KR20040098819A - 무선 전원 공급장치 및 무선 전원 수신장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선으로 전력을 공급 혹은 수신하는 장치를 제공하기 위한 것으로서, 교류전원을 정류(整流)하여 DC로 변환시키는 변환부와, 상기 변환부로부터의 DC에 의거하여 교류를 발생키기는 발진부로 이루어지는 무선 전원 공급장치와, 인덕터와 콘덴서와 다이오드로 구성되어 상호유도작용에 의하여 무선을 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치를 제공한다.

Description

무선 전원 공급장치 및 무선 전원 수신장치{WIRELESS POWER SUPPLIER AND WIRELESS POWER RECEIVER}

본 발명은 전원 공급장치에 관한 것으로서, 특히 충전식 배터리나 전원을 필요로 하는 전자기기에 무선으로 전원이 전달되도록 하는 장치로서 별도의 연결선 및 특정의 물리적 접촉 단자가 필요 없이 유도성 전류에 의해 전원이 공급되도록 하는 무선 전원 공급장치에 관한 것이다. 종래의 전원 공급장치를 충전장치를 예로 들어 설명한다.

도1에 나타내는 바와 같이 종래에 사용되고 있는 충전장치는 110V 및 220V로부터 입력되는 AC 신호를 다운 트랜스포머(down-transformer)나 SMPS(Switching Mode Power Supply) 구조를 사용하여 사용하고자 하는 DC 전압까지 강하 시킨 후에 전원 공급 케이블이나 금속 등의 접점부를 통하여 배터리 혹은 전자기기에 전원을 공급하고 있다.

그러나 상기와 같은 전원 공급장치는 트랜스포머를 사용하므로 크기가 크고 무거우며 또한 트랜스포머에서 소모되는 전력이 많아 효율적이지 못하다. 이러한 전력 소모는 전력 자체의 소모 뿐만 아니라 전자기기의 트랜스포머(전원 어댑터)의 발열에 의하여 화재가 발생하는 등 불안요소로 작용하기도 한다.

유선으로 전원이 공급되므로 전원용 케이블이 필요하다. 또한 금속 등의 접점부 상호간이 이 물질에 의하여 연결되어 쇼트가 일어나 충전장치나 전자기기가 파괴되거나 감전사고도 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 사이즈가 컴팩트한 구조의 간단한 전원 공급장치를 제공하고자 하는 것이다. 또한 전력 소모가 적은 안전한 전원 공급장치를 제공하고자 하는 것이다. 또 전원용 케이블이나 전원 접촉점이 필요하지 않은 편리한 전원 공급장치를 제공하고 하는 것이다.

도1은 종래의 충전장치를 나타내는 도면,

도2는 본 발명의 한 실시예를 나타내는 도면,

도3은 본 발명의 인덕터의 한 예를 나타는 도면,

도4는 상호자기유도를 하는 인덕터의 위치를 나타내는 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

A : 변환부 B : 발진부

C : 수신장치 D : 감지부

본 발명의 발명자는, 유선으로 전원을 전달하여 배터리를 충전시키거나 낮은 전력 소모량을 갖고 동작하는 전자기기를 유선의 전원용 케이블을 사용하지 않고 무선의 유도성 전류를 전달하여 동작하도록 하는 무선 전원 공급장치를 착상하게 되었다.

무선으로 전력을 공급하기 위하여는 전력신호를 송출하여야 할 송신 안테나 및 수신 안테나가 필요 하다.

그러나 일반의 무선신호는 전계(E field)와 자계(H field)가 교번(交番)으로 전달되나, 이 경우에 어느 일정 이상의 전력신호를 전달하기 위하여는 높은 출력신호와 높은 주파수 및 고효율의 안테나를 사용하여야 하나 현실적으로 높은 전력 전달효율을 기대하기가 어렵다.

