Система и способ для подачи питания на нагрузку

Источник питания для индуктивного питания удаленного устройства имеет инвертор, работающий на рабочей частоте, и первичную обмотку. Фазовый компаратор сравнивает фазу напряжения или тока, подаваемого источником питания. Если соотношение фаз, определенное компаратором, является недопустимым, инвертор отключается. Через некоторый промежуток времени инвертор включается вновь и снова определяется соотношение фаз. Технический результат - уменьшение потребляемой мощности. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Было бы крайне удобно обеспечить индуктивное питание устройства, питание на которое подается прерывисто. В удобное место помещается первичная обмотка. Устройство, имеющее подходящую вторичную обмотку, при помещении вблизи первичной обмотки получает питание, и при этом не требуется подключать к устройству провод или кабель. Однако в случае индуктивного источника питания такое быстрое изменение энергопотребления представляется затруднительным.

Некоторые устройства, например устройства, используемые для приготовления пищи, предназначены для прерывистого получения энергии от источника питания. Например, электросковорода потребляет значительную мощность для нагрева рабочей поверхности до требуемой температуры. При достижении этой температуры сковорода перестает потреблять мощность. Если рабочая поверхность охлаждается, сковорода вновь потребляет значительную мощность для нагрева рабочей поверхности.

Индуктивный источник питания создает магнитное поле, из которого удаленное устройство черпает энергию. Мгновенное прекращение энергопотребления удаленным устройством не приводит автоматически к исчезновению магнитного поля. Наоборот, ранее созданное магнитное поле продолжает существовать после того, как удаленное устройство перестало потреблять энергию. Индуктивный источник питания может продолжать подавать энергию в магнитное поле, что приводит к возникновению слишком больших токов в источнике питания. Если этому не препятствовать, то эти большие токи в источнике питания могут в конечном счете привести к разрушению электронных компонентов источника питания, таких как транзисторы и других полупроводниковые приборы, что сделает источник питания бесполезным. Поэтому весьма желательно усовершенствовать индуктивную цепь для подачи питания на нагрузку.

На фиг.1 приведен индуктивный источник питания для подачи питания на прерывистую нагрузку.

На фиг.2 приведен способ работы цепи, подающей индуктивное питание на прерывистую нагрузку.

На фиг.1 приведен индуктивный источник 6 питания для подачи питания на удаленное устройство 8. Инвертор 10 обычно содержит генератор 12 колебаний, формирователь 14 и транзисторы 16, 18 для подачи переменного тока на колебательный контур 20. Колебательный контур 20 является последовательным резонансным контуром, содержащим первичную емкость 22 и первичную индуктивность 24. Источником питания для схемы может быть любой источник питания постоянного тока, такой как выпрямитель переменного тока или батарея.

Генератор 12 колебаний, формирователь 14 и колебательный контур 20 могут быть обычными устройствами. Более подробное описание подходящих устройств и цепей можно найти в американском патенте 6,825,620, озаглавленном "Индуктивно связанная балластная схема", американской заявке 10/689,499, озаглавленной "Адаптивный индуктивный источник питания", и американской заявке 10/689,148, озаглавленной "Адаптивный индуктивный источник питания с обменом данными". Эти патенты и заявки включены в настоящий документ посредством ссылки.

Удаленное устройство S содержит вторичную индуктивность 28, вторичную емкость 30, нагрузку 32, необязательный приемопередатчик 44 устройства и необязательную память 46. Как известно, вторичная индуктивность 28 и вторичная емкость 30 обеспечивают подачу энергии к удаленному устройству 32. Первичную индуктивность 24 и вторичную индуктивность 28 разделяет воздушный зазор. Первичная индуктивность 24 и вторичная индуктивность 28 предпочтительно являются бессердечниковыми.

