Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an d  Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol .   7 ,  No . 2,  J une   2 0 1 6 ,  pp . 46 0~ 47 1   I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 60     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Development of Wireless Powe r Transfer using Capacitive  Meth od for Mou s e Charging Application       S .  Saa t , O.  Z.  G u at , F. K.   A b d u l  Ra h m a n ,   A .   A .  Isa ,   A .   M .   Da rso n o  Faculty  of Electr onics  &  Computer  Eng i ne ering,   Universiti  Tekn i k al Ma la ysia  Me laka , Me laka , M a la ysi a       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Nov 18, 2015  R e vi sed M a r  7,  2 0 1 5   Accepted  Mar 24, 2016      Wireless power transfer (WPT) is a non-contact power transf er within  a  dis t anc e . W ith   the  advant age o f  not-con tac t  co ncept ,  W P T en hances   th e   flexibi lit y m ove m e nt of the devices .  Bas i c a ll y,  there are th ree  t y p e s  of the   WPT which are inductiv e power transfer (IPT) , capacitive pow er transfer   (CPT) and acou s tic power tr ansfer (A PT). Among these,  cap acitive power   trans f er (CP T ) h a s  the adv a ntag e s  of confining e l ectr i c fi eld b e tw een coup led  plates, metal p e netration ab ility   and also  the sim p licity  in circuit topologies.    Therefor e, we f o cus on the cap acitive met hod in this paper. To  be specific,  this paper aims to develop a wirele s s  m ous e char ging s y s t em  us ing cap aci tiv e   based method. This met hod enab les wireless power transmission from mou s e  pad to a wireless mou s e.   Hence, no batter y   requ ires  to power up the mouse.    In this paper,  a  high efficien cy   Class- E converter is described  in details to  convert th e DC source to AC and the co mpensatio n circuit of resonant tank is   also proposed at the transmitter side in  order to improve the eff i ciency . In th e  end, a proto t ype is developed to  prove the develop e d method. Th e  perform ances  an al y s is  of the dev e loped  proto t y p e is discussed and the futur e   recom m e ndation  of th is t ec hniqu e is  also pr esented.   Keyword:  W i reless powe r  tra n sfe r   Cap acitiv e power transfer  W i rel e ss m ous e cha r gi ng   Lo w po wer   ap pl i cat i ons   Class-E c o nverter   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d .  Co rresp ond i ng  Autho r :  Mo hd  Sh ak ir   B Md  Saat,    Facu lty of Electron ics & C o mp u t er En g i n eerin g  Un i v ersiti Tekn ik al Malaysia Melak a   H a ng   Tu ah  Jay a , 761 00   Du r i an  Tun g g a l, Melak a , Malaysia.  Em a il: sh ak ir@u tem . ed u . m y       1.   INTRODUCTION  W i reless Powe r Tra n s f er als o  known as  WPT is  a proces s of trans f erri ng  powe r between t w o  or  m o re physically unc onnecte d  electric ci rcui t s  or  de vi ces  [ 1 ] .   T h i s  i n n o v at i v e t e c h n o l ogy   has  creat e d   new   p o s sib ilities to  sup p l y electron i c d e v i ces  with  electrical en erg y   b y  elimin atin g   o f  wires, con n ect o r s and  slip- r i ng s.  Th e po t e n tial app licati o n of   W P T can   r a ng e  f r o m  a l o w   po wer   o ffi ce  or  h o m e  appl i a nc es t o   a hi gh   po we r i n dust r i a l  sy st em s [2] .  Gene ral l y , i t  can be di vi ded acc o r di ng  t o  t h e m e dium  used f o r  po w e r   tr an sm issio n ,  w h ich  ar e acou s tic- b ased   WPT, lig h t -b ased   W P T, cap aci tiv e- b a sed   W P T an d  th e inductiv ely  co up led W P T.  Th e m o st well -kno wn  tech n i q u e  in th e  WP T techn o l o g y  is ind u c tiv e cou p ling b e t w een  tran sm itte r   and  receive r  which is  widely  applied to m o st of the  ap plications  nowa days [3].  Howe ver, the m a jor  dra w ba c k   o f   IPT is  ferromag n e tic in terferen ce  wh ich is th e fl u x   ca nn ot   pass t h r o ug h t h e m a gnet i s abl e  m a t e rial  [4] .   