따라서 본 발명자는, 무선으로 전력을 전달하기 위하여 무선신호 중에서 자계 만을 사용하여 전력을 전달할 수 있는 자계의 상호 유도작용의 원리를 착상하게 되었다. 이러한 방식으로 상호 유도작용을 일으키기 위하여는 코일에 교류신호와 같은 형태의 교번하는 신호를 인가하여만 하고, 또를 이를 위하여 교류신호를 발생시키는 신호원을 구성한 후에 코일에 인가하게 된다.

그러나 본 발명에서는 신호 발생기(oscillator) 자체 내에서 발진 주파수를 결정하는 요소의 하나로 인턱터(코일)가 사용되는 콜피츠(colpitts) 형태의 신호 발생기 구조를 사용하여 별도의 외부 인덕터를 사용하지 않고 발진 주파수를 결정하는 내부 인덕터를 상호 유도작용용 코일로 사용함으로써 구조를 단순화시키고 가격을 저렴화시키면서 상호 유도작용이 이루어 지도록 구성한다.

즉 본 발명은, 교류전원을 정류(整流)하여 DC로 변환시키는 변환부와, 상기 변환부로부터의 DC에 의거하여 교류를 발생키기는 발진부로 이루어지는 무선 전원 공급장치를 제공한다.

여기에서 상기 변환부는 두 개의 다이오드로 구성되어 반파정류를 생성하고, 상기 발진부는 코일과 콘덴서로 구성되는 콜피츠 구조인 것이 바람직하다.

또 상기 발진부의 주파수는 20 ~ 60KHz이고, 상기 변환부에 전류가 흐르고 있다는 것을 감지하는 감지부를 더 구비하고, 상기 감지부는 비교기로 구성되고, 상기 감지부의 감지는 본 장치의 외부에 본 장치를 사용하여 상호유도작용을 일으켜 상기 변환부에 흐르는 전류 변화량을 검출하는 것이 바람직하다.

또한 교류전류가 공급되고 있다는 것을 나타내는 표시부를 더 구비하고, 상기 표시부는 저항과 다이오드로 구성되는 것을 바람직하다.

또 본 발명은, 인덕터와 콘덴서와 다이오드로 구성되어 상호유도작용에 의하여 무선을 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치를 제공한다.

여기에서, 상기 인덕터는 양면 PCB에 의하여 구성되며, 한 면의 패턴과 패턴 사이에 다른 면의 패턴이 위치하고, 정전압부를 더 구비하고, 장치는 휴대폰이나 마우스에 수용되는 것도 가능하다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도2에 본 발명에 의한 한 실시예의 장치를 나타낸다.

도2의 장치에서는 상호 유도작용을 일으키기 위하여 사용되는 콜피트 형태의 발진기 구조를 사용하며, 본 발진기의 발진 주파수는 L1, C1의 값에 의하여 결정되게 된다. 즉 공진 주파수f는 1/{2π root(L1C1)}로 주어진다. 이 중에서 L1을 이용하여 상호 유도작용을 일으키며, 이 때에 자속의 밀도를 높이기 위하여 이 L1 인덕터 내부에 페라이트(ferrite) 재질의 코어(core)을 넣어 감는 형태를 취한다.

L2는 전력을 공급받고자 하는 전자기기 등에 설치되는 것으로 L1과 상호 유도작용을 일으켜 발진기로부터 전력을 공급받는 안테나의 역할을 한다.본 실시예의 장치는 크게 세 부분으로 나누어져 있다. 도2에서 변환부A, 발진부B, 감지부D가 바로 그것이다. 여기에서 C로 표시되는 부분은 본 발명의 전원 공급장치에서 송출하는 전력을 수신하는 전력 수신장치로서 전자기기 등의 내부에 수용된다.

우선 변환부A에 대하여 설명한다.

변환부A는 AC 220V의 전원(통상 가정이나 사무실에서 사용하는 전원)을 다운 트랜스포머 없이 직접 정류 다이오드D1, D2를 사용하여 DC로 변환시켜 구조를 간략하게 한다.

그 동작원리에 대하여 설명한다.

