Катушка индуктивности для телефона

15.05.2017

С появлением на рынке современных электронных устройств, большого количества смартфонов, планшетных компьютеров, ноутбуков, плееров возникла необходимость обеспечения питанием таких изделий без прямой связи посредством провода и источника. Как известно, в настоящее время потребительский спрос в области средств связи в основном обусловлен как улучшенными характеристиками и расширенным интерфейсом, так и возможностью использовать весь функционал мобильных устройств без ограничений во времени.

В современных мобильных устройствах с каждым годом появляется все больше функций. При этом растет их энергопотребление, что приводит к частому использованию зарядного устройства. В этой связи, выпуск беспроводных зарядных устройств и комплектующих к ним является одной из самых актуальных задач, стоящих перед разработчиками компаний-лидеров, изготавливающих гаджеты нового поколения, а также WPC (Wireless Power Consortium), состоящим из более чем 100 различных компаний, и другими организациями, активно работающими над стандартизацией беспроводных передатчиков энергии.

Не так давно компания TDK представила на российском рынке одно из своих последних достижений в своей отрасли — катушки индуктивности, применяемые в беспроводных зарядных устройствах, установленных в современных смартфонах и других мобильных устройствах. Толщина некоторых таких катушек не превышает 0.57 мм.

Успехи TDK в области разработки магнитных материалов и усовершенствования технологических процессов их изготовления привели к созданию уникальных сверх тонких и гибких магнитных листов. Применяемые подходы привели к созданию катушек, которые являются не только ультра тонкими и сверх легкими, они также имеют высокую устойчивость к различным видам механических воздействий, обеспечивая долговечность и повышенную надежность. Более того, несмотря на малую толщину профиля исполнение катушки минимизирует тенденцию повышения сопротивления и позволяет достичь заданного значения коэффициента передачи мощности, соответствуя при этом всем требованиям стандартов Qi, разработанных специально для передачи энергии различным устройствам за счет магнитной индукции.

В настоящее время компания TDK предлагает:

• Передающие индукционные катушки, которые применяются в зарядных устройствах для аккумуляторов
• Приемные индукционные катушки, которые применяются в смартфонах, сотовых телефонах, портативных устройствах
• Модуль с выходным напряжением 5 В

Стандартные катушки индуктивности серии Tx для беспроводных зарядных устройств, соответствующие Qi стандарту

Такие катушки находят применение в передающих устройствах.

Катушки TDK серии TX (WT100), соответствующие стандарту Qi

Код заказа TDK	WT-525225-20K2-A1-G	WT-505090-20K2-A10-G	WT-505090-10K2-A11-G	WT-1005690-12K2-A6-G
Стандарт консорциума WPC	WPC A1, A9	WPC A10	WPC A11 эквивалент	WPC A16
Входное напряжение	A1 (19В); A9 (12В)	A10 (19В)	A11 (5В)	A6 (12В)
Тип ферритового материала	твердый материал	гибкие листы	гибкие листы	гибкие листы
Размер листа, мм	52 х 52	Ø50	Ø50	100 x 56
Количество витков	10 витков х 2 слоя=20 витков	10 витков х 2 слоя=20 витков	10 витков х 1 слой	12 витков х 1 слой
Общая толщина катушки с листом из магнитомягкого материала, мм	4,63	3,13	2,08	2,53
Внешние размеры катушки, мм	Ø43	Ø43	Ø43	53.2 x 45.2

Готовим Qi Wireless сами: универсальные DIY катушки-приемники
В обзоре будут стресс-тесты и расчлененка.
Катушки-приемники подходят для большинства смартфонов, разбирать смартфон и паять что-либо внутри не требуется.
Монтаж-демонтаж безболезненный.

Всем привет!
В обзоре речь пойдет о

вкусной и полезной

Qi-Wireless зарядке.
Для начала про ресиверы этого стандарта.
Универсальные катушки-приемники Qi Wireless Далее просто катушки.

В лоте на выбор несколько типов.

В лоте на выбор 4 типа катушек — Lightning, Micro USB двух типов, и Type-C,
При выборе обратите внимание, какой тип коннектора у вас.

Для Micro USB есть разница.

Внутри катушек стоит преобразователь-стабилизатор питания

Внешний вид катушки — в металлизированном скотче, тонкая
Размеры катушек 4.76 см х 8.35 см, длина шлейфа 2.5 см.

На конце шлейфа коннектор к смартфону, который будет постоянно подключен

Катушка тонкая, под чехлом мешать не будет

Часть катушек для «дела», часть будет на «убой».

Катушка с Type-C

Коннектор

Коннекторы Micro USB двух типов

Все катушки имеют сходные размеры, отличаются только коннекторами

Зарядку брал вот эту 10W Qi Wireless Charger

Таблица совместимости для зарядки. Это перечень смартфонов со встроенной зарядкой Qi Wireless

Внешний вид зарядки

В комплекте есть провод и инструкция

Размеры диаметр 100 мм, толщина 6 мм.

Питается от 5В/2А либо 9В/1.5А.
На выходе 5В до 1А.