Mean wh ile, the aco ustic p o wer transfer  is co m p arativ ely n e w,  wh ich  is op ti m i zin g  th e vib r ation  or u ltrason ic  pr o p agat i o n w a ve rat h er t h a n  el ect rom a gn et i c  fi el ds fo r po we r t r ansm issi on . Al t h o u g h  l i ght - b ase d  s y st em s   ab le to su pp ly  a g r eat am o unt o f   po wer, its d i ffraction   l o s s es ha ve  di rect l y  i n fl ue nc ed t h e efficiency  ove r a  g r eat  d i stan ce [5 ],  [6 ].  A s  co m p ar ed  t o   p opu lar  inductiv e po w e r  tran sf er ,  bo th   of th e  A P T and   CPT h a v e  t h e  ad v a n t ag es  o v e r  IPT.   Fo r APT, t h e effi cien cy  of t h e  po wer tran sm issio n  is h i g h er  wh en  t h e  d i stan ce  o f  th e transmitte r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No .  2,  Ju ne 20 16   :   460  –  4 71  46 1 and  receive r is  m u ch larger.  While ca pacitive ha ve the ab i lity of  m e tal pe netration and t h e potential to  reduce  electro m a g n e tic in terferen c e  (EMI) th at wil l  o v e rco m e th e p r ob lem s  in   IPT  [7 ].  Althou gh  th e APT  co u l d   o v e rco m e th e  metal b a rrier issu e an d  t h e d i stan ce li m ita ti o n , th e  d i fficu lties o f  th e large aco ustic i m p e d a n ce  mis m a t ch of the tra n sm itter  and recei ve r  with the m e dium  could lead t o  a  seve re lim i t  on the e fficie n cy of  p o wer tran sfer.  Hen ce, th e cap acitiv e ap pro a ch  is m o re  p r eferab le i n  th is wo rk .  Currently, in the m a rket,  the “Magic Charger” cha r ge r is ava ilable which utilizes the IPT m e thod  t o   charge up  devi ces. But us ually the “Magic Charger” c o mes to g e th er  with  a set o f   rechargea b le battery and  char ger  st at i o n  and  b r i n gs u p   t h e bat t e ry  i s s u e.   Al t h o u gh  by  usi ng t h e re char gea b l e  bat t e ry  w oul d de fi ni t e l y   redu ce th e  b a ttery d i spo s al issu e,  bu t it would  b e   g r eat if  t h ere is  n o  b a tt ery b e ing  im p l an ted  i n  th e  wireless  m o u s e and  yet  it still can  b e   po wered   u p .  There f ore,  i n  t h i s   wo rk , a  wi r e l e ss com put er  m ouse cha r gi ng  sy st em  i s  pro p o sed .    Thi s   sy st em  uses   th e cap acitiv e  p o wer tran sfer b a sed  app r o a ch  to  so lv e the ab ov em en tio n e d  issu e. Th e p r o p o s ed  capacitiv e  base d wi rel e ss   m ouse c h ar gi ng sy st em  i s  abl e  t o  cha r ge t h e m ouse w h i l e  t h e m ouse i s  i n  i t s  use.  An ot h e r   sayin g ,  th e m o u s e is still in  c h arg i ng  m o d e  ev en  a  u s er  is u s ing  it as lo ng as th e m o u s e is in  th e effectiv e area  of c h a r gi ng  ( m ouse pa d).   Ho we ver ,  t h e   m ovem e nt  of  t h e m ouse al o n g  t h e  x- axi s   i s  pre f era b l e  i n   due  t o   ach iev e   fu lly co up led cond itio n to  con t ribu t e  a h i g h e r efficien cy of  p o wer tran sfer.      2.   OVERVIEW  OF THE PR OPOSED CPT  METHOD  Thi s   pr ot ot y p e  i s  de si g n ed  i n  a  sm al l  scal e l o w  p o w er  m odel  u p  t o  5 V  a n d  wi re l e ss p o we r   tran sm issio n  ran g e  effectiv e  is with in  1 c m   g a p.  Th e i ssue that always  affects th e efficiency of the  powe r  tran sm issio n  in CPT is t h e alig n m en t of th e  tran sm it ter p l ates and t h e  rece iver  plates.   Hence, i n  t h is project ,  bot h pl at es o n  t h e wi rel e ss co m put er  m ouse and m ouse pa d  are t o  be desi gne d i n  an al i g ned fi xe d p o si t i on as   sho w n i n  t h e F i gu re 1(a )  w h i l e  t h e Fi gu re 1( b) s h o w s  th e  misalig n m en t  situ atio n  of th e b o t h   p l ates [8].  As  can be see n ,  when t h e m i sa lignm ent situation occ u rre d ,  the r e are  unc oupl ed areas  be tween  th e tran sm it ter an d  receiver  whic h will lead t o  t h e conse que nce s  in a ffecti ng the e fficiency  perform a n ce of  the system . The plate   effect i v e  area i s  hi ghl i g ht ed  o n  t h e  m ouse  pa d.  