Разработка передатчика для беспроводной зарядки мобильных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)

отчет

По производственной практике

на тему: Разработка передатчика для беспроводной зарядки мобильных устройств

Студент гр. 3193 Ошурков Н.Ю.

Руководитель Тургалиев В. М.

Санкт-Петербург 2016

Содержание

Введение

1. Разработка электрической схемы

2. Разработка топологии печатной платы

3. Изготовление и тестирование макета

Заключение

Список использованных источников

Введение

Системы бесконтактного питания предназначены для передачи энергии на расстояние без непосредственного электрического соединения между источником питания и питаемым устройством. Системы бесконтактного питания находят широкое применение, как в потребительской, так и в промышленной, военной и медицинской электронике.

Разрабатываемая система бесконтактного питания ориентирована на применение в потребительской электронике, что подразумевает использование в жилых помещениях, офисах, торговых центрах и т. п. В связи с этим одним из главных требований, которые должны учитываться при разработке подобных систем, является их безопасность для человека и окружающей среды.

Система бесконтактного питания предназначена для передачи энергии на расстояние без непосредственного электрического соединения между источником питания и питаемым устройством. Системы бесконтактного питания могут найти широкое применение, как в потребительской, так и в промышленной, военной и медицинской электронике. Главное требование -это безопасность, высокий коэффициент полезного действия (КПД=70%) системы.

Существует несколько видов систем бесконтактного питания различающихся по принципу действия. В настоящее время для передачи энергии используеться:

- СВЧ излучение;

- Электромагнитная индукция;

- Электростатическая индукция;

- Лазерное излучение.

Наиболее перспективным является передача энергии за счет электромагнитной индукции. Принцип работы которой состоит в следующем: Электромагнитное поле, создаваемое катушкой передающего устройства, возбуждает переменное ЭДС в катушки приемного устройства, которая, в свою очередь, генерирует электрический ток, протекающий через нагрузку (рисунок 1). Для повышения эффективности подобных систем приемная и передающая катушки делаются многовитковыми и резонансными [1-4]. В этом случае приемник и передатчик настраиваются на одну частоту. Принцип работы основан на том, что два резонансных элемента (акустических, электрических или же электромагнитных) могут формировать высокоэффективную систему передачи, основанную на взаимной связи. В то же время, взаимодействие с другими нерезонансными объектами практически отсутствует. Передача энергии, осуществляемая таким образом, может быть всенаправленной и, в то же время, высокоэффективной, с малыми потерями в нерезонансных окружающих объектах.

Рисунок 1 Принцип работы системы бесконтактного питания на основе электромагнитной индукции

Поскольку биологические ткани, как и большинство окружающих нас объектов, слабо взаимодействуют с магнитным полем и частота колебаний магнитного поля низкая (сотни кГц), то подобные системы являются безопасными.

1. Разработка электрической схемы

В качестве генератора для педатчика в системе беспроводной зарядки было принято использовать стандартную микросхему ШИМ генератора с драйвером. Основными требования при выборе микросхемы были:минимальное колличество внешних элементов, диапазон рабочих частот 100-200 кГц. Требованиям отвечает микросхема IR2153. На основе электрической схемы предложенной в технической документации на микросхему была разработанна схема передатчика, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 Электрическая схема передатчика в Altium Designer

передатчик бесконтактный питание устройство

Назначение основных элементов схемы следующее:

C2,C3 -обеспечивает сглаживание пульсации напряжения питания;

Q3 - включает/выключает генератор при подачи управляющих импульсов;

R1,C1- задают рабочую частоту генерации;

DA1- микросхема генератора с полумостовым драйвером;

Q1,Q2 - полевые транзисторы,образует два плеча полумостовой схемы;

L1,C4 - последовательный колебательный контур резонансная частота (f₀ =1/vLC)которого близка к частоте генерации fраб микросхемы;

R2-ограничивает ток через транзисторы;

R3, R4 -дополнительные резисторы для настройки;

R5 - не устанавливается.

D1- защитный диод.

2. Разработка топологии печатной платы

Разработка топологию печатной платы выполнялась в программе Altium Designer 16. При проектировании печатной платы была создана библиотека необходимых элементов и их посадочных мест (footprint). Так как в электрической схеме имеются пересечения проводников, то необходимо использовать два слоях проводников при ее проектировании (двухсторонняя плата).В нижнем слое использовался полигон в качестве земли для экранирования -уменьшения импульсных помех создаваемых схемой.

а)

б)

Рисунок 3 Топология печатной платы: вид сверху-а,вид снизу- б

Рассмотрим выбор транзистора в качестве примера анализа элементной базы. Для усиления импульсов поступающих с микросхемы генератора используются полевые транзисторы. Основные параметры ряда полевых транзисторов представлены в таблице 1

Таблица 1

Параметры полевых транзисторов

По совокупности параметров наиболее подходящим является полевой транзистор IRLR024Npbf фирмы International Rectifier в качестве силового ключевого элемента, т.е. выходного усилителя в передающем модуле.

