1.Receptorul de energie fr fir (wireless) necesar pentru ncrcarea bateriei telefonului mobil

Un IC cu un receptor de energie fr fir (wireless) i ncrctor de baterie, ofer suportul necesar pentru ncrcarea contactelor dispozitivelor care sunt dificil de accesat n orice alt mod. ncrcarea bateriei fr fir este o tehnic ntlnit la alimentarea cu energie electric a dispozitivelor n locuri greu accesibile. Aceasta i permite produsului s poat fi schimbat n timp ce acesta este nchis ntr-o cutie sigilat, sau ntr-un echipament aflat n micare sau n rotaie, sau ntr-un mediu curat sau unde serviciul de salubritate este critic. LTC4120 (Fig. 14) este o component a sistemului complet de transfer de putere fr fir, constnd din circuitul de transmisie, bobina de transmisie, bobina receptoare i circuitul de receptie, precum i un ncrctor de baterie curent-constant/tensiune-constant.

Fig. 15. Sistem de transfer al puterii, circuit de transmisie (TX), bobina de transmitere (TX), bobina receptoare (RX), i LTC4120, circuitul de recepie al transferului de putere, circuit cu ncrctor de baterie current-constant/tensiune-constant.

Aplicaiile includ instrumente portabile, senzori industriali / militari i dispozitive similare n medii dure, dispozitive medicale portabile, dispozitive fizice mici i dispozitive izolate electric. Aceste sisteme ofer solutii, care sunt mult mai simple dect cele care implementeaz standardul Qi, cu beneficii suplimentare, inclusiv distana de transmisie mai mare i fr software-ul necesar.Circuitul din figura 16 este un sistem complet funcional de transfer al puterii fr fir utiliznd un convertor de baz, curent-rotativ pentru circuitul de transmisie i un LTC4120 pentru a controla un convertor rezonator serie pentru circuitul de recepie. Bobina de recepionare produce o tensiune ntre 12 V i 40 V, aceasta fiind tensiunea de intrare a LTC4120, circuit ce incarc. Caracteristicile sale de ncrcare sunt : Tensiune i curent constant cu valoarea de 400mA Curentul de ncrcare programabil Tensiune programabil ntre 3.5 V i 11 V cu o precizie de 1 % Tensiune programabil pentru mai multe tipuri de baterii Precondiionare a bateriei cu terminare n 30 min Controlul precis al pornirii/oprii Detectare baterie defect Protecie termic NTC Auto- rencrcare Flag indicator ncrcare i detectare erori Oprire de sigurana dup dou ore

Dup ce se termin procesul de ncrcare , IC semnalizeaz sfritul ncrcrii i intr ntr-un mod sleep, de curent redus . Caracteristica de auto-restart ncepe un nou ciclu de ncrcare n cazul n care tensiunea bateriei scade cu 2,5% .LC4120 fucioneaz cu un transmitor rezonator discret sau cu un transmitor produs de PowerProxy. Acest transmitor ofera avantajul c poate ncrca mai multe receptoare cu un singur transmitor i poate detecta obiectele strine pentru a preveni supranclziri n timpul transferului.

1.1. Descrierea circuitului transmitorTransmitorul este un simplu transmitor de curent de tip push-pull capabil sa transmit 2W la intrarea integratului LTC4120. Schema de baz a transmitorului este prezentat n figura 16. Tranzistoarele de comutaie din acest transmitor sunt controlate de tensiunea tranzistorului opus, deci nu este nevoie de un alt circuit de comand. Circuitul de control al tranzistoarelor este alctuit dintr-un rezistor, o diod de oprire, un condesator pe poarta tranzistorului i o diod Zener pentru fiecare tranzistor.Tensiunea diodelor Zener este aleas astfel nct aceasta s deschid complet tranzistoarele i n acelai timp s realizeze i protecia la supratensiuni.Limita curentului pe poarta tranzisotului este dat de rezistenele R1 i R2 care sunt selectate n conformitate cu tensiunile maxime V ale lui M1,M2 i curentului nominal ale diodelor Zener .