I n  t h i s  pro t otyp e,  a fu lly  alig n e d  situ atio n is  d e sirab l e.        Fig u re  1 ( a). Fully Alig n e d and  C o up led Situatio n    Fig u re  1 ( b). M i salig n e d Situ atio n       In a C P T sy st em , a hi gh fr eq uency   vol t a ge  i s  desi re d to  drive the electri c fi eld  coup ler so  th at th e  altern atin g  curren t can  flow  th ro ugh  it to  prov id e t h e  lo ad  with  t h e requ ired  po wer.  There f ore, a C l ass-E  con v e r t e r i s  de si gne d as t h e h i gh f r eq ue ncy  con v e r t e r at  th e tran sm it ter t o  con v e rt DC  so urce to   AC.  On  the  ot he r ha n d , t h e pr obl em  of  po we r l o ss  du ri n g  t h e c h ar gi ng  pr ocess i s   ove rc om e by   desi g n at i n g ca paci t o r   com p ensation  circuits at the  tr ansm itter  and receiver  part.          Fi gu re  2.    C o n cept u al   Desi g n  o f   W i rel e ss M ous e C h a r gi n g   Prot ot y p e  [9]   Transm itter Plate 2  Receiver  Plate 1  Receiver  Plate 2 U n cou p l ed   Area   Transm itter Plate 1    Transm itter Plate 1  Transm itter Plate 2  Receiver P late Receiver P late Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN :  208 8-8 6 9 4     Developme nt  of WPT  using C a pacitive Met hod for Mouse   Charging  Appl ication   ( S . Sa at )   46 2 3.   DESIG N  DES CRI PTIO N   The basi c c o n cept u al  desi gn  of t h e p r ot ot y p e i s  sho w n i n  Fi g u re  2. Fr om   t h e fi gu re,  fi rst ,  a D C   so urce fro m  th e USB po rt is su pp lied  to  th e p r im ary circ u i t wh ich  is also k n o w n  as th e tran sm it ter. At th e  t r ansm i t t e r, t h e r e i s  a  hi gh  f r e que ncy  c o nve r t er (C l a ss  E)  t h at  i s   desi g n e d  t o  c o nve rt  t h e  DC   so urce  t o   a hi gh   freq u e n c y of AC v o ltage and  th en  an  altern atin g  electric field  is g e n e rated  and  p a ss throug h  th e cap acitiv e  coupling plate to the receive r  part of  the syste m  which is the seconda r y  pick-up (recei ver plates) attached i n   t h e wi rel e ss c o m put er m ouse.     3. 1.   Cl ass-E  Co nver ter   The Class - E c o nve r ter is  fa miliar im ple m ented  f o r t h e  hi g h   fre que nc y  appl i cat i o ns  d u e t o  i t s   adva nt age  of l o w s w i t c hi n g  l o sses wi t h  hi g h  fre q u ency   o u t p ut . B a si cal l y , C l ass-E con v ert e r ca n be  di vi de d   in to  t w o typ e s: Class-E Zero Vo ltag e   Swit ch ing   (Z VS)  c o n v e r t e r a n d t h e C l ass- E Ze ro  C u rre nt  S w i t c hi ng  (ZCS) convert e r [9].   Both of these c o nve rte r s is classifi ed   o f  th e soft-switch i ng  co nv erters.   Th e  b a sic circu it  o f  th e Class-E  co nv erter is sho w n  i n  th e Figu re 3.          Fi gu re  3.   C l as s-E C o n v e r t e r  C i rcui t s  To p o l ogy   [ 10]       In  or der t o  de s i gn t h e  ZVS C l ass-E co n v ert e r, t h e sam e  assum p t i ons m a de i n  [1 0]  i s  ap pl i e dF or t h e  Class-E converter, the ci rcuit  only re qu ires a po wer MOSFET as th e swit ch i n g  devi ce.   B e si des, t h e l o w i n p u t   at the MOSFE T gate,  V g , is also  an  im p o r tan t  criterion .   As th e vo ltag e  at  d r ai n ,   V d  is three tim e s great er tha n   th e V g , t h ere f o r e t h e m i nim u m  i nput  at  t h e  gat e , V g , sh o u l d  be l o w e n ou gh t o  ens u re t h e reso na nt  t a n k  wi l l   n o t   b e   bu rn ed .   In  th e m ean wh ile, USB so urce is u s ed  as the in pu t sou r ce  for th e Class-E circu it.      In t h e re sona nt tank ci rcuit, t h ere a r e a n  inductor  and a  ca pacitor i n  se ries with a ca paci tor  whic h is   lo cated  i n   p a rallel. Th e  v a lue of th e  p a ssi v e  circu it  ele m ents are  deci ded acc ording to t h e e quation in the   pre v i o us res e a r ch  wo rk s [ 1 0 ]  and [ 12] . B y  assum i ng l o ad p o we r an d  t h e vol t a ge s u p p l y , re qui re d l o a d   resistance, R c a n  be calc u lated as  follows [10]:     8V  π 4 P    (1 )     B e si des,  by  as sum i ng t h e o p e rat i ng  fre q u e n cy , t h e s h unt  capaci t o r ,     and L choke  can  be calculated as  fo llows [2 2 ] :    C  2.165 2 π fR   (2 )     L   0 . 