На один вход фазового компаратора 36 подается напряжение, поступающее на колебательный контур 20. На другой вход фазового компаратора 36 подается напряжение, поступающее на первичную индуктивность 24. Фазовый компаратор 36 выдает на микропроцессор 38 логический "0", если напряжение, поступающее на колебательный контур 20, и напряжение, поступающее на первичную индуктивность 24, находятся в фазе. Если два напряжения находятся не в фазе, то фазовый компаратор 36 выдает на микропроцессор 38 логическую "1".

В процессе работы, когда удаленное устройство 8 потребляет энергию, напряжения, поступающие на колебательный контур 20 и первичную индуктивность 24, находятся в фазе. Однако когда удаленное устройство 8 перестает потреблять энергию, напряжения, поступающие на колебательный контур 20 и на первичную индуктивность 24, расходятся по фазе. Фазовый компаратор 36 выдает логическую "1", когда напряжения находятся не в фазе.

Чтобы различить незначительные отклонения в фазе напряжения, поступающего на удаленное устройство 8, от ситуации, когда удаленное устройство 8 перестает потреблять энергию, фазовый компаратор 36 выдает логическую "1" только тогда, когда напряжения расходятся по фазе примерно на 90 градусов. Как известно, фазовый компаратор 36 можно настроить на выдачу логической "1" при различных условиях рассогласования фаз. Например, фазовый компаратор 36 может выдавать логическую "1", когда напряжения расходятся по фазе на 45 градусов.

Микропроцессор 38 управляет работой генератора 12 колебаний. Когда на выходе фазового компаратора "0", то микропроцессор 38 включает инвертор 10.

Однако когда фаза напряжений, обнаруживаемых фазовым компаратором, находится не в фазе, микропроцессор отключает инвертор 10 и тем самым немедленно прекращает дальнейшее протекание энергии в колебательном контуре 20. Или же микропроцессор 38 можно заменить на подходящую аналоговую или цифровую схему, которая может отключить генератор 12 колебаний в зависимости от значения на выходе фазового компаратора 36.

Фазовый компаратор 36 является простым фазовым компаратором, работающим по принципу "да-нет". Устройство определения фаз содержит схему "исключительное ИЛИ", низкочастотный фильтр и компаратор напряжений. Низкочастотный фильтр обеспечивает линейность фазовой характеристики между 0 и 90°.

Или же фазовый компаратор 36 можно оцифровать, чтобы получить скалярную величину, характеризующую разность фаз между двумя напряжениями. В этом случае память 40 содержит значения, характеризующие допустимое соотношение фаз, и значения, характеризующие недопустимое соотношение фаз. Микропроцессор 38 считывает значение с выхода фазового компаратора 36 и затем сравнивает считанное значение со значениями, хранящимися в памяти 40, и затем, при необходимости, отключает генератор 12 колебаний.

В некоторых областях применения возникающая при этом задержка времени, связанная с использованием микропроцессора 38 для определения фазы, может оказаться губительной. При высокой добротности колебательного контура 20 задержка может привести к выходу из строя транзисторов 16, 18. Однако если добротность колебательного контура 20 была достаточно низкой, то микропроцессор 38 можно было бы использовать в некоторых областях применения.

Источник 6 питания может быть также снабжен приемопередатчиком 42 источника питания для приема информации от необязательного приемопередатчика 44 удаленного устройства. Приемопередатчик 44 удаленного устройства подает на микропроцессор 38 информацию об ожидаемом или приемлемом соотношении фаз, обнаруженном фазовым компаратором 36 в процессе передачи энергии удаленному устройству 8. Микропроцессор 38 может затем сохранить эту информацию 40, чтобы при помощи нее определять, принимает ли энергию удаленное устройство 8. Микропроцессор 38 затем сравнивает значение на выходе фазового компаратора 36 с информацией из памяти 8. Затем микропроцессор 38 может, при необходимости, отключить генератор 12 колебаний. Например, если удаленное устройство 8 требует, чтобы соотношение фаз, измеренное устройством 36 определения фаз, было таким, что при нормальной работе рассогласование фаз составляет не более 45 градусов, а напряжения, измеренные устройством 36 определения фаз, не согласуются по фазе на 50 градусов, то микропроцессор 38 может отключить генератор 12 колебаний.

