17. nguyen thi kim thoa.pdf
DESCRIPTION
Nguyen thi kim thoaTRANSCRIPT
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 127
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ SẠC PIN KHÔNG DÂY
CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG
RESEARCH AND MANUFACTURE WIRELESS CHARGING FOR MOBILE PHONE
Nguyễn Thị Kim Thoa1, Phạm Duy Khánh2 1Khoa Điện tử, trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyen ; [email protected]
2BM Kỹ thuật điện tử, trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên ; [email protected]
TÓM TẮT
Ngày nay, chiếc điện thoại di động là một thiết bị rất cần thiết trong cuộc sống hiện đại. Việc sạc pin
cho thiết bị này sao cho tiện dụng là một vấn đề cần được nghiên cứu. Với công nghệ ngày càng phát triển,
sử dụng cách thức sạc pin cho điện thoại bằng công nghệ không dây mang lại nhiều lợi ích cho con người.
Hướng theo mục tiêu đó, bài báo đưa ra kết quả của việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống sạc pin không dây
cho điện thoại di động. Hệ thống bao gồm có hai phần riêng biệt, một bộ phận phát là đế sạc và một bộ phận
thu sẽ được tích hợp trong điện thoại. Hệ thống được chế tạo dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và mạch
cộng hưởng LC. Công suất sạc có thể lên đến 3 - 4W với hệ thống mạch ổn áp, tự động ổn định dòng sạc bảo
đảm cho pin điện thoại có thời gian sử dụng lâu bền.
Từ khóa: sạc pin không dây; cảm ứng điện từ; mạch cộng hưởng LC; thu phát không dây; điện thoại di
động.
ABSTRACT
Today, mobile phones are an essential device in modern life. The rechargeable battery for this device so
that usability is an issue that needs to be studied. With developing technology, how to use battery charger
for phone with wireless technology provides many benefits to humans. Toward that goal, the paper offers
the results of the research and manufacture of wireless charging system for mobile phones. The system
consists of two separate parts, one part is called transmitter (docking) and a receiver will be integrated in the
device mobile. The system is built on the principle of electromagnetic induction and resonant LC circuit.
Capacity rechargeable up to 3 - 4W with voltage regulator circuit, the charge current automatically guarantee
stability for the phone battery usage time durable.
Keywords: wireless charging; electromagnetic induction ; resonant LC circuit; wireless transmitter and
receiver; mobile phone.
I . GIỚI THIỆU Sạc pin bằng công nghệ không dây dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ đã trở thành mối quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Với sự phát triển vượt bậc của nền khoa học công nghệ, kỹ thuật này được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào trong đời sống hàng ngày giúp con người có một cuộc sống tôt đẹp hơn. Để đáp ứng nhu cầu tiện dụng của người sử dụng điện thoại di động, việc sạc pin cho điện thoại mà không cần cắm nguồn sạc và dây sạc là một giải pháp tốt. Bài báo này chỉ ra kết quả nghiên cứu và chế tạo ra bộ sạc pin không dây cho điện thoại di động bằng phương pháp truyền sóng điện từ để tạo thành năng lượng. Để làm được
điều đó thì cần phải có một nguồn phát năng lượng và một cái đế sạc pin. Bộ thu năng lượng sau này sẽ được tích hợp trên nắp lưng của điện thoại để bất kỳ chiếc điện thoại nào đặt lên đế sạc đó đều sẽ được tự động kết nối và sạc pin thật là tiện dụng. Chỉ cần sử dụng một nguồn cấp để có thể sạc pin cho nhiều điện thoại di động với điều kiện các điện thoại đó được tích hợp phần thu trên nắp lưng của chúng. Trong tương tương lai, với sự phát triển của các nhà sản xuất điện thoại di động, công nghệ này sẽ được tích hợp vào trong điện thoại ngày càng rộng rãi. Kết quả nghiên cứu trong bài báo này ở mức độ thí nghiệm, sạc điện thoại thành công và đáp ứng được yêu cầu truyền tải năng lượng
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 128
mà không cần dây kết nối giữa bộ phận phát và bộ phận thu.
II . CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết Maxwell
Khi có một điện trường biến thiên thì sẽ sinh ra một từ trường biến thiên bao quanh nó, đến lượt từ trường biến thiên này làm cho các hạt mang điện dao động và lại sinh ra một điện trường biến thiên và cứ thế điện trường và từ trường biến thiên được lan truyền trong không gian với vận tốc cỡ 300.000 km/giây.
2.2. Hiện tượng cảm ứng điện từ Khi có sự biến thiên của từ thông gửi qua
diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiên dòng điện cảm ứng. (định luật cảm ứng điện từ). Hiện tượng cảm ứng điện từ chứng tỏ: nhờ có từ trường ta có thể tạo ra dòng điện.
Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch (định luật Lenz).
Từ thông gửi qua vòng dây thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường.
Để tìm biểu thức của suất điện động cảm ứng, ta dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi. Khi đó công của lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có giá trị: dA=Ic.dϕm
Trong đó: - A là công lực từ - Ic là dòng điện cảm ứng - ϕm là từ thông gửi qua thiết diện vòng dây
2.3. Định luật Lenz
Định luật Lenz chỉ ra rằng “dòng điện cảm
ứng sinh ra trong dây dẫn có chiều sao cho từ
trường do nó sinh ra chống lại nguyên nhân
sinh ra nó”.
Theo định luật Lenz, công của từ lực tác
dụng lên dòng điện cảm ứng là công cản có giá
trị:
dA’= - Ic.dϕm
Công này được chuyển thành năng lượng
của dòng cảm ứng có giá trị:
mccc dIdtI ...
Từ đó ta suy ra: 𝑑𝜙
𝑑𝑡
𝜉𝑐 = −𝑑∅𝑚
𝑑𝑡, 𝜉𝑐 là sức điện động cảm ứng
Đó là biểu thức của suất điện động mà ta
phải tìm.
2.4 Mạch dao động LC
Mạch dao động LC là một mạch điện bao
gồm một cuộn dây và một tụ điện mắc song
song với nhau (như hình vẽ thứ nhất). Bản thân
mạch dao động LC là một mạch không hề dao
động trừ phi ta cấp một nguồn điện V hoặc
cung cấp một từ thông biến thiên ban đầu vào
cho mạch.
• Mạch gồm
một tụ điện
mắc nối tiếp
với một cuộn
cảm thành
mạch kín.
• Nếu r rất nhỏ (≈ 0): mạch dao động lí tưởng.
• Muốn mạch hoạt động → tích điện cho tụ điện
rồi cho nó phóng điện tạo ra một dòng điện
xoay chiều trong mạch.
• Người ta sử dụng hiệu điện thế xoay chiều
được tạo ra giữa hai bản của tụ điện bằng cách
nối hai bản này với mạch ngoài.
Sự biến thiên điện tích và dòng điện trong
mạch dao động điện từ LC
Xét mạch dao động LC như hình vẽ
• Ban đầu khóa K ở chốt
A, nguồn tích điện cho tụ
điện, điện tích q của tụ
tăng từ 0 đến giá trị cực
đại Q0, tụ điện ngừng tích
điện.
• Chuyển khóa K sang chốt B tạo thành mạch
kín giữa L và C gọi là mạch dao động, tụ điện
phóng điện và có dòng điện qua cuộn cảm.
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 129
• Xét khoảng thời gian Δt vô cùng nhỏ thì dòng
điện trong mạch thỏa mãn i = q’. Trong cuộn
dây có từ thông biến thiên làm phát sinh suất
điện động tự cảm e = -Li' = -Lq', (1)
Cuộn cảm đóng vai trò như một máy thu, theo
định luật Ôm đối với đoạn mạch chứa máy
thu
Ta có 𝑖 =𝑢−𝑒
𝑅⟺ 𝑢− 𝑒 = 𝑅𝑖
mà R = 0 nên 𝑢 = 𝑒 ⟹ 𝑒 = 𝑢 =𝑞
𝐶 (2)
Từ (1) và (2) suy ra
– 𝐿𝑞′′ =
𝑞
𝐶⟺ 𝐿𝑞
′′ + 𝑞
𝐶= 0 ⟺ 𝑞′′ +
1
𝐿𝐶𝑞 = 0
Đặt 𝜔2 =1
𝐿𝐶
⟹ 𝑞′′ +𝜔2𝑞 = 0 ⟹ 𝑞 = 𝑄0𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝜑)
Vậy điện tích trong mạch dao động LC là một
hàm biến thiên điều hòa theo thời gian t.