4001R 2π f   (3 )     Fu rt h e rm o r e,  b y  assu m i n g  th e qu ality  facto r , Q,  th e series  cap acitan ce,     an d se r i es reso na nt   in du ctor ,     can   be d e term in ed  as fo llo ws [10 ] :    C  1 2π f Q R   (4 )     L  QR 2π f   (5 )         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No .  2,  Ju ne 20 16   :   460  –  4 71  46 3 3. 2.   C a p a ci ti v e  Pl ate s   In the second stage of th e process, the powe r will be delivered fr om  the tr ansm it ter plate  to the receive r  p l ate.  After desig n e d  Class-E co nv erter and  th e co m p en satio n  circu it, th e tran sm itter  p l ate 1 a nd  transmitter  plate 2 a r e c onnected t o  t h e “ P in  1” a n d “Pi n   2 ” ,  resp ectively asis sho w n   in  th e  Figu re 4.          Fig u r e   4 .   Conn ectio n of  t h e  Tr ansm itter Plate 1 a n d Trans m itter Plate 2      The  position  of the tra n sm itter  plates  a n d the  receiver plates.  There is  also  a m e diu m  in between t h e  bot h tra n sm itte r a n d receiver  plates.          Figure  5.  Position  of the  Tra n sm itter Plates and the Recei ve r Plates      In order to ana l yze the different e fficiency of voltage tra n sfer, the  coppe r  plate is cut into 6  pieces,  in  a pair of  two.   There f ore, there  are  two  pieces of  20cm  x 7.5cm  co pper  plate to  form  t h e tra n sm itter plates  while two  piec es of 3cm  x 3cm  coppe r plate to form  th e receiver plate and also tw o pie ces of 7cm  x 7.5cm   coppe r  plate to form  another  bigger  a r ea of  the receive r pl ate.  These thr ee sizes of the  transm itter plates and  receiver plates  are s h own in the Figure  7.          Figure  6.  Size s of the  Capaci tive Plate      As  discus sed  earlier, there  is a m e diu m  placed  betwe e n  the  tra n sm itter and recei ver  plates.    There f ore,  t h er e are t w o m e di um  are used  i n  t h i s  ex peri m e nt  w h i c h a r e t h e pa per a n d t h e m ouse pa d.   Th os e   medium s are differe nt in thei r thickn ess.  In accordi ng t o  that, analysis base d on the  medium  and for eac h  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN :  208 8-8 6 9 4     Developme nt  of WPT  using C a pacitive Met hod for Mouse   Charging  Appl ication   ( S . Sa at )   46 4 size o f  th e  receiv er  p l ates is  carried ou t.  Equ a tio n (6 ) will b e   u s ed  to calcu l ate th e tran sm issio n  effi cien cy  betwee n the  tra n sm itter plates  and recei ver pl ate.    Efi ci e n c y Vr Vt 100%   (6 )     whe r e V r  is  voltage at recei ver and  v t  is  v o ltag e  at tran sm itt er.      4.   AN ALY S IS  O F  CI R CUIT  P E RFO R M A N C E  In this section, each decision which  has  be en chose n  for  this researc h  is explaine d in  details. The   resul t s   of e v e r y  ex peri m e nt  are al so  p r es ent e d i n  t a bl e s  an d f o l l o we d by   gra p hs  pl ot t e d.  B e si d e s, t h e  expe ri m e nt s pe rf orm e d are al s o  acc or di n g  t o   desi re d c h aract eri s t i c  as ex pl a i ned i n   fol l o wi ng  su b - sect i o n s .    4. 1.  An al ysi s  o f  Cl ass - E  C o n v erter   Fi rst  o f  al l ,   bas e d  on  t h e  desi r e d  out put   o f  t h e C l ass-E c o nv ert e r ci rc ui t ,  t h e val u e  o f  t h e c o m pone nt   i n  res o nant  ci r c ui t  i s  deci ded   usi n g t h e E qua t i on  (1 ) t o  ( 5 )   by  usi n g t h e  va l u es t h at  a r e  gi ven  i n   Tabl e  1  and   th erefore  we  hav e  all th e v a l u es wh ich h a v e   b een tabu lated   in  Tab l e 2.      Table  1.  Desire d Pa ram e ters for  the Class - E  Con v erte r   Para m e ters Values Oper ating Fr equency  1M Hz  Rated Power  165 m W   Quality F actor,  Q   10   DC Voltage Supply  5V      Tabl e  2. C l ass - E C o nve rt er  Pa ram e t e rs   Para m e ters Values RF Choke I nducto r ,   L ch ok e   5. 