Аналогично были выбраны следующие элементы схемы

Резисторы(Типоразмер 0603)

R1=22 кОм

R2= R3= R4=100 Ом

R5= R6=10 кОм

Конденсаторы (Типоразмер 0603)

С1=390 пФ

С2=С3=4.7 мкФ

С4=430 пФ

Катушка индуктивности

L1=6.5мкГн(RWC5050AK060-500)

Полевые Транзисторы

Q1и Q2 -(IRLR024NPBF) (Тип корпуса DPak)

Q3 -(IRLML0040TRPbF)(Тип корпуса sot-23)

3. Изготовление и тестирование макета

Для изготовления печатной платы использовалась двухсторонне металлизированная заготовка текстолита толщиной 1 мм. Топология печатных проводников образована процессом химического травления хлоридом железа позитивной маски.

а)

б)

Рисунок 4 Изготовленная печатная плата передатчика: вид сверху - а, вид снизу - б

Проведем тестирование приемника и передатчика. Для тестирования использовалось следующее оборудование: мультиметр, лабораторный источник питания, осциллограф и низкочастотный генератор.

Подаем напряжение питания Uпит=12 В, ток потребления передатчика Iпотр.=0,16 А без приемника над катушкой. Значения токов измеренных при разных расстояниях между приемником и передатчиком представлены в таблице 2 и 3

Таблиц 2

зависимость Iпотр. передатчика от расстояния с нагрузкой и без

Таблиц 3

зависимость Тока потребления приемника от расстояния с нагрузкой и без

Выводы:

- Ток потребления передатчика значительно зависит от расстояния приемника до передатчика, но не значительно зависит от нагрузки (телефон на зарядке) приемника.

- Ток потребления приемника без нагрузки не зависит от расстояния приемника до передатчика, но значительно зависит от нагрузки приемника и передатчика(телефон на зарядке).

Рассчитаем КПД по формуле:

КПД=Pвых/Pвх=(Uвых*Iвых)/(Uвх*Iвх).

Uвых=5,4 В при без нагрузке (ХХ).

Uвых=4,24 В. с нагрузкой

Uвх=12 В.

Без нагрузки:

Для L=1см КПД=(5,4 *0,085)/(12*0,27)= 14,16%

Для L=0,5см КПД=(5,4*0,098)/(12*0,28)=15,7%

С нагрузкой (телефон на зарядке):

Для L=1см КПД=(4,24*0,085)/(12*0,26)=11,55%

Для L=0,5см КПД=(4,24*0,098)/(12*0,3)=11,54%

Вывод: КПД с нагрузкой не так сильно зависит от расстояния приемника до передатчика, а КПД без нагрузки значительно зависит от изменения L.

Протестируем передатчик при подаче импульсов на вход в зависимости от скважности.

,где S -- скважность, T -- период импульсов,

Рисунок 5 Форма напряжения на катушке при подаче импульсов на вход Q3 со S=2 на цифровом осциллографе

Зона 1 -время выключения.

Зона 2 -время задержки.

Таблица 4

Ток потребления при скважности S=2, Iхх=40мА

Рисунок 6 Форма напряжения при подаче импульсов c S=3 на цифровом осциллографе

Таблица 5

Ток потребления при скважности при скважности S=3, Iхх=130мА

Uвых=5,4 В при без нагрузке (ХХ).

Uвых=4,2 В при нагрузке (телефон на зарядке).

Рассчитаем КПД при подаче импульсов и изменении скважности.

Без нагрузки:

Для S=2 КПД=(5,4*0,01)/(12*0,13)=3,46%

Для S=3 КПД=(5,4*0,006)/(12*0,06)=4,5%

С нагрузкой (телефон на зарядке):

Для S=2 КПД=(4,2*0,032)/(12*0,13)=8,61%

Для S=3 КПД=(4,2*0,01)/(12*0,07)=5%

Заключение

В ходе работы было изучена литература по беспроводной передачи энергии. Выполнена разработка электрической схемы передатчика, выбрана элементная база и разработана топология печатной платы. Изготовлен и экспериментально исследован макет передатчика.

Проведя тестирование макета передатчика с использованием ранее изготовленного приемника установлено, что изготовленный макет системы беспроводной передачи энергии обладает КПД =10-15 % в зависимости от нагрузки. Без учета тока потребления цепей без нагрузки КПД системы составляет 20%. Оценочное значение максимального КПД аналогичных систем составляет 50-70%, поэтому в дальнейшем следует улучшить те элементы системы которые обладают малой эффективностью для улучшения суммарного КПД.

Список использованных источников

Karalis, A. EfficientWireless non-radiative mid rangeenergy transfer / A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic // Annals of Physics, P. 34-48.

Kurs, A. Power Transfer through Strongly Coupled Resonances // M.Sc. thesis Massachusetts Institute Of Technology. 2007. P.42.

Takehiro,I. Basic Experimental Study on Helical Antennas of Wireless Power Transfer for Electric Vehicles by using Magnetic Resonant Couplings / I. Takehiro, O. Hiroyuki, H. Yoichi // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. 2009. P.936-940.

Chunbo, Z. Simulation and Experimental Analysis on Wireless Energy Transfer Based on Magnetic Resonances / Z. Chunbo, L. Kai, C.Yu, Rui Ma, H.Cheng // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. 2008.

Размещено на Allbest.ru