17. Nguyen thi kim thoa.pdf

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

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



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.



• 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



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.



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



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.



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

Documents

17. Nguyen thi kim thoa.pdf