56µH   Shunt Capacitor ,  C sh un t   3. 94nF   Series Capacitor ,   C se r i e s   182. 12 pF   Ser i es inductance,   L se r i e s   139. 09 µH  R lo ad   87. 39 Ω        I n  t h is Class-E conv er ter, a N - ch an nel IRF 51 0 is  cho s en  du e t o  i t s lo w  Static Drai n - to-Sou rce On - Resistance, R( DS ). PIC  i s  u s e d  t o   gene rat e  s qua re  wave  p u l se and al s o  a  dri v er ci rc ui t  i s  use d  t o   bo os t  t h e  squ a re wa ve p u l s e i n  or de r t o  achi e ve t h e m i ni m u m  curre nt  and v o l t a ge re qui red  by  t h e M O SFET .  Ot h e r t h an   t h at , ZVS c o nd i t i on i s  very  i m port a nce i n   C l ass-E co nve r t er i n  o r de r t o   pr o duce a  very  hi g h  effi ci e n c y  of t h e   con v e r t e r.   Par t i c ul arl y , i f  t h e  com pone nt s i n  t h e  res ona nt   ci rcui t  are c h o s en  pr ope rl y ,  t h e s w i t c h (M O SFET )   will tu rn   o n  at  zero vo ltag e .    From  Fi gure 7 ,  t h e desi gne d C l ass-E con v e r t e r ci rcui t  i s  successf ul l y  achi e ved t h e Z V S con d i t i on i n   th e sim u latio n .    Wh en  t h e  vo ltag e  at th e V(g)  d r o p s to zero, th e vo ltag e   at th e  V(d) is ach i ev ing th e  v a l u e  of  1 3 .2V wh ich  mean s  th ere  is a  flow o f   vo ltag e  wh ile  the  M O FSE T acts as  open-circ u ited (“ off” state).           Figu re 7.  ZVS Con d ition   for th e Class-E C o nv erter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No .  2,  Ju ne 20 16   :   460  –  4 71  46 5 For  t h e e x peri m e nt al  resul t ,   wi t h  t h e  5 V   d c  su ppl y  a nd t h e  1M Hz s q ua re wa ve  p u l s e,  t h e o u t p ut   wave f o rm  of t h e  gat e  a n d  d r ai n ac hi eve d  t h e Z V S  co n d i t i on i s  as s h ow n i n  Fi gu re  9.  Due  t o  t h e a b s e nce  o f   current  probe,  the  c u rrent wa veform   cannot be  m easure d  practically .  The r ef ore ,   onl y  t h e v o l t a ge at   V ( g)  an d   V(d )  can  b e  sho w n .   As sh own  in  Figure 8(a), th e ZV S con d ition  is su ccessfu lly ach ieved  alth oug h  t h ere is   som e  di st ort i on d u ri ng t h e “ on” a n d “o ff”  st at e of t h e ga t e .  B u t ,  t h i s  d i st ort i on i s   not  affect  m u ch o n  t h e   p e rform a n ce on  th e vo ltag e  ob tain ed as  co mp ared   with  t h e  si m u latio n  result.         Fig u re  8 ( a).  ZVS  fro m  th e Oscillo sco p e   Fig u re  8 ( b).   Drain  Vo ltag e  versu s   Ou tpu t  Vo ltag e   at  Lo ad  u s ing  Oscillo sco p e        Fo r t h e Fi g u re  8 ( b ) , th e  p u rp le lin e is th e outp u t  vo ltag e  at  the  load or  the Class-E  c onv erter circu it, V(r).  In  Tab l e  3 ,  th e valu e of  o u t p u t  vo ltag e  is cal cu lated  in  its  av erag e v a lu e an d  th e ou tpu t   vo ltag e , V(r),  will   connect to the transm it ter pl ate in transfe rri ng the volta ge to the receive r plate whic h  will be discusse d in the  n e x t   sectio n.   Also , all th e calcu l atio n  i n  th e n e x t   p a rt  will u s e t h e av erage v a lu e of t h is  o u t p u t   vo ltag e .      Tabl e 3. A v era g e Out put  V o l t a ge, V r , at the  Transm itter Plate  Nu m b er  of tim e  taken for  the Output  Value  1  2  3  4  5  Average Voltage  ( V )   Output Voltage ( V )   9. 4  8. 6  9. 3  8. 4  8. 7  8. 88       4. 2.  An al ysi s  o f  C a p a ci ti ve P l ates   a)   Sm a ll Plate at Receiver Pa rt   From  Figure  10,  the m easurem ent of t h e receive d vol t age from  the receive r plate s  is taken i n   di ffe re nt  al i g n m ent  from  Posi t i on 1 t o  Posi t i on 3 at  di ffe re nt  Zone , res p e c t i v el y .   For  m e di um  part , paper an d   m ouse pa d are   tested for each  of the  differe n t  alignm en t. The res u lts are ta bulated in  Tabl e 4 a n d Ta ble  5.        Figure  10.   