정류 다이오드D1. D2에 교류전원을 직접 인가하고, 이때에 다이오드D1으로 입력되는 교류전원의 상측 위상은 다이오드D1과 D2의 순방향과 일치하여 전류가 흐르게 되나 다이오드D2로 입력되는 반대의 하측 위상은 다이오드D1, D2와 역방향이 되어 전류가 흐르지 못하는 반파정류(半波整流) 작용을 하게 되어 DC 전압화가 되고, 저항 R1과 R2는 그 저항값의 크기에 따라 발진부B에 걸리는 전압의 크기를 조절하는 역할을 하게 된다.

변환부A로부터 발진부B에 공급되는 전압이 높을수록 더 많은 전력을 전달시킬 수 있으나 발진부B에 사용되는 부품들이 견딜 수 있는 내압 전원을 고려하여 적정한 전압값을 정하도록 한다.

또한 변환부A에는 저항R3과 발광다이오드D3를 더 구비하여 전원이 공급되고 있는지를 표시할 수 있다.

도면에서 B는 상호 유도작용을 일으키기 위한 교류신호를 발생시키기 위한 콜피츠 구조의 발진부로서, 공급되는 DC전원상에 존재하는 매우 작은 신호 레벨의 무한 주파수들의 노이즈(noise)로부터 L1과 C1의 값에 동조되는 한 주파수를 트랜지스터가 R4와 R5의 바이어스(bias)값에 의해 정해진 증폭도에 맞추어 일정 크기의 주파수를 만들어 내게 된다. 이 때에 L1에 발진부에서 발생되는 특정 주파수의 교류신호가 흐르고 있는 특성을 이용하여 수신장치C의 L2와 상호 유도작용을 일으키도록 하여 L1에서 L2로 자계신호가 전달되도록 한다.

도면에서 D는 저항R1을 통하여 흐르는 전류량의 변화를 감지하여 충전완료 및 부하 유/무를 감지하여 신호를 출력하도록 하는 감지부로서, 전류의 변화는 L1에 L2가 근접하였을 때와 떨어져 있을 때에 차이가 있게 되는데 이는 L2가 L1에서 발생되는 자계를 끌어 당기는 로드(Load) 역할을 하기 때문이다. 이는 배터리 등이 방전되어 있는 상태와 충전되어 있는 상태에 따라 끌어당기는 전류의 양이 변화되는 원리를 이용한 것이다. 상기 감지부D는 비교기로 구성된다.

배터리는 충전 상태에 따라 자체의 입력 저항값이 변동하게 되고, 즉 충전이 많이 되어 있을 경우는 저항값이 상승하는 효과가 이루어져 충전에 소요되는 전류는 낮아지게 된다.

도면에서 C는 전자기기 등의 내부에 수용되는 전력 수신장치로서, L2를 통하여 전달받은 자계 신호를 다이오드D4와 전해 콘덴서C5를 이용하여 DC 전원화시키며, 이 때에 사용되는 다이오드D4는 인계되는 자계의 주파수가 높은 관계로 일반의 정류 다이오드 대신에 처리속도가 빠른 스위칭 다이오드(switching diode)를 사용하여 DC 변환효율을 높일 수 있도록한다.

일반의 정류 다이오드의 경우에 통상 수십 Hz의 동작특성에서 최적이 되도록 제작되어 있어, 높은 주파수에서 사용할 경우 응답 속도가 늦어 효율이 저하되며 불필요한 노이즈를 만들어 내게 된다. 그러나 고속의 신호를 절체하는 용도로 사용되는 스위칭 다이오드의 경우에는 응답속도가 빨라 정류의 효율을 높일 수 있으나 처리 전력이 크지 못한 단점이 있으나, 본 발명은 높은 전력을 처리하지 않는 관계로 사용에 문제가 되지 않는다.

정전압부는 전자기기 등에서 필요로 하는 DC 전원값을 만들어 준다.