Do i = q’ nên 𝑖 = −𝜔𝑄0𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 + 𝜑) =
𝜔𝑄0𝑐𝑜𝑠 (𝜔𝑡 + 𝜑 +𝜋
2) = 𝐼0𝑐𝑜𝑠 (𝜔𝑡 + 𝜑 +
𝜋
2),
với 𝐼0 = 𝜔𝑄0
* Nhận xét :
- Do i và q đều là các hàm biến thiên điều hòa
theo thời gian t nên dao động trong mạch LC
được gọi là dao động điều hòa.
- Từ biểu thức của i và q ta thấy i nhanh pha
hơn q một góc 𝜋
2 hay 𝜑𝑖 =
𝜋
2+ 𝜑𝑞
- Áp dụng công thức tính hiệu điện thế
𝑢 =𝑞
𝐶 ta cũng có thể viết được biểu thức
của hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện như sau:
𝑢 =𝑞
𝐶=
𝑄0𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡+𝜑)
𝐶= 𝑈0𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 + 𝜑)
với 𝑈0 =𝑄0
𝐶
Chu kỳ và tần số dao động riêng của mạch LC
Ta có: 𝜔2 =1
𝐿𝐶⟹𝜔 =
1
√𝐿𝐶
• Chu kỳ dao động riêng của mạch LC là:
𝑇 =2𝜋
𝜔= 2𝜋√𝐿𝐶
• Tần số dao động riêng của mạch LC là:
𝑓 =𝜔
2𝜋=
1
2𝜋√𝐿𝐶
III. THIẾT KẾ MACH SAC PIN KHÔNG
DÂY
Từ những cơ sở lý thuyết trên tác giả đã ứng
dụng xây dựng nên hệ thống sạc pin không dây
cho điện thoại di động như sau:
Hệ thống được tách làm 2 phần riêng biệt
là mạch phát và mạch thu và ổn áp.
3.1 Mạch phát
Gồm các khối nguồn cấp, inverter và mạch
dao dộng.
Khối nguồn cấp chọn nguồn 12V modul có
sẵn trên thị trường, đây là nguồn khá phổ biến
và ổn định thích hợp cho hệ thống.
Khối inverter nhiệm vụ chính là biến nguồn
một chiều thành nguồn xoay chiều có tần số
lớn cỡ hàng trăm kHz.
Tần số của mạch được quyết định bởi giá
trị L1 và C1 như trên sơ đồ nguyên lý.
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 130
Hình 3.2 sơ đồ nguyên lý mạch phát
Các giá trị thông số và chức năng từng linh
kiện trong sơ đồ chọn theo bảng sau:
Bang 1: Các linh kiện sử dụng trong mạch phát Tên linh
kiện
Thông
số Chức năng
Cuộn
cảm
L2,L3
50µH
cuộn kháng để tích phóng
năng lượng, đồng thời cũng
là phần tử bù năng lượng
cho mạch dao động tắt dần,
hơn nữa còn giữ nhiệm vụ
quan trọng bảo vệ IRF
IRF3205 Q1,Q2 2 IRF đóng mở ngược pha
nhau tạo tần số
D1,D2 Diot
xung
Xả điện trên chân G của
IRF
R1,R2 470Ω
Phân cực cấp xung điều
khiển chân đóng mở chân G
của IRF
C1 100nF L1,C1 tạo mạch dao động
với tần số riêng 𝑓0 =
1
2𝜋√𝐿1𝐶1=
1
2𝜋√100𝑛𝐹.10𝜇𝐻=
159,154𝑘𝐻𝑧
L1 10µH
Kết quả mô phỏng
Hình: 3.3 Dạng sóng trên 2 đầu cuộn cam L1
Đường màu vàng thể hiện điện áp đo trên
điểm giữa cuộn L1 và L2
Đường màu xanh thể hiện điện áp đó trên
điểm giữa L1 và L3.