Зарядка прозрачная — выглядит очень прикольно. Коннектор MicroUSB спрятан на боковой поверхности

Кабель из комплекта совсем простой, но я буду пользоваться именно им, для честности

При подключении к источнику питания, зарядка выбирает режим 9В, но потребление достаточно маленькое. Ток скачет (передатчик периодически включается, в ожидании смартфона)

При включении зарядка мигает несколько раз, а также есть световая индикация при зарядке

Небольшой ликбез по использованию.
Вставляем в разъем, загинаем на заднюю крышку, прячем под чехол

Демонтировать обратно — тянем за разъем, а не за провода.

Примеряю к Андроид-смартфону

Аккуратно устанавливаем коннектор

Накидываем на заднюю крышку

Прячем под чехол.Специально взял прозрачный чехол, чтобы было видно.

Катушка не мешается, заодно разъем закрыт от пыли

Аналогично, примерка к айфону

Коннектор Lightning, односторонний (на катушке)

Подключаем

Загибаем

Прячем под чехол

Разъем закрыт, чехол не топорщится

Погонял катушки со смартфоном

Зарядка идет, причем написано — быстрая беспроводная (есть просто беспроводная).

Потребляемый ток при напряжении 9В: 1.5А.

Тоже самое для Lightning

Температурные замеры
Работа (10Вт примерно на зарядке)

Снимаю и фотографирую по отдельности

Катушки и зарядка быстро остывают до приемлемых температур

Еще раз устанавливаю — рабочая температура при 10Вт — это 60-70 градусов. На катушке около 0.7….0.8A

Катушка спокойно выдает 4.7В при токе 0.7А….0.8А.

Обычный режим питания — 5В/0.5А

Прибавляю ток.

Обратите внимание, если прижим неплотный (например, смартфон лег криво, или далеко), то КПД передачи уменьшается, напряжение на катушке уменьшается сильно. Речь не идет про чехлы до 2-3 мм пробивает нормально). Заявлено до 8мм, но после 5 мм зарядка будет, но медленнее.

Стресс тест.
Ставлю электронную нагрузку на 0,9А (примерно) и оставляю на полчаса. Имитирую ситуацию с разряженным в ноль смартфоном.

И проверяю температуру. Держится стабильно на уровне 80°-90°С, Если подкрутить до 1.0А или плотно прижать к источнику (КПД передачи повышается, повышается напряжение, мощность примерно на 15%), то передаваемая мощность слегка вырастает, растет и выделение тепла. На фото показания более 100°. Остывает катушка быстро, буквально секунд за 30, если убрать с зарядки.

Продолжу мучения и издевательства, надругаюсь над одной из катушек.

Проклеена катушка металлизированным скотчем, плотным, как в конверте.

Внутри гибкая печатная плата и микросхема-преобразователь-стабилизатор.

Катушка намотана двойным проводом, плоская, виток к витку.

Толщина провода около 0.4мм,

Катушка действительно компактная

Макро-фото преобразователя

Выводы.
Катушки интересные, можно безболезненно поиграться с Qi-зарядкой. Удобно, если все смартфоны у вас с Qi Wireless, а какой-то один без — это способ «подтянуть» его.
Беспроводная зарядка Qi Wireless удобна в ряде случаев. Например, неспешная зарядка в автомобиле, когда в холдере смартфон работает в качестве навигатора, при необходимости его схватил и побежал, без подстыковывания и отстыковывания мотни проводов. Кстати, можно же и запитать не только смартфоны, но и навигаторы, и прочие устройства с MicroUSB 5В — тут нет ограничений.
Указанные параметры выхода 5В/1А для катушки являются предельными.
В пределах 0.8А выход работает штатно. Смартфоны, которые перепробовал. заряжаются при 0.5…..0.7А.
В минусах укажу, что катушки, все-таки, дешевые. Частого подключения-отключения не переживут — или катушка надломится, или шлейф, или коннектор, который пластиковый.

Приемники Qi Wireless — недорогой способ добавить беспроводную зарядку в ваше устройство.
Что касается зарядки 10Вт — неплохая, особенно дизайн понравился. К ней вообще нет нареканий, заказал еще в качестве подарка друзьям.

Дисклеймер: в тестах использовал плату-переходник, которая имеет свое падение напряжение (и потери) на коннекторах. Погрешность может достигать 0.3В. Питался от внешнего аккумулятора, в зависимости от используемого источника могут быть различия при питании. Естественно, многое зависит от вашего смартфона. Например., Asus Zenfon2 имеет покатую заднюю крышку, КПД передачи в этом случае снижается, из-за неравномерности прижима.

Введение

Все известные электронные технологии были, в основном, обусловлены требованиями потребительского рынка электроника. И только впоследствии индустрия и другие подобные секторы промышленности, приняли их преимущества, после апробации технологий. Это позволило им снизить затраты и время на разработку аналогичных изделий, но уже адаптированных для своих целей. Цель этой статьи заключается в разъяснении методики того, как в демонстрационном комплекте системы беспроводного зарядного устройства DC1967A [2, 3], включающей чип управления приемником LTC4120, изменить катушки индуктивности для беспроводной передачи энергии производства компании Würth Elektronik eiSos.

Этот материал был подготовлен для пояснений и рекомендаций по общим проблемам, связанных с применением катушек индуктивности, используемых для беспроводных зарядных устройств. Это связано с необходимостью их адаптации для использования в различных портативных устройствах, поэтому, предвидя, что такие изменения потребуются, мы решили помочь инженерам в разработке их конечных продуктов.