Приемопередатчик 44 удаленного устройства может использовать любое число устройств, таких как метка радиочастотной идентификации, передатчик локальной сети или передатчик Bluetooth. Удаленное устройство может быть также снабжено памятью 46 удаленного устройства, когда содержит информацию о фазах. Или же ожидаемое соотношение фаз для множества устройств может храниться в памяти 40. Приемопередатчик 44 удаленного устройства может передавать идентифицирующий код на удаленное устройство 8, и затем процессор 38 смотрит соответствующую информацию о фазах в памяти 40. Затем микропроцессор 38 может сравнить выходное значение фазового компаратора 36 с информацией о фазах, полученной из памяти 40. Если информация о фазах, полученная из памяти 40, не соответствует выходному значению фазового компаратора 36, то микропроцессор может отключить генератор 12 колебаний.

После отключения микропроцессором 38 генератора колебаний 12 описанным выше способом микропроцессор 38 через заданный промежуток времени вновь включает генератор 12 колебаний. Если выходное значение фазового компаратора 36 указывает на допустимое соотношение фаз, указывая тем самым, что удаленное устройство 32 вновь готово принимать энергию, то микропроцессор 38 продолжает обеспечивать работу генератора 12 колебаний. Однако если выходное значение фазового компаратора 36 указывает на недопустимое соотношение фаз, как описано выше, микропроцессор вновь отключает генератор 12 колебаний и выдерживает паузу в течение второго заданного промежутка времени, после чего вновь включает генератор 12 колебаний.

На фиг.2 приведен способ обеспечения работы схемы, приведенной на фиг.1. Сначала генератор 12 колебаний работает на заданной частоте. Этап 100. Считывается показание устройства определения фаз. Этап 102. Каждые 5 мс показание проверяется на допустимость.

Затем осуществляется оценка фазы с целью определить, является ли фаза допустимой. Этап 104.

Если фаза недопустима, генератор колебаний отключается. Этап 106. Генератор колебаний остается отключенным в течение первого заданного промежутка времени. Этап 108. Продолжительность времени, в течение которого генератор колебаний остается отключенным, зависит от конкретной области применения. Было установлено, что промежуток, равный одной минуте, является приемлемым, если индуктивный источник 6 питания предназначен для использования с принадлежностями для приготовления пищи, такими как сковороды.

Затем генератор колебаний включается. Этап 110. Включение генератора 12 колебаний осуществляется для проверки, действительно ли удаленное устройство 8 вновь потребляет энергию. Генератор колебаний может работать на начальной частоте или на другой "зондирующей" частоте. В некоторых областях применения может быть предпочтительно, чтобы зондирующая частота отличалась от начальной частоты схемы. Согласно одному варианту осуществления "зондирующая" частота является заданной частотой, которая находится за пределами ожидаемой рабочей резонансной частоты удаленного устройства 8. Например, если предполагается, что удаленное устройство 8 работает на некоторой частоте или диапазоне частот от 40 кГц до 50 Гц, то зондирующая частота может быть установлена в диапазоне от 75 кГЦ до 80 кГц. При выборе зондирующей частоты следует соблюдать осторожность, чтобы не допустить резонансной частоты схемы под нагрузкой и без нагрузки, а также каких-либо гармонических резонансных частот.

Фаза вновь считывается и оценивается. Этапы 112, 114. Если фаза является допустимой, схема работает как обычно. Если фаза является недопустимой, генератор колебаний отключается. Этап 106. Затем контроль продолжается с этого места.

Вышеописанный индуктивный источник питания является идеальным для подачи питания к устройству, прерывисто использующему относительное большое количество электрической энергии. Источник питания может быстро определить изменения в требованиях к нагрузке и затем автоматически временно отключиться, чтобы не допустить выхода из строя источника питания.