Hình 3.4 Dạng sóng 2 đầu cuộn cam L1 và
dạng điện áp điều khiển chân G của IRF.
Trên sơ đồ đường màu xanh là điện áp điều
khiển mở IRF Q1, đường màu hồng là điện áp
điều khiển mở IRF Q2. Khi Q1 mở thì dòng đi
từ nguồn 12V qua L2 , L1 và qua Q1 xuống
mass. Đồng thời năng lượng được nạp cho L3.
Quá trình xảy ra ngược lại đối với Q2.
Cộng 2 điện áp ta có một điện áp hình sin
như sau :
Hình 3.5: Gian đồ cộng điện áp trên 2 đầu cuộn
cam L1.
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 131
Điện áp trên 2 đầu cuộn cảm là dạng sóng
sin với tần số khoảng 159 kHz.
3.2 Mạch thu và mạch ổn áp
Điện áp sin này sẽ được cảm ứng sang bên
mạch thu có sơ đồ như sau :
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch thu và ổn áp
Bên mạch thu giá trị C2 và L4 được chọn và
đảm bảo tích L1.C1=L4.C2 để cộng hưởng có thể
xảy ra và điện áp được truyền sang bên mạch
thu là lớn nhất.
Chọn giá trị các linh kiện cho mạch thu theo
bảng sau.
Bang 2: Các linh kiện sự dụng trong mạch thu
STT
Tên
linh
kiện
Thông số Chức năng
1 L4 10µH Mạch cộng hưởng bên
mạch thu trực tiếp
nhận năng lượng bên
mạch phát
2 C2 100nF
3 D3 Điôt xung Chỉnh lưu điện áp
xoay chiều một chiều
4 C3 470µF
Lọc và san phẳng
nguồn vừa được chỉnh
lưu
5 Mạch
ổn áp MC34063
Giữ vai trò chính
trong việc ổn áp và ổn
dòng vào pin điện
thoại bảo vệ pin, mạch
ổn áp được mắc theo
datasheet của
MC34063
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điện
thực hiện.
3.3 Tính toán giá trị cuộn cảm cho mạch
thực
Lựa chọn cách làm cuộn cảm mạch thu và
mạch phát áp dụng quy luật quấn dây.
Cuộn dây quấn xoáy ốc trên mặt phẳng
𝐿 = 𝑟2𝑁2
(2𝑟+2.8𝑑)105 (*)
L - độ tự cảm (H)
r - bán kính trung bình của cuộn dây (m)
N - số vòng dây
d - độ dày của lớp quấn (bán kính ngoài trừ
bán kính trong) (m)
Hình 3.8 Sơ đồ cuộn dây
Từ công thức (*) ta lựa chọn giá trị như sau
r bán kính trung bình cuộn dây:
𝑟 =𝑑1 + 𝑑2
4(𝑚)
Cuộn dây sẽ được thiết kế như trên hình 3.8
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 132
Bang 3: Thông số cho cuộn dây mạch thực
Các thông số Giá trị
𝑟 =𝑑1 + 𝑑2
4 𝑟 =
6𝑐𝑚+10𝑐𝑚
4= 4𝑐𝑚 = 0.04𝑚
d 0.03m
N 9 vòng
Giá trị độ tự
cảm của
cuộn dây
𝐿 =0.042 ∗ 92
(2 ∗ 0.04 + 2.8 ∗ 0.02)105
= 9.529𝜇𝐻
Điện áp sẽ dao động trên hai đầu cuộn phát
khi không tải.
IV. KẾT QUẢ ĐAT ĐƯỢC
Hình 4.1: Điện áp dao động trên hai đầu
cuộn phát khi không tai.
Tần số đo được: fđo = 149.7 kHz gần xấp xỉ
với kết quả tính toán là ftt=159 kHz.