Принцип беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии от катушки передатчика к катушке приемника использует известный принцип индуктивной связи (рис. 1). Однако недавние исследования доказывают, что если два резонансных контура, разработанных с минимальными потерями и собственным поглощением мощности (то есть с высокой добротностью Q), будут настроены на одну и ту же резонансную частоту и находиться в области ближнего поля, то благодаря такой связи передача энергии от передатчика к приемнику осуществляется с гораздо большей эффективностью.

Для эффективной работы беспроводной системы зарядки необходимо, чтобы частоты контуров передатчика и приемника были настроены одинаково. Для различных значений индуктивностей передающей и приемной катушек, чтобы получить одну и ту же резонансную частоту, необходимо внести изменения в связанные с ними части схемы. Это исследование наглядно демонстрирует уникальные преимущества применения для беспроводных зарядных систем катушек компании Würth Elektronik.

Катушки Würth Elektronik eiSos для беспроводных зарядных устройств

Компания Würth Elektronik eiSos является членом консорциума по беспроводной передаче энергии WPC (Wireless Power Consortium) и альянса по системам беспроводного питания A4WP (Alliance for Wireless Power), в настоящее время известного как Rezence. Компания занимается самостоятельной разработкой конструкции различных катушек для беспроводных приемников и передатчиков, которые полностью совместимы со стандартом Qi. На рис. 2 и 3 показаны примеры нескольких передающих и приемных катушек компании для беспроводных решений в области систем питания.

Ниже приведены типы катушек от Würth Elektronik eiSos для приемника и передатчика, которые были использованы в настоящем исследовании:

Передающие катушки:

1. 760 308 111.
2. 760 308 110.
3. 760 308 104 113.
4. 760 308 101 302.

Приемные катушки:

1. 760 308 201.
2. 760 308 101 303.

Контроллер беспроводного зарядного устройства

Как уже отмечалось выше, для данного исследования был выбран контроллер беспроводного зарядного устройства LTC4120, который представляет собой приемник беспроводного зарядного устройства на ток 400 мА с повышающим импульсным преобразователем на одном чипе. Контроллер LTC4120 приемника используется в составе демонстрационной платы DC1967A, входящей в комплект DC1969A. Резонансная частота колебательного контура приемника составляет 127 кГц при согласованной настройке и 140 кГц при его рассогласовании. Демонстрационная плата приемника DC1967A показана на рис. 4.

Технические особенности контроллера LTC4120:

• Динамическое согласование управления DHC (Dynamic Harmonization Control) оптимизирует работу беспроводного зарядного устройства в широком диапазоне изменения коэффициента связи с контурной катушкой передатчика.
• Широкий диапазон входного напряжения: от 4,3 до 40 В.
• Регулируемое напряжение холостого хода: от 3,5 до 11 В.
• Ток заряда батареи от 50 до 400 мА, программируется с помощью лишь одного резистора:
  • точность напряжения обратной связи ±1%;
  • точность программирования тока заряда 5%;
  • отсутствие ферритового сердечника в катушке.

Беспроводной передатчик в виде демонстрационной платы DC1968A (рис. 5), входящий в комплект DC1969A, является базовым передатчиком, который в своей схеме использует несинхронизированный мульти-вибратор с частотой колебаний, определяемой резонансной частотой колебательного контура, катушка которого возбуждается от источника тока. Частота колебаний установлена равной 130 кГц. Тем не менее эта частота будет изменяться в зависимости от нагрузки, которой является колебательный контур приемника, и коэффициента связи между катушками приемника и передатчика. Существует еще один вариант передатчика производства компании PowerbyProxi, Ltd. Он имеет дополнительное преимущество в виде автоматического обнаружения внешних посторонних объектов, например монет или иных металлических предметов, и низкой собственной потребляемой мощности в режиме ожидания.

Функция DHC, реализованная в контроллере LTC4120, осуществляет управление частотой резонансного контура приемника, удаляя или приближая ее к резонансной частоте передатчика. Она основана на мощности, требуемой для батареи (нагрузки). Когда связь между передающей и приемной катушками высока, то для того, чтобы ограничить передачу мощности, частота резонанса приемника будет скорректирована в сторону ее удаления (то есть она будет расстроена) от частоты передатчика. А когда связь между передающей и приемной катушками мала, то частота резонанса приемника будет корректироваться таким образом, чтобы увеличить прием мощности от передатчика. Важно отметить, что контроллер на микросхеме LTC4120 обеспечивает гальваническую развязку без использования каких-либо сердечников, как это характерно для обычных трансформаторов с индуктивной связью.

Катушки компании Würth Electronik для беспроводной передачи мощности и их технические характеристики

Номера использованных в этом исследовании катушек для беспроводной передачи мощности приведены выше, а их краткое описание и технические характеристики, необходимые для дальнейших расчетов, представлены в таблицах 1 и 2.