여기에서 자계 수신 안테나로 사용되는 L2는 PCB(Printed Circuit Board)의 양면에 패턴을 원형구조로 감아 만들거나 에나멜 구리선을 평면 혹은 원통형 코일의 형태로 만들어 사용하며 이 때 PCB 형태의 안테나 구조는 자계의 수신효율을 높이기 위하여 앞면 패턴의 사이사이에 공간이 생기는 부분의 뒷면에 뒷면의 패턴이 지나가도록 구성하면 효율적이다(도3 참조). 따라서 상기와 같이 L1은 자속의 밀도를 높여 전력 전달 효율을 높이기 위하여 페라이트를 내부에 넣어 코일을 감는 형태로 구성하고, 전력 수신장치가 내장된 전자기기 등을 전원 공급장치에 가까이 놓아 전력을 전달하는 L1, L2의 위치관계는 도4에 나타내는 바와 같다.

상기와 같은 구성에 의하여 발진부에서는 자체적으로 만들어 내는 발진 주파수의 교류신호가 C1과의 공진에 의하여 L1의 양단에도 걸린다. 이를통하여 L1은 인덕터의 고유 성질인 자계를 발생시키게 되며, 이 자계를 받아드릴 수 있는 L2를 외부에서 근접시킴으로써 상호 유도작용을 일으키게 되어 L2를 통하여 일정량의 전력을 얻을 수 있다. 본 발명은 휴대 전화기, 휴대형 음향장치, 리모콘 등과 같이 소형 사이즈에 저전력의 배터리를 사용하는 기기에 사용하는 것이 적합하며, 상호 유도발생 회로를 전원 충전기용 등으로 패드화하여 인덕터L1을 외부 표면에 가깝게 배치하고, 인덕터L2와 다이오드D2, D3 등의 변환부A를 장치의 표면에 얇게 포설하여 설치한 후에 전자기기 등의 L2가 포설된 면을 장치 패드의 L1이 포설되어 있는 면에 올려 놓아 충전을 하거나 전력을 공급하게 한다.

또한 상호 유도작용으로 교류신호를 효율적으로 인계 시키기 위하여는 가정에서 사용하는 60Hz보다 높은 주파수를 사용하여야 하며, 이 주파수가 매우 높아질 경우에는 전달손실이 높아져 효율이 떨어지는 상황이 발생하며 또한 기존에 사용하는 다른 무선 주파수의 사용에 영향을 끼치게 된다.

따라서 기존 무선신호로 사용되고 있지 않은 가청 주파수 범위 내에서 상호 유도 주파수를 만들 수 있으나, 이 경우에 코일과 페라이트 간의 공진현상으로 인하여 험 잡음(hum noise)이 들리는 현상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 사용 주파수의 범위를 인간이 실질적으로 들을 수 있는 없는 20~60KHz의 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위로 주파수를 맞추기 위하여 L1과 C1을 사용하여 발진 주파수를결정하며, 이 때에 L1에서 발생되는 상호 유도작용에 의하여 L2에 교류신호가 전달되게 되며, 전달효율을 높이기 위하여 고압의 범위 내에서 동작 가능한 트랜지스터를 발진부B에 사용하여 고압의 전압을 전달함으로써 많은 전력 전달의 양을 높일 수 있어 무선으로는 많은 전류를 전달할 수 없었던 단점을 보상하여 전력면에서 효율을 높일 수 있도록 한다.

이렇게 L2에 전달된 고압의 일부 신호를 높은 주파수에서 사용할 수 있는 스위칭 다이오드D4를 사용하여 정류를 한 후에 DC 전원을 필요로 하는 전자기기 등에 공급하여 전자기기 등이 동작하도록 한다. 여기에서 만약 일반 정류 다이오드를 사용하면 응답속도가 떨어져 정류효율이 저하된다.

