una bobina secundaria (116); y
una unidad primaria (200) según una de las reivindicaciones 3 y 4.
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