Передающие катушки

Технические характеристики катушек для передатчиков приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики передающих катушек

Номер катушки	Индуктивность, мкГн	Сопротивление по постоянному току, мОм	Добротность, Q	Типоразмер	Рабочий ток, Irated, А, при 40 °C
760 308 111	6, 3	17	80	5353	13
760 308 110	24	7	180	5353	6
760 308 104 113	12	60	120	6052	6
760 308 101 302	5,3	33	100	∅50	6

Приемные катушки

Технические характеристики катушек для приемников приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные технические характеристики приемных катушек

Номер катушки	Индуктивность, мкГн	Сопротивление по постоянному току, мОм	Добротность, Q	Типоразмер	Рабочий ток, Irated, А, при 40 °C
760 308 201	10	160	50	3737	4,5
760 308 101 303	47	460	25	∅26	1,4

Исходные положения для проведения оценочных исследований

Перед тем как установить катушки на платы комплекта для проведения анализа, сначала необходимо разобраться в особенностях функционирования и возможностях контроллера беспроводного зарядного устройства LTC4120, а также в технических характеристиках самих катушек. Выше  был приведен перечень катушек для беспроводных передатчиков и приемников, которые будут рассматриваться для сравнительной оценки на платах DC1968A и DC1967A соответственно. Выше уже было кратко сказано о функциях и возможностях этих демонстрационных плат из комплекта DC1969A. Главное здесь то, что для обеспечения хорошего синусоидального сигнала от передатчика его передающая катушка колебательного контура возбуждается от источника тока.

Как указано в спецификации на микросхему контроллера LTC4120, идеальным соотношением при выборе значений индуктивностей Lx (катушка передатчика) и Lr (катушка приемника) является отношение 1:3 (здесь и далее условные обозначения элементов приведены в соответствии с публикациями [2, 3]). Однако значения индуктивности могут быть выбраны так, что размер и номинальное значение индуктивности катушки не будет слишком велико (если используется слишком малое значение емкости конденсатора на стороне передатчика), а циркулирующий ток в передающем конце не слишком высок (в случае слишком малой величины индуктивности на первичной стороне). Для правильного выбора резонансных катушек индуктивности и конденсаторов следует использовать обратный анализ, как это показано ниже.

Значения индуктивностей можно выбрать таким образом, чтобы размер требуемой катушки был не слишком велик (если значение емкости конденсатора на стороне передатчика слишком малое), а циркулирующий ток в передающей катушке не слишком высок (при слишком малом значении индуктивности на первичной стороне). Для правильного выбора резонансных контуров катушек индуктивности и конденсаторов применим метод обратного анализа.

Катушка приемника и резонансная частота приемного контура

Катушка контура приемника, которая используется в составе платы DC1967A (приемник) из оценочного комплекта DC1969A, имеет индуктивность 47 мкГн. Она выполнена в виде интегрированной в плату катушки, реализованной из печатных проводников четырехслойной платы с ферритовой внешней основой. Чтобы достичь большей эффективности, компания Würth Elektronik eiSos может предложить свою катушку, технические характеристики которой значительно превосходят параметры катушек, выполненных в виде проводников печатной платы, — например, катушку 760 308 101 303, чьи краткие технические характеристики приведены в таблице 2.

Частота колебательного контура приемника меняется с 127 на 142 кГц. В настроенном состоянии резонансная частота Ft определяется емкостями двух конденсаторов — C2P и C2S, а при отстройке контура его резонансная частота Fd определяется только емкостью конденсатора C2S:

При расчете с помощью приведенной выше формулы для резонансной частоты при отстройке (Fd = 142 кГц) необходимая емкость конденсатора C2S будет равна 26,7 нФ.

Требуемую суммарную емкость в 26,7 нФ как раз обеспечивает параллельное подключение конденсаторов емкостью 22 и 4,7 нФ.

Следует обратить внимание, что эти номиналы, по-видимому, были выбраны из-за ограничений по номиналам широкодоступных стандартных емкостей конденсаторов и реальная частота отстройки будет равна 142, а не 140 кГц, как это указано в [3].

Аналогичным образом для резонансной частоты при настройке (Ft = 127 кГц) нужная емкость конденсатора C2P равна 6,75 нФ. Ближайшее значение стандартной емкости 6,8 нФ.

Конденсаторы, используемые в плате приемника из комплекта DC1969A, имеют емкость 1,8 и 4,7 нФ и они подключены параллельно. С этим суммарным значением емкости частота настройки контура составит почти 130 кГц.

Катушка передатчика и резонансная частота передающего контура

Теперь, когда катушка приемника выбрана и значение ее индуктивности 47 мкГн известно, можно выбрать катушку для передатчика. Выбор делается так, чтобы удовлетворить соотношение витков 1:3, как это рекомендовано в спецификации на микросхему контроллера LTC4120. Соотношение витков рассчитывается как:

32 = 9 = 47 мкГн/Lx.

Отсюда:

Lx = 5,2 мкГн.

Для выполнения этого условия компания Würth Elektronik eiSos предлагает решение в виде катушки 760 308 101 302, имеющей индуктивность 5,3 мкГн с рабочим током до 6 А, собственное сопротивление этой катушки по постоянному току 33 мОм, а добротность Q = 100.

В этом случае частота резонанса составит:

Для того чтобы удовлетворить требованию по резонансной частоте передатчика в 130 кГц, понадобится конденсатор Сх емкостью 283 нФ. Поскольку это не является стандартным значением, то мы, чтобы добиться нужной резонансной частоты, будем использовать два конденсатора емкостью 180 и 100 нФ в параллельном включении. Для установки точной резонансной частоты необходимо использовать конденсаторы с малыми допустимыми отклонениями собственной емкости.