Construcia transmitorului este simpl, uor de asamblat i de testat . Tabelul 1 prezint componentele folosite pentru a construi acest transmitor. Frecvena de rezonan a transmitorului trebuie s corespund cu cea a receptorului . Frecven de operare se calculeaz cu ajutorul urmatoarei forumule :

1.1.1. Recomandrile de baz pentru proiectarea transmitorului

Datorit cmpurilor magnetice de nalt frecven generate de componentele electronice folosite n acest circuit, exist un potenial pentru inducerea curenilor turbionari n obiectele strine de metal care sunt n raza cmpului produs de bobina transmitorului . Aceti cureni turbionari pot duce la la nclzirea obiectelor sau tensiuni mici induse n aceste obiecte. Pentru a asigura c utilizatorii i dispozitivele nu sunt expuse la astfel de pericole, se recomand: Un sistem de detecie termic sa fie integrat n transmitor. Acest sistem ar trebui s opreasc cmpul magnetic dac o temperatur ridicat este detectat. Testarea ndelungat a dispozitivelor electrice cu scopul de a fi folosite cu transmitorul pentru a asigura c nu se produce distrugerea acestora sau nu este periculos pentru operatorul uman. Toate msurrile practice (de exemplu etichetare, construcie) trebuie luate n considerare pentru a se asigura c dispozitivele care nu sunt destinate pentru transmitor s nu fie asezate deasupra bobinei Lx.

Fig. 17 : Formele de und din sistem (cu receptor i sarcin de 1.7W). Tensiunea de dren a lui M1 (CH1), tensiunea de dren a lui M2 (CH4) i tensiunea alternativ de ieire la bornele bobinei Lx.

1.2. Realizarea transferului de energie wirelessConvertorul rezonator de tip push-pull, prezentat n figura 16, este un exemplu de transmitor de putere care poate fi folosit cu LTC4120. n timpul operrii, transmitorul genereaz un cmp magnetic alternativ, iar receptorul primete putere din acel cmp magnetic. Transmitorul genereaz eficient un curent alternativ n bobina de transmisie. Acest circuit opereaz tipic la frecvena de 131 kHz, chiar daca frecvena de operare este dependent de sarcin i de cuplajul dintre bobine. Pentru LX = 5,0 H, i CX = 0.3F, frecvena pentru circuitul transmitor, este:

Acest transmitor genereaz un curent alternativ tipic de 2.5A RMS(valoare efectiv). Receptorpul este alctuit dintr-o bobina ntr-un circuit rezonator urmat de un redresor i LTC4210. Receptorul este vzut ca o sarcin de catre bobina transmitorului prin inductivitatea mutual LR i LX. Impedana reflectat de receptor poate influena frecvena de operare a transmitorului. n plus, puterea emis de transmitor depinde de sarcina receptorului. Acest circuit rezonator cuplat, alctuit din transmitor i ncrcatorul cu LTC4120, ofer o metod eficient de ncrcare fr fir a unei baterii pentru c puterea receptorului variaz automat cu puterea folosit la ncrcarea bateriei.LTC4120 include un sistem de control dinamic al armonizarii (DHC), o tehnologie care ofera optimizarea transferului wireless de putere ntr-o varietate de condiii n timp ce ofer protecie la supratemperatur i supratensiune. Tehnologia DHC este o metod eficient pentru reglarea tensiunii de intrare a unui circuit rezonant cuplat magnetic pentru transferul de putere fr fir. DHC-ul opereaz prin modularea frecvenei de rezonan a receptorului pentru reglarea tensiunii de la intrarea LTC4120. Cnd tensiunea de intrare a integratului este sub Vin, IC-ul permite primirea unei puteri mai mari prin modificarea frecvenei de rezonan mai aproape de frecvena transmitorului. Dac tensiunea de intrare crete peste tensiunea Vin, IC-ul modific frecvena de rezonan departe de frecvena transmitorului, ceea ce reduce puterea transmis receptorului. Valoarea cu care crete sau scade puterea este o funcie de cuplaj magnetic, condensatorul de reglare, C2P, bobina receptor, LR i frecvena de operare.