Differe n t Alignm ent of t h e Recei ver Plate on t h e Differe n t Z o ne                 Po sition  1  Po sition  3  Po sition  2  Zone A  Zone  B   Zone C   Zone D  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN :  208 8-8 6 9 4     Developme nt  of WPT  using C a pacitive Met hod for Mouse   Charging  Appl ication   ( S . Sa at )   46 6 Table  4. Recei ved Voltage at   The Recei ver  Plate Using  Pa per as a Me dium       Z one A    Z one B  Z one C  Z one D  Average   Ef f i ciency (%)   Position 1   4. 9 V  4. 7 V  4. 5 V  5. 1 V  4. 8 V  54. 05   Position 2  5. 2 V  5. 5 V  5. 3 V  5. 3 V  5. 33 V  60. 02   Position 3   2. 89 V  1. 28 V  1. 21 V  1. 08 V  1. 62 V  18. 24       Table  5. Recei ved Voltage at   The Recei ve r  Plate Using M ous e Pa d as  a  Medium      Z one A  Z one B  Z one C  Z one D  Average   Ef f i ciency (%)   Position 1   1. 8 V  1. 8 V  2. 1 V  2. 2 V  1. 98 V  22. 23   Position 2  2. 2 V  1. 8 V  2. 3 V  2. 3 V  2. 15 V  24. 21   Position 3   0. 6 V  0. 7 V  0. 7 V  0. 6 V  0. 65 V  7. 32       Furt herm ore, t h e com p ari s on  of t h e pe rf o r m a nce f o r  t h e  pa per a n d m ouse  pad a s  t h e m e di um  of t h e  t r ansm i ssi on p o we r i s   de pi ct ed i n  Fi g u r e  12 .           Figure  11.  Gra p h of t h e Recei ved Voltage i n  Diffe re nt  Position with Different  Medi um      From  Figure  11,  appare ntly, t h e  voltage  rece ived at  the  rec e iver  plate for  pape r is  greate r  tha n  usi n g  m ouse pad a s  the m e dium .  T h e recei ved voltage at  Position 2 is the  highest am ong t h re e fixe d position  on  th e  p l ates.   Th i s  h i g h  vo ltag e   g a in ed  is du e t h e  fu lly  alignment of the  re ceiver  plat es  on t h e tra n sm itter  plate  as well as the  coupled a r ea becom e  gr eater. Therefore, the  perform a nce of  th e tran sm iss i o n  vo ltag e  fo r p a p e r  i s  bet t e r t h an  u s i ng m ouse  pa d as t h e m e di u m  part .  Thi s  i s  due t h e t h i c k n e ss of t h ese t w o m e di u m  and  gi ve a   di rect  i n fl ue nc e t o  t h e perf or m a nce of t h e t r ansm i ssi on.  The sm all e r t h e gap w h i c h i s  al so t h e short e r t h e   d i stan ce can h i g h e r  up  th e cap acitan ce  o f  the cap acitiv e  p l ates.   W i t h  t h e strong  cap acitan ce, th e cap a citiv e  plates can c o nfine d  a  stronger electric  field a n d the r ef ore  the voltage flow  to receive r plate will be  m o re  effi ci ent .  Ot her  t h an t h at , anot her ex pe ri m e nt of a 45 o  slant alignm ent of the receive r pla t es on the Posi tion  2  i n  di ffe rent   Zo ne i s  al s o  ca rri ed  out .  T h e al i gnm ent  o f  t h i s   expe ri m e nt  i s  sho w n i n  Fi g u r e  1 2 .      From  t h e Tabl e 6 and Ta bl e 7, t h e ef fi ci enc y  for t h e pa pe r   m e di u m  seem s t o  be great e r  t h an m ouse   p a d   b u t  yet th e efficien cy for  th e p a p e r on ly u p  to   5 7 .60 % .  Th is is co n s ider th e lo sses in tran sm issio n  i s  still  very  high. As  shown i n  Fi gure  12, t h ere  is  som e  unc ouple d  a r ea  for t h e  recei ver plates whe n   t h e plates  is  i n   the m i sal i gned  position  which will directly decrease th e vol tage  to be recei ved  at  the recei ver  pa rt.      Fig u r e  12 .   45 o  Slant  Alignm ent of t h e Recei ver Plate    4. 8 [ VALUE] 1. 62 1. 98 2. 15 0. 65 0 2 4 6 Position 1 P osition 2 P osition 3 Received  Voltage Received  Voltage versus Position Paper Mouse Pad U n cou p l ed  A r ea     Po sition  1  Zone A  Zone  B   Zone C   Zone D  Po sition  3  Po sition  2  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No .  2,  Ju ne 20 16   :   460  –  4 71  46 7 Table  6. Recei ved Voltage at   the 45 0  Sla n t Receiver  Plate Using Pa per a s  a  Medium     Z one A  Z one B  Z one C  Z one D  Average   Ef f i ciency (%)   Position 2  5. 05 V  4. 92 V  5. 27 V  5. 35 V  5. 15 V  57. 60       Table  7. Recei ved Voltage at   the 45 0  Sla n t Receiver  Plate Using Mouse Pa d as  a Medi um    Z one A  Z one B  Z one C  Z one D  Average   Ef f i ciency (%)   Position 2  2. 