Вышеприведенное описание является описанием предпочтительного варианта выполнения. Могут быть внесены различные модификации и изменения без отступления от сущности понимаемых в широком смысле аспектов изобретения, определяемых прилагаемой формулой, которые следует толковать в соответствии с принципами патентного права, в том числе учения об эквивалентах. В формуле любые упоминания элементов в единственном числе не следует воспринимать, будто элемент ограничен единственным числом.

1. Схема для подачи питания на удаленное устройство, содержащая: инвертор, работающий на рабочей частоте; колебательный контур, включающий емкость и индуктивность для передачи энергии к удаленному устройству, фазовый компаратор для сравнения фазы напряжения, подаваемого на колебательный контур, с фазой напряжения, подаваемого на индуктивность, и производящий первое сравнение фаз; и средство отключения для отключения инвертора как функции первого сравнения фаз.

2. Схема по п.1, в которой инвертор дополнительно содержит первый ключ.

3. Схема по п.2, в которой инвертор дополнительно содержит формирователь, соединенный с ключом.

4. Схема по п.3, в которой инвертор дополнительно содержит генератор колебаний для управления ключом на рабочей частоте.

5. Схема по п.1, дополнительно содержащая приемник для приема ожидаемого соотношения фаз от удаленного устройства; при этом указанное средство отключения отключает инвертор как функцию первого сравнения фаз и ожидаемого соотношения фаз для устройства.

6. Схема по п.1, в которой средство отключения отключает инвертор на основании выхода фазового компаратора, показывающего, что фаза напряжения, подаваемого на индуктивность, и фаза напряжения, подаваемого на колебательный контур, расходятся по фазе на заданную величину.

7. Схема по п.6, в которой схема имеет второй ключ.

8. Схема по п.7, в которой первый ключ и второй ключ расположены последовательно.

9. Схема по п.1, в которой средство отключения является процессором, а схема дополнительно содержит приемник для приема идентифицирующего кода от удаленного устройства; при этом процессор включает память для обработки идентифицирующего кода от удаленного устройства для проверки ожидаемого соотношения фаз для удаленного устройства от памяти, причем микропроцессор сравнивает ожидаемое соотношение фаз с первым сравнением фаз фазового компаратора для получения второго сравнения фаз, и отключение инвертора как функцию первого сравнения фаз и второго сравнения фаз.

10. Схема по п.8, в которой средство отключения является аналоговой схемой.

11. Схема по п.8, в которой средство отключения является цифровой схемой.

12. Способ обеспечения работы схемы, содержащий этапы, на которых: обеспечивают работу инвертора на первой частоте для питания колебательного контура, включающего емкость и индуктивность; определяют первую рабочую фазу инвертора; определяют первую рабочую фазу напряжения между колебательным контуром и индуктивностью; сравнивают первую рабочую фазу инвертора с первой рабочей фазой напряжения между колебательным контуром и индуктивностью для получения первого сравнения и отключают инвертор в ответ на первое сравнение.

13. Способ по п.12, в котором инвертор включает в себя генератор колебаний и этап отключения инвертора включает в себя отключение генератора колебаний.

14. Способ по п.13, в котором отключение инвертора предусматривает отключение инвертора в ответ на сравнение результата первого сравнения со значением, хранящимся в памяти.

15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этапы, на которых ждут некоторый промежуток времени в ответ на отключение; обеспечивают работу инвертора на второй частоте; определяют вторую рабочую фазу инвертора; определяют вторую рабочую фазу напряжения между емкостью и индуктивностью колебательного контура; сравнивают вторую рабочую фазу инвертора со второй рабочей фазой напряжения между емкостью и индуктивностью колебательного контура для получения второго сравнения; и отключение инвертора в ответ на второе сравнение.

16. Способ по п.15, в котором первая частота совпадает со второй частотой.

17. Способ по п.15, в котором первая частота отличается от второй частоты.