Fig. 18. Componentele dinamice de control a tensiunii de intrare ntr-o aplicaie de transfer de putere ntr-un circuit cuplat magnetic rezonant.Figura 18 ilustreaz componentele care implementeaz funcia DHC. Condensatorul C2S i bobina LR au rol de rezonator serie. Condensatorul C2P i pinul DHC al LTC4120 formeaz o rezonan paralel atunci cnd pinul DHC are impedan redus i deconecteaz circuitul paralel cnd pinul DHC are o impedan mare. C2P regleaz rezonana receptorului pentru a controla cantitatea de energie disponibil la intrarea LTC4120. C2P influeneaz i puterea disipat n LTC4120 din cauza curentului alternativ ce circul prin pinul DHC.DHC duce la economii semnificative de energie pentru c puterea necesar emitorului este ajustat n mod automat pentru cerinele receptorului. n plus, DHC reduce tensiunea redresat aplicat la intrarea LTC4120 n condiii de sarcin scazut atunci cnd bateria este complet ncrcat.

1.3. ncrcarea bateriei. Caracteristicin timpul ciclului de ncrcare, un termistor cu coeficient negativ de temperatur (NTC) permite integratului s monitorizeze temperatura bateriei. Dac temperatura bateriei depsete o limit de siguran, IC-ul oprete ncrcarea i semnalizeaz o eroare care spune c bateria este defect pn cnd temperatura scade din nou sub limita admis. Dou comparatoare monitorizeaz tensiunea la pinul NTC pentru a determina limitele de temperatur. NTC-ul este oprit dac tensiunea pinului NTC al IC-ului este sub 100 mV(VDIS).Cnd tensiunea bateriei ajunge la o anumit tensiune, un timer de siguran de 3 ore pornete. Dac curentul de ncrcare scade sub 10% din curentul maxim programat, flag-ul de terminare ncrcare se declaneaz, dar ncrcarea continu pn cnd timer-ul se termin. O dat ce flag-ul de terminare ncrcare se declaneaz, LTC4120 oprete monitorizarea temperaturii bateriei. Dup terminarea timer-ului, IC-ul intr ntr-un mod de sleep.n modul sleep, IC-ul continu s monitorizeze tensiunea bateriei. Dac aceast tensiune scade sub 2.5% sub tensiunea maxim, LTC4120 rencepe ncrcarea. Rencrcarea automat are un filtru intern de 0.5 ms pentru a preveni pornirea unui nou ciclu de ncrcare dac tensiunea bateriei scade datorit unei sarcini mrite.LTC4120 recondiioneaz prealabil bateriile descrcate complet cu un curent de 10% din curentul de ncrcare maxim. Cnd tensiunea bateriei crete peste un anumit nivel, IC-ul pornete ncrcarea la curent maxim de ncrcare. Dac tensiunea bateriei rmne sub un anumit nivel dup 30 min, un flag de baterie defect se declanseaz i ncrcarea se oprete.

2. Etapele de proiectare a sistemului de transmisie wireless

Ca n orice circuit electronic, se va ncepe cu construcia si proiectarea schemelor electronice, pentru realizarea alimentarii wireless cu energie electric a unui telefon mobil. Dup proiectarea schemelor electrice se va trece la procurarea componentelor electronice. Principala component reprezint LTC4120, fiind i cel mai greu circuit integrat de cumprat, acesta fiind comandat din China.3. Realizarea practic a circuitelor i obinerea rezultatelor experimentalePrimul pas pe care l-am efectuat nainte de a ncepe realizarea celor dou circuite (circuitul transmitor i circuitul receptor) a fost acela de a asigura o surs de alimentare, care s poat realiza alimentarea circuitului transmitor cu o tensiune de 5V, curent continuu i un curent de 2A. Pentru alimentarea circuitului am ales o surs de tensiune de la un computer, ntruct aceasta furnizeaz, la ieire, 3 tensiuni printre care i una de 5V. Dupa cum bine tim, orice surs de la orice calculator chiar daca este alimentat, la ieire nu va furniza nicio tensiune att timp ct aceasta nu este pornit. O astfel de surs este pornit atunci cnd se realizeaz un scurt ntre pinul verde (power on) i un pin negru care este masa. Configuraia pinilor se poate observa n figura de mai jos.