Hình: 4.2 Điện áp trên cuộn thu (màu xanh)
và trên cuộn phát (màu vàng) khi có tai, 2 cuộn
đặt sát nhau.
Hình: 4.3 Điện áp trên 2 cuộn khi đặt xa 5 cm
Qua thực nghiệm đã chứng tỏ sự truyền
năng lượng điện không dây phụ thuộc rất lớn
vào khoảng cách. Khi khoảng cách càng gần thì
năng lượng điện áp được truyền sang mạch thu
càng lớn. Năng lượng điện được truyền đi phụ
thuộc vào mật độ từ thông của cuộn dây, khi
khoảng cách gần thì mật độ từ thông lớn, khi ra
xa thì mật độ từ thông thấp.
Bảng 4: Thông số kết qua đo được ở mạch
STT THÔNG SỐ CẦN ĐO KẾT QUẢ
1 Điện áp xoay chiều
cuộn phát
15.11
VAC
2
Điện áp 1 chiều trên tụ
ở mạch thu khi đặt sát
nhau
19.29VDC
3
Điện áp 1 chiều trên tụ
ở mạch thu khi đặt
cách 5cm
8.96VDC
4 Dòng cho mạch phát,
khi không tải 560mA
5 Dòng vào mạch phát
khi đặt sát tải 1400mA
6 Dòng vào mạch phát
khi tải đặt cách 5cm 990mA
7 Dòng sạc vào điện
thoại
600mA
8 Điện áp ra 5.4VDC
Từ kết quả thực nghiệm ta có nhận xét như sau:
P = U*I = 5.4 x 0.56 = 3.024 W lúc điện thoại
sắp đầy pin.
Ky yêu hôi thao khoa hoc công nghê 10/5/2015
Khoa Điên tư – Trương ĐH Ky thuât Công Nghiêp Thai Nguyên Website: http://fee.tnut.edu.vn/ 133
Công suất mạch phát P= 12x0.9=10.8W
Vậy tổn hao năng lượng (do tỏa nhiệt, do từ
trường vô công, …) là 7.776 W.
V. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày về cơ sở truyền năng
lượng điện bằng công nghệ không dây. Sản
phẩm được chế tạo mới dừng lại ở mạch thí
nghiệm song cũng đã đáp ứng được các yêu cầu
công nghệ, sạc được pin cho điện thoại di động
mà không dùng tới dây sạc với các thông số đo
lường được như ở trên. Những thử nghiệm thực
tế đã phần nào khẳng định tính đúng đắn và
thực tiễn của bài báo.
Trong thực tế, việc tính toán thông số điện
cảm là rất khó khăn, mạch phát dao động tần số
cao, công suất lớn nên cần những IC chuyên
dụng. Sản phẩm còn có một số hạn chế như
công suất còn thấp, hiệu suất chưa cao, khoảng
cách truyền năng lượng điện còn ngắn song.
Chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển
để đề tài này có thể mang lại nhiều hiệu quả
hơn nữa trong tương lai và sạc pin không dây
cho nhiều loại điện thoại, máy ảnh cũng như
các thiết bị điện trong gia đình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wireless Power Transfer,Volume I: Low
Power,Part 1: Interface
Definition,Version 1.1.2 , June 2013.
[2] Wireless Charger for Low Power Devices
using Inductive Coupling A Thesis
Submitted by( Tahsin, Naim Muhammad
08-11718-2; Siddiqui, Md. Murtoza 08-
11646-2; Zaman, Md. Anik 08-10584-1
Kayes, Mirza Imrul 08-11249-2) Under
the supervision of Mahmoodul Islam
Lecturer Faculty of Engineering
American International University
Bangladesh.
[3] LTC4120,L, LT, LTC, LTM, Linear
Technology, the Linear logo and Burst
Mode are registered trademarks of Linear
Technology Corporation. All other
trademarks are the property of their
respective owners.
[4] Dataseet MC34063, SENSEFET is a trademark of Semiconductor Components
Industries, LLC. ON Semiconductor Website:
www.onsemi.com