Фактическая емкость частотозадающего конденсатора (в нашем случае общая емкость двух конденсаторов) в контуре будет равна 280 нФ, и при этой емкости резонансная частота составит:

F0 = 130,71 кГц.

Значение частоты F0 получилось на 0,5% выше, чем номинальная требуемая частота. Тем не менее отметим, что изначальное значение емкости в DC1969A — это два конденсатора (ECHU1H154GX9) по 0,15 мкФ. То есть если использовать данные конденсаторы, то резонансная частота будет равна 126,3 кГц (без нагрузки контура).

Какое выбрать значение коэффициента трансформации (n)?

Как уже отмечалось, соотношение витков между катушками передатчика и приемника предложено в спецификации на LTC4120 как 1:3 [4], однако оно может быть обеспечено при самых различных комбинациях и с самой различной точностью, поскольку точно выполнить данное условие достаточно сложно. Какой же эффект это вызовет в реальном исполнении? Чтобы получить больше энергии от катушки, схема была модифицирована установкой выходного напряжения 8,23 В. При этом схема будет в состоянии обеспечить, насколько это возможно, максимальный ток и сохранить максимальную эффективность. Для этого рассмотрим несколько возможных вариантов*.

* Примечание.

V_{IN_LR} — напряжение на контрольной точке VIN платы контроллера DC1967A;

I_IN — ток в приемной катушке;

V_CC — входное напряжение платы передатчика DC1968A;

I_INPUT — ток потребления от V_CC;

V_OUTPUT — выходное напряжение;

I_OUTPUT — выходной ток заряда батареи;

P_{MAX_BAT} — максимальная мощность, отданная для заряда батареи.

Коэффициент передачи, отношение витков:

Эффективность, КПД:

η = (V_{IN_LR}×I_IN)/(V_CC×I_INPUT)×100%.

Вариант № 1

Катушка передатчика Tx: тип 760 308 101 302 (5,3 мкГн, 33 мОм, Q = 100, рабочий ток 6 A).

Катушка приемника Rx: тип 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, рабочий ток 1,4 A).

Коэффициент передачи n = 3.

Результаты измерений:

• V_CC = 5 В;
• I_INPUT = 0,973 A;
• V_{IN_LR} = 15,04 В;
• I_IN = 0,239 A;
• V_OUTPUT = 8,21 В;
• I_OUTPUT = 0,275 A;
• P_{MAX_BAT} = 4,865 Вт;
• эффективность, КПД: η = 73,9%.

Вариант № 2

Катушка передатчика Tx: тип 760 308 104 113 (12 мкГн, 60 мОм, Q = 120, рабочий ток 7 A).

Катушка приемника Rx: тип 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, рабочий ток 1,4 A).

Коэффициент передачи n = 1,97.

Результаты измерений:

• V_CC = 5 В;
• I_INPUT = 0,224 A;
• V_{IN_LR} = 11,85 В;
• I_IN = 0,072 A;
• V_OUTPUT = 8,23 В;
• I_OUTPUT = 0,005 A;
• P_{MAX_BAT} = 1,12 Вт;
• эффективность, КПД: η = 76,2%.

Вариант № 3

Катушка передатчика Tx: тип 760 308 110 (24 мкГн, 7 мОм, Q=180, рабочий ток 6 A).

Катушка приемника Rx: тип 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q=25, рабочий ток 1,4 A).

Коэффициент передачи n = 1,4.

Результаты измерений:

• V_CC = 5 В;
• I_INPUT = 0,1 A;
• V_{IN_LR} = 11,65 В;
• I_IN = 0,025 A;
• V_OUTPUT = 8,23 В;
• I_OUTPUT = 0,013 A;
• P_{MAX_BAT} = 0,5 Вт;
• эффективность, КПД: η = 58,3%.

Вариант № 4

Катушка передатчика Tx: тип WT‑505060-8K2‑LT (5,0 мкГн, 30,3 мОм, Q = 80, X A).

Катушка приемника Rx: тип 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, рабочий ток 1,4 A).

Коэффициент передачи n = 3,07.

Результаты измерений:

• V_CC = 5 В;
• I_INPUT = 1,159 A;
• V_{IN_LR} = 13,16 В;
• I_IN = 0,314 A;
• V_OUTPUT = 8,21 В;
• I_OUTPUT = 0,275 A;
• P_{MAX_BAT} = 5,795 Вт;
• эффективность, КПД: η = 71,3%.

Осциллограммы

Эти осциллограммы соответствуют представленным выше измерениям для возможных комбинаций катушек индуктивности. Здесь канал Ch1 показывает выпрямленный принимаемый сигнал, Ch2 не используется, Ch3 показывает сигнал приемника, а канал Ch4 — выпрямленный ток приемника (рис. 6).

Анализируя эти осциллограммы, можно сделать вывод, что вариант № 1 обеспечивает наилучшую производительность. Выбранные для анализа критерии для катушек это , в частности способность работать на максимальном токе нагрузки при одновременном сохранении насколько более высокого уровня выходного напряжения на стороне приемника. Было замечено, что коэффициент полезного действия при передаче мощности действительно лучше, когда коэффициент трансформации катушек Tx и Rx составляет 1:3. При меньшем соотношении, и очевидно, что мощность сигнала, передаваемая на сторону приемника, уменьшается и, таким образом, система не в состоянии обеспечить достаточный ток в нагрузке. Эта ситуация показана на примерах 2 и 3, где катушки не в состоянии поддерживать необходимую мощность.