Fig. 21. Configuraia pinilor unei surse de alimentare a unui computer.Pentru a realiza aceast pornire a sursei i totodata pentru a o putea controla am conectat un ntreruptor pe sursa de tensiune care s realizeze acest contact ntre pinul verde i pinul negru ori de cte ori dorim sa obinem o tensiune la ieire. Urmtorul pas dupa asigurarea unei surse de alimentare i modificarea acesteia pentru circuitul de transmisie a urmat proiectarea i construirea acestui circuit.Schema electronic a circuitului a fost realizat ntr-un program profesional numit Isis Professional.n figura de mai jos este prezenta schema acestui circuit mpreun cu piesele i valorile acestora.

Fig. 24. Schema electric a circuitului transmitorPe baz acestei scheme s-a putut obine o vizualizare 3D a viitorului nostru circuit.

Fig. 25. Imaginea 3D a schemei realizate.

Schema circuitului care va fi imprimat pe un cablaj este cea de jos, n care se vor eliminacomponentele si vom ramne doar cu traseul marcat cu culoarea albastr.

Fig. 25. Schema final a circuitului.

4.construirea bobinei transmitoare.

Am ales o bobina cu valoarea de 5H, iar pentru a calcula numrul de spire am apelat la un site, n urma cruia am introdus valoarea bobinei pe care doream sa o obinem, diametrul bobinei i srma folosit, iar n urma acestora am obinut un anumit numr de spire.

Fig. 27. Calculul bobinei transmitoare.

Diametrul bobinei a fost ales ntmpltor precum i grosimea srmei. Aadar pentru o valoare a bobinei de 5uH, am construit 9 spire pentru un diametru de 3.5 cm.Pentru msurarea frecvenei am ales o bobina suplimentar avnd o valoare de 47H (conform circuitului nostru final), cu un diametru de 6.5cm , o srm de 0.5mm si un numr de spire de 23. Am alimentat circuitul de transmisie al energiei, am legat borna osciloscopului la aceast bobin si ne-am apropiat cu aceasta la o distan de aproximtiv 5-6 cm fa de circuitul transmitor. n urma acestora am obinut o frecven de 128 kHz .

Fig. 31. Frecvena obinut de cuplajul magnetic.

Se poate observa n partea introductiv c frecvena obinut de productorul acestui circuit este de 130 kHz. Pot spune ca m-am apropiat foarte mult de valoarea acestora, iar acei 2 kHz se pot datora toleranelor ridicate ale pieselor,erorilor de masura dar si a proiectrii cablajului, pentru c s-a ales o distan puin mai mare ntre piese.Un ultim test care s-a realizat la acest circuit a fost acela de a msura cderea de tensiune pe bobina circuitului transmitor. Din imaginea de mai jos se poate observa c s-a nregistrat de o valoare de 1V. Fig. 32. Tensiunea vrf vrf a bobinei transmitoare.

Dup ce s-au realizat toate verificrile asupra sursei de tensiune i a circuitului transmitor, c acestea funcioneaz perfect, s-a trecut la realizarea ultimului circuit, circuitul receptor, care va fi amplasat pe capacul telefonului mobil.Am nceput mai nti cu proiectarea schemei.

Fig. 33. Schema electric a circuitului receptor.

Importnd aceast schem n programul Proteus, am putut realiza traseele electrice care vor fi imprimate n final pe cablaj.

Fig. 35. Traseele electrice ale circuitului.

Pe baz acestei scheme am putut obine o vizualizare 3D a viitorului nostru circuit.

Fig. 36. Imaginea 3D a schemei realizate.n imaginea de mai sus, se pot observa n centrul circuitului nite pini care au rolul de a conecta un circuit suplimentar care reprezint, aa zisul nucleu al circuitului, deoarece reprezint principala component al acestui transfer de energie ctre un dispozitiv mobil, ntruct controleaz prile tehnice ale transferului de energie, precum tensiunea i temperatura acumulatorului.Ba13. Mihai Iordache, Lucia Dumitriu, , Capitolul - Studiul Actual de Transmitere Wireless a Energiei Electromagnetice Ctre un Telefon Mobil, River Publishers , Denmark, 2012, pp. 1 40.