본 발명에 있어서 무선으로 전력이 전달됨으로써 유선을 공급할 때보다 효율이 떨어지는 점을 보완하기 위하여 220V를 직접 DC로 변환하여 발진부의 동작전압 범위를 크게 하여 2차측으로 전력이 효율적으로 전달될 수 있도록 한 결과로 트랜스포머나 정통 SMPS 등을 사용할 때 보다 사용 부품 수를 줄일 수 있어 구조를 간단하게 할 수 있고 원가를 낮출 수 있다. 또한 발진부에 공급되는 전류량을 감시하여 배터리 등에 충전이 완료되었을 경우에 이를 알려 주는 감지부의 부가도 가능하며, 이는 전력 수신부(L2) 측인 배터리가 충전이 완료하여 더 이상 전원을 필요로 하지 않아 전류량이 줄게 되고 이는 L2가 끌어당기는 자계의 양이 줄게 되어 L1 측의 전력공급의 소모 전류량도 줄어드는 원리를 이용한 것이다.

이상에서는 충전장치 등 전자기기 등에 적용한 경우에 관하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 무선 마우스등 배터리를 사용하는 장치에서 배터리를 제거하고 인덕터L2와 다이오드D4 와 전해 콘덴서를 부착하고 패드로 된 본 발명의 장치상에서 동작시키는 것도 가능하다. 이는 전해 콘덴서에 충전되는 전력으로 마우스 등의 전자장치를 구동 시키면서 방전되는 전해 콘덴서에는 패드로부터 계속하여 전원을 공급하여 지속적인 재충전이 이루어 지도록 하는 것이다.

또한 노트북 컴퓨터 등과 같이 배터리를 사용하는 모든 전자기기에서 사용이 가능하다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 함으로써 전원공급용 케이블의 연결이나 물리적인 접촉점을 통하여 전자기기 등에 공급되던 전력을 무선으로 전달하여 동작할 수 있으므로 복잡한 전원공급선의 연결이나 기구적인 접촉점이 없이도 소형의 전자기기 등에 간편하게 전력을 공급할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.

또 전력 발생, 공급 장치인 발진부에 트랜스포머를 사용하지 않고 AC 220V를 직접 정류한 후에 공급함으로써 장치의 전자회로를 간단하게 할 수 있고 또한 크기, 무게를 크게 낮출 수 있고 장치의 가격을 저렴하게 할 수 있는 효과가 있다.또한 전자기기의 모양에 관계없이 평면 혹은 특정 모양의 전력전달 안테나 근처에 위치하면 사용할 수 있으므로 충전기 등의 공용화를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한 트랜스포머를 사용하지 않고 부품수를 크게 줄임으로써 동작하지 않는 경우에도 대기 전력의 소모량이 적어 에너지의 낭비를 줄일 수 있어 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다. 또한 열이 발생이 현저하게 줄어들므로 화재이 위험성에서 벗어날 수 있다.

즉 트랜스포머를 사용하는 경우에 충전기의 소모전력이 220V/150mA ~ 250mA이었던 것이, 본 발명을 적용하면 220V/25mA로 되어 전력 소모량이 1/6 - 1/10로 주는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

1. 교류전원을 정류(整流)하여 DC로 변환시키는 변환부와,

   상기 변환부로부터의 DC에 의거하여 교류를 발생키기는 발진부로

   이루어지는 무선 전원 공급장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 변환부는 두 개의 다이오드로 구성되어 반파정류를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 발진부는 코일과 콘덴서로 구성되는 콜피츠 구조인 것을 특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 발진부의 주파수는 20 ~ 60KHz인 것을 특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 변환부에 전류가 흐르고 있다는 것을 감지하는 감지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 감지부는 비교기로 구성되고,

   상기 감지부의 감지는 본 장치의 외부에 본 장치를 사용하여 상호유도작용을 일으켜 상기 변환부에 흐르는 전류 변화량을 검출하여 이루어지는 것을

   특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
7. 제1항에 있어서,

   교류전류가 공급되고 있다는 것을 나타내는 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 표시부는 저항과 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전원 공급장치.
9. 인덕터와 콘덴서와 다이오드로 구성되어 상호유도작용에 의하여 무선을 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 인덕터는 양면 PCB에 의하여 구성되며, 한 면의 패턴과 패턴 사이에 다른 면의 패턴이 위치하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
11. 제9항에 있어서,

    정전압부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
12. 제9항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,

    장치는 휴대폰에 수용되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
13. 제9항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,

    장치는 마우스에 수용되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.