19 V  2. 17 V  2. 33V  2. 05 V  2. 19 V  23. 09       b)   Big Plate at Re ceiver  Part   Si m ilarly, th is ex p e rim e n t  is carried ou t as t h e sam e  with  th e fi rst exp e rimen t . Hen ce t h e  d e tails are  o m i tted   here .  By cha ngi ng t h e sm a ll receiver  plates with a  bi gger  receive r plates (7cm  x 7.5cm ) , the steps  of  collecting  data  is also t h e sa me.  Bu t, the  position of  the  receiver  plate is only pl aced in aligne d  positi on and  m o v i n g  fro m   Zon e  A to  Zo ne C wh ich  is illu strated  i n  Figu re  1 3 .  Th e valu e co llected  is th en  reco rd ed  in  th e  Tabl e  8 a n d  Ta bl e 9  f o r  pa pe r  and  m ouse  pad  as t h e  m e di u m , res p ect i v el y .           Figure  13.   Ali gnm ent of the   R eceiver Plate  on Di ffe rent Z one s       Table  8. Recei ved Voltage at   the Recei ve r Pl ate Using  Pape r as a  Medi um  Z one A  Z one B  Z one C  Average   Ef f i ciency (%)   5. 5 V  4. 9 V  6. 4 V  5. 6 V  63. 06       Table  9. Recei ved Voltage at   the Receive r Pl ate Using M o use Pa d as a  Me dium  Z one A  Z one B  Z one C  Average   Ef f i ciency (%)   3. 4 V  3. 5 V  3. 6 V  3. 5 V  39. 41       As shown in t h e Table 8 and  Table 9, t h e efficiency  of the  transm ission for the  paper is greater t h an  th e m o u s e p a d .   Wh ile, th e  v o ltag e   fo r these th ree zo n e s is n o t  m u ch  d i fferen t  si n c e th e po sitio n o f  the  receiver plates is fully aligne d to th e tra n sm itter plates. Be sides, t h e  value  of the  voltage coll ected is  plotted   in  th e  gr aph   f o r m  as sh own  in Figu r e  14 ,            Figure  14.   Gra p h of t h e Recei ved Voltage  i n   Diffe re nt Zone  with  Differe n t  Medium       Oth e r th an  th e fu lly alig n  situ atio n, 45 o  o f  th e slan t po sitio n  is also  tested  in  th e m e d i u m  o f  p a p e r  and m ouse  pad.  the  res u lts are rec o rded as  i n  Ta ble  10 and Table  11,  res p ectively.     5.5 [ VALUE] 6.4 3.4 3.5 3.6 0 10 Zone A Z one B Z one C Output Voltage Output  Voltage versus Position Paper Mouse Pad   Zone A Z one  B Zone C Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN :  208 8-8 6 9 4     Developme nt  of WPT  using C a pacitive Met hod for Mouse   Charging  Appl ication   ( S . Sa at )   46 8     Fig u r e  15 . 45 o   Slant Alignm ent of t h e Recei ver Plate      Table  10. Rece ived  Voltage at  The  45 0  Slant Receiver  Plate Usin g Pa pe r as  a Medi um  Z one A  Z one B  Z one C  Average   Ef f i ciency (%)   3. 6 V  3. 9 V  4. 3 V  3. 93 V  44. 26       Table  11. Rece ived  Voltage at  The  45 0  Slant  Receiver Plate  Using M ouse   Pad a s  a Me dium  Zone A   Zone B  Zone C  Average   Ef f i ciency (%)   3. 6 V  3. 7 V  3. 7 V  3. 7 V  41. 67       By co m p arin g th ese ex p e ri men t s resu lt, th e  p o s ition  and  th e size of t h e receiv e r p l ates p l ay an  im portant  role  in power trans m ission which  is related t o   the efficie n cy in  transm ission.   As t h e recei ver plate   is m o v i n g   from  o n e  po sitio n to  an o t h e r positio n ,  t h e  receiv ed   vo ltag e   flu c tu ates. In  t h is cond itio n ,  the b e st   p o s ition  is d e t e rm in ed  wh ich is alig n e d   po sitio n .   In o t h e r  words,  b i gg er  th e p l ates, b i gg er th e effecti v e area  whic h is gi ving the st ronger  electric  field confine d   betwe e n the tra n sm it ter  and recei ve r plates.   In  addition t o   th at, th e  un cou p l ed  are is an   u n d e sired  co nd itio n too .   Wh en  t h e  u n c o u p l ed are ex i s ts du ring  t h e po wer  tran sm issio n ,  th e effectiv e area o f  th e receiv er p l at e will b e  redu ced  an d  th at will cau se th e lo sses an d  effi ci ency  d r o p . F u rt herm ore ,  by  usi n g t h e  pape r as m e d i um , t h e effi ciency  o b t a i n ed  i s  hi ghe r t h a n   usi n g   m ouse pad as  t h e m e di u m .   