Таким образом, получается, что соотношение витков между катушками передатчика и приемника как 1:3 является существенным фактором, но оно не ограничивается выбором правильного размера, формы и толщины феррита и размещения обмотки с использованием ферритовой базы. Это может быть реализовано с помощью катушек иной конструкции.

Токи в колебательных контурах

Для надежной работы схемы необходимо сделать оценку токов во первичном и вторичном колебательных LC-контурах. Ожидаемое напряжение на первичной катушке равно:

Vp–p = 2×π×VinDC,

Vp–p = 2×3,14×5,

Vp–p = 31,4 В.

Таким образом, амплитуда напряжения на контуре равна: Vp = 15,7 В.

Реактивное сопротивление предлагаемого для выходного контура передатчика конденсатора емкостью 0,3 мкФ на частоте 126,3 кГц составит:

Xc = 1/(2×π×f×C),

Xc = 3,74 Ом.

Вышеприведенные вычисления дают в результате амплитудное значение тока, равное примерно 4,2 А, а среднеквадратичное соответственно — 3 А.

Таким образом, каждый из конденсаторов по 0,15 мкФ должен быть выбран из расчета, чтобы на частоте 126,3 кГц он имел допустимое значение рабочего тока по меньшей мере 1,5 А. Для исследования был выбран конденсатор ECHU1H154GX9, для которого ток 1,5 A является допустимым. Кроме того, ток в этом контуре отличается в зависимости от начальных условий проведения испытания. Уровень тока для каждого из рассмотренных вариантов равен:

1. Вариант № 1 — 2,07 A.
2. Вариант № 2 — 0,931 A.
3. Вариант № 3 — 0,459 A.
4. Вариант № 4 — 2,14 A.

Входной ток приемника

Величина входного тока приемника, необходимого для того, чтобы произвести достаточный вторичный ток для заряда батареи, является функцией напряженности магнитного поля, создаваемого в первичной катушке. А величина напряженности магнитного поля прямо пропорциональна току катушки передатчика, который, в свою очередь, зависит от входного тока I_Lx и добротности Q:

B = Q×I_Lx.

Таким образом, при выборе катушки для контура передатчика следует обратить внимание на значение ее добротности. Катушка для передатчика 760 308 101 302 от компании Würth Elektronik eiSos имеет добротность Q = 100, что на текущий момент является самым высоким показателем по сравнению с предложениями конкурентов. Входной ток, который должен обеспечить ток в нагрузке, может быть оптимизирован или сведен к минимуму при использовании катушки передатчика с максимально возможным значением добротности и оптимизированным коэффициентом связи. Если коэффициент связи будет более высоким, чем необходимо, то уже функция DHC сможет гарантировать, что избыточная мощность не будет передана на сторону приемника.

Давайте обратимся к вариантам № 1 и № 2, где вариант № 1 имеет высокий входной сигнал и функция DHC активирована, чтобы ограничить уровень напряжения, подаваемого на DC/DC-преобразователь (сигнал на осциллограмме канала 2 имеет резкое падение в каждом импульсе, когда на выводе DHC-контроллера установлен низкий уровень напряжения). По сравнению с вариантом № 1 вариант № 2, коэффициент трансформации которого равен всего 1:2, уже не удовлетворяет условию (VIN>V_DHC), необходимому, чтобы перевести вывод DHC в низкое состояние. Таким образом, эффективность передачи мощности для варианта № 1 является самой высокой среди всех четырех вариантов, которые подверглись проверке.

Сопротивление по постоянному току (R_DC)

Активные потери катушек передатчика и приемника прямо пропорциональны их сопротивлениям по постоянному току — R_DC, поэтому для того, чтобы достичь более высокой эффективности, предпочтительны катушки, имеющие более низкие значения собственного сопротивления. Сопротивление катушки со стороны приемника влияет на эффективность вторичной цепи в соответствии с коэффициентом передачи делителя:

RL/(R2+RL).

В свою очередь, R_DC катушки передатчика Würth Elektronik eiSos (760 308 101 302) равно 33 мОм и при токе 2,2 А и, таким образом, общие потери для нее равны:

I²×R_DC = 0,16 Вт.

Вносимый импеданс

Резонансные частоты обоих колебательных контуров, как передатчика, так и приемника, в нагруженном и ненагруженном состоянии разнятся. Поэтому важно понимать, что оказывает влияние на величину вносимого сопротивления в связанные резонансные контуры и как эффект вносимого импеданса влияет на производительность системы. Для этого используем следующие пояснения (рис. 7, 8).

Вносимый импеданс Zr может быть выражен с помощью следующих уравнений.

Согласно закону Кирхгофа для первого контура (рис. 7):

I1Z1+I2ZM = V1.                     (1)

Согласно закону Кирхгофа с учетом короткого замыкания нагрузки:

I1Z1 + I2ZM = 0,

I2 = – I1ZM/Z2.                   (2)

Подставляя значение I2 в уравнение 1, получаем:

Zeg = V1/I1 = Z1–(ZM²/Z2),

где ZM = –JωM, а М — коэффициент взаимоиндукции между первым и вторым контурами, получаем:

Zeg = Z1–(w²M²/Z2).

Следовательно, вносимый импеданс в этой цепи может быть выражен как:

w²M²/Z2.

Когда вторичный контур резонирует на той же частоте, что и первичный, то характер вносимого сопротивления в первичный контур будет чисто активным и не носит индуктивный или емкостный характер. Таким образом, мы имеем:

Z2 = R2+RL.

А внесенное сопротивление, когда оба контура резонируют на одной и той же частоте, будет равно:

ReZr = (w²M²)/(R2+RL).

Эффективность системы, как ожидается, будет повышаться, если значение ReZr увеличивается. Тем не менее существенное снижение сопротивления нагрузки RL также будет влиять на эффективность вторичного контура, потому что в этом случае Rs будет доминировать по отношению к падению напряжения. Как мы уже отмечали ранее, коэффициент падения напряжения на вторичном контуре равен:

RL/(R2+RL).

Функция DHC

Функция DHC, встроенная в LTC1967A, будет сдвигать частоту резонанса с заданной расстройкой на частоту 140 кГц. Это происходит в том случае, если катушки имеют высокий коэффициент связи, и в результате напряжение в точке V_IN превысит 14 В. Контур будет снова настроен на 127 кГц, когда катушки будут иметь низкий коэффициент связи, при котором напряжение V_IN лежит ниже порога в 14 В.

Таким образом, при выборе катушки для цепи передатчика важно определить резонансную частоту выше, чем частота настройки контура приемника. Это будет гарантировать, что при одной и той же частоте настройки резонанса приемника и передатчика данная схема будет работать как двойная настроенная резонансная схема. При этом контроллер будет обеспечивать полную передачу мощности в нагрузку.

На рис. 9 приведена осциллограмма, которая показывает на канале Ch1 сигнал в виде прямоугольного импульса с частотой передатчика. Каждый раз, когда принимаемый сигнал на V_IN выше, чем напряжение на выводе DHC, он будет подтягиваться вниз, чтобы не допустить дальнейшего увеличения сигнала на выходе V_IN (канал Ch3). Канал Ch2 осциллографа показывает сигнал на приемной катушке, сигнал по каналу Ch4 показывает ток через катушку передатчика.

Выводы

Более высокая связь, меньшее физическое расстояние между передатчиком и приемником и более высокий коэффициент трансформации будут гарантировать более высокое напряжение на приемнике и, соответственно, высокое значение V_IN. Функция DHC будет ограничивать уровень напряжения V_IN, поступающего на DC/DC-преобразователь, и тем самым обеспечит действие передатчика в более широком диапазоне рабочего напряжения. Как было видно из эксперимента (вариант № 2), эффективность выше, если полученный сигнал имеет форму, максимально приближенную к синусоидальной. Поэтому когда выставляется требование для конкретного приложения в виде широкого диапазона входного напряжения, то может быть выбран более высокий коэффициент трансформации (приблизительно равный 3), а когда требуется повышение эффективности, то рекомендуется использовать оптимизированное значение коэффициента трансформации, то есть добиваться, чтобы принимаемый сигнал был максимально близок к синусоидальному.

Для того чтобы обеспечить высокую эффективность и увеличить диапазон входных напряжений для демонстрационного комплекта DC1969A, катушки передатчика и приемника должны быть тщательно отобраны с учетом всех перечисленных выше соображений. Использование высоконадежных катушек компании Würth Elektronik eiSos для передатчика и приемника беспроводной системы заряда и даст вам возможность разработать более эффективную систему беспроводной передачи мощности.

---

Приложение

Перечень элементов

Для того чтобы исследовать вопрос связи контуров приемника и передатчика, а также проблемы, возникающие при беспроводной передаче мощности, когда коэффициент трансформации составляет менее 3, значения некоторых элементов комплекта DC1969A были изменены. В таблице 3 указаны все элементы, соответствующие проверяемым вариантам модификации.

Таблица 3. Перечень элементов

Условное обозначение	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3	Вариант 4
Lx	760 308 101 302 (5,3 мкГн; 33 мОм; Q = 100)	760 308 104 113 (12 мкГн; 60 мОм; Q = 120)	760 308 110 (24 мкГн; 7 мОм; Q = 180)	WT-505060-8K2-LT (5 мкГн; 30,3 мОм; Q = 80)
Lr	760 308 101 303 (47 мкГн; 460 мОм; Q = 25)	760 308 101 303 (47 мкГн; 460 мОм; Q = 25)	760 308 101 303 (47 мкГн; 460 мОм; Q = 25)	760 308 101 303 (47 мкГн; 460 мОм; Q = 25)
CX1	ECHU1H154GX9 (Полипропилен; 0,15 мкФ; 50 В)	ECHU1H154GX9 (Полипропилен; 0,15 мкФ; 50 В)	ECHU1H154GX9 (Полипропилен; 0,082 мкФ; 50 В)	ECHU1H154GX9 (Полипропилен; 0,15 мкФ; 50 В)
CX2	ECHU1H154GX9 (Полипропилен; 0,15 мкФ; 50 В)	Не используется	Не используется	ECHU1H154GX9 (Полипропилен; 0,15 мкФ; 50 В)
RFB1	2 МОм	2 МОм	2 МОм	2 МОм
RFB2	825 кОм	825 кОм	825 кОм	825 кОм

Систему беспроводной зарядки можно было бы сделать «глупой», но тогда она не отличала бы приёмную часть от металлических предметов и нагревала бы их вихревыми токами. Поэтому когда приёмной части нет, передающая периодически посылает короткие импульсы. Когда же подносят приёмную часть, та начинает отправлять пакеты, сообщающие передающей части, какая мощность от неё требуется.