Ob vi o u sl y ,  t h e  t h i c kne ss o f  t h e m e di u m  (di s t a nce bet w ee n t h e t r a n sm i tter a n d   receiver  plate) affects the  pe rform a nce effi ciency too.  T h erefore ,  the thi c kne ss of m ouse pad s h oul d  be as  t h i n  as  p o ssi bl e. I n   ot he r  wo r d s,  a t h i n  m ous e pa d i s   hi g h l y   recom m ended  act  as t h e m e di um  for t h i s   pr o j ect .     4.3. Rec t ifier Circuit  After th e  vo ltag e  is tran sm it te d ,  th e AC  v o ltag e  is th en  su pplied  in to  th e full b r id g e   rectifyin g  circu it  to  conv ert to  DC vo ltag e . Th e circu it u s ed as shown as  i n  Fi gu re  16 . I n  t h i s  w o r k ,  t h e  wi rel e ss m ous e nee d s  10m A, 1. 5V   t o  be po were d up . Al t h o u g h   t h e vol t a ge   ach i e ved  t h e req u i red 1. 5V   aft e r   bei n g rect i f i e d,  t h e   wireless m o u s e still u n a b l e to  po wer up . Th is is d u e  to  t h e curren t  supp lied  is lo wer th an  th e m i n i m u m  current  re qui re d t o   power  up the  wirele ss  m ouse. Because   of this  ve ry low  current  supply, there f ore, a  L E D is   u s ed  to test at th e  o u t p u t  term i n al wh eth e r t h e po wer still able to  lig h t  up  t h e LED.            Fig u re  16 . Rectifier Circu it in th e Sim u latio n b e fore Fabricatin g        Zone  A  Zone B   Zone C   U n cou p l ed  A r ea   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No .  2,  Ju ne 20 16   :   460  –  4 71  46 9 Whe n  t h e sm all receiver plate  is use d  at t h e  receivi ng part , the  rectifie d  si gnal  c o uld not light  up  t h e  LED  while the  big  receive r  plate still able li ght  up LED.  Although the  light is ve ry wea k , t h is shows t h at the   big size  receiver plate  ha ve a  better e fficiency in recei ving the tra n sm itter  signal .  As  well as for t h e  different   t y pe of  m e di um  bei ng use d ,  fo r t h e  pa per   m e di um , t h e rect i f i e d v o l t a ge  i s  abl e  t o  l i g ht   up  t h e LE D  w h i l e  t h e   m ouse pa d c o u l d n o t   do  s o .   Fo r ex am p l e, t h e Figu re  1 7 (a) and  Figu re 17 (b ) ar e tak e n   fro m   th e o s cillo sco p e  for p a per m e d i u m  o f   the sm al l receiver  plate and big re ceiver  plate, respec tively. Although  the rectified wave form  is  still in  si nus oi dal   wav e fo rm  but  t h e  vol t a ge  i s  a D C  vol t a ge .  I n  t h i s  w o r k , a  v o l t age re gul at o r  i s  n o t  im pl em ent e d  fo r  the receive r e n d.  This is beca use the  si gnal after rectifie d is too l o w t o  be  regulated.   If t h ere is still a voltage   regu lato r t o  reg u l ate th e  ripple rectified  vo ltag e , th e  o u t p u t v o ltag e   fro m  th e vo ltag e  reg u l ator is d e fi n itely  l o w an d co ul d  not  l i ght  u p  t h e  LED.  Fi nal l y , t h e rect i f i e d si gnal  abl e  t o  l i g ht  up LE D b u t  coul d n o t  po w e r u p   th e wi reless mo u s e.         Figure  17(a ). R eceived  Voltage from  the Sm a ll  Receiver Plate  vers us Rectifie d  Voltage  (Paper)   Figure 17(b). Out put Voltage  from   the  Big Receiver  Plate v e rsu s  Rectified  Vo ltage (Pap er)      4. 4. Fi nal   Pr o t ot ype   Aft e r c o m p l e t i ng t h e a n al y s i s  part , a fi nal   pr ot ot y p e  was devel ope d an d  i t   i s  show n i n  Fi gu re 1 8 .   Th e  LED is li g h t  up  su ccessf u lly dur ing  the po wer  t r ansmissio n .  By sup p l ying   5V DC  to  t h e tran sm itt er  p a rt,  the Class-E  conve rter c o nve rts the  DC s o urce to  AC s o ur ce. T h en, a n  al ternating el ect r i c fi el d i s   ge ne rat e d  and  passes through the capacit i ve couplin g pl ate to the receiver pa rt. By pl acing the recei ver plates within the  effective area of c h arging, the LED is  able to light up.  When t h e receive r plate is  m o ving to the ineffective   area  of c h a r gi ng, t h e LE D is  not light  up.          Figure 18.   Final  Prototype   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.