Передающая часть начинает генерировать колебания непрерывно, при этом она регулирует мощность, меняя частоту относительно резонансной так, как показано на графике. Чем дальше частота от резонансной, тем меньше передаваемая мощность.

Чтобы передавать биты с приёмной части на передающую, два транзистора подключают к приёмному контуру конденсаторы небольшой ёмкости. Способ кодирования нулей и единиц здесь следующий:

Поскульку при этом возможны ошибки, необходима их коррекция. Каждый байт передаётся одиннадцатью битами, первый из них — стартовый бит, всегда равный нулю, затем следуют восемь бит самого байта, затем — бит контроля чётности (устанавливается в единицу, если байт содержит чётное число единиц), затем — стоповый бит, всегда равный единице. Если бит чётности не совпадает, байт считается принятым неправильно.

Пакет состоит из вступления, заголовка, сообщения и контрольной суммы. Вступление содержит от 11 до 25 единиц. Если контрольная сумма не совпадает, неправильно принятым считается весь пакет.

Более подробная спецификация стандарта — здесь.

Самодельная приёмная часть состоит из контура (обмотка из 10 витков индуктивностью в 14,5 мкГ, два конденсатора по 100 нФ и один на 22 нФ), выпрямителя, фильтра (конденсатор на 10 мкФ), двух транзисторов, подключающих к контуру конденсаторы по 22 нФ, двух стабилизаторов — импульсного для нагрузки (подойдёт и готовая зарядка в прикуриватель на MC34063) и линейного для микроконтроллера, резисторного делителя для подачи напряжения, снимаемого с выпрямителя, на аналоговый вход микроконтроллера, а также собственно микроконтроллера. Задача программы — управляя транзисторами, подавать на передающую часть команды, заставляющие её несмотря на изменения нагрузки поддерживать такую передаваемую мощность, чтобы напряжение на выходе выпрямителя составляло 10 В.

Внешний вид устройства целиком и платы отдельно:

Прошивка — здесь.

Видео:

Зарядка телефона без непосредственного подключения к источнику энергии (беспроводная зарядка), имея определенные минусы, все же удобна. Не надо подключать разъем, изнашивая его, а кроме этого, решена проблема совместимости. Сделать беспроводную зарядку своими руками можно в домашних условиях.

Cхема и принцип работы беспроводной зарядки

Принцип действия беспроводной системы зарядки гаджетов основан на явлении электромагнитной индукции. Известно, что если по катушке индуктивности протекает ток, он создает магнитное поле. Если это поле пересекает витки другой катушки, то оно создает магнитный поток. Если поле порождается переменным током, то и магнитный поток будет переменным, а это значит, что во второй катушке возникнет электродвижущая сила (ЭДС), которая может инициировать ток. Этот ток можно использовать для зарядки мобильных устройств.

По этому же принципу устроен и обычный трансформатор. Его отличие – наличие сердечника. Сердечник упорядочивает магнитный поток и увеличивает связь между обмотками. В зарядке сердечника нет, поэтому КПД передачи энергии невысок. Например, из-за того, что часть силовых магнитных линий поля не пересекает витки вторичной катушки (на рисунке обозначено голубыми пунктирными линиями).

На практике беспроводное зарядное устройство оснащается приемной и передающей катушками плоской конструкции. Это позволяет по максимуму использовать первичный магнитный поток, расположив катушки как можно ближе друг к другу.

Для того, чтобы эффективно передавать энергию посредством магнитного поля, в первичной катушке надо создать большие по амплитуде импульсы тока. Для этого служит мощный источник питания. Импульсы формируются с помощью задающего генератора, работающего на частоте несколько десятков или сотен килогерц. Генератор управляет мощным ключом (обычно на полевом транзисторе).

Магнитный поток, созданный первичной катушкой, посредством магнитного поля наводит ЭДС во вторичной (приемной) катушке. Эта ЭДС выпрямляется, фильтруется и стабилизируется. Напряжение подается на аккумулятор для зарядки.

Можно подавать ток, инициированный этой ЭДС непосредственно на аккумулятор телефона или планшета, а можно через штатный контроллер зарядки. В первом случае окончание подзаряда придется отслеживать самостоятельно.

Какой смартфон подойдет для самодельной подзарядки

В целом любому смартфону безразлично, откуда поступает зарядный ток в аккумулятор. Поэтому в теории на беспроводной способ можно переделать любой гаджет. По факту встает проблема, где расположить приемную часть – места внутри мобильного телефона крайне мало. Придется в первую очередь решать эту задачу, создавая очень тонкую антенну и применяя небольшие по размерам электронные компоненты.

Можно, конечно, приемник сделать съемным и подключать его через штатный разъем смартфона, но в этом очень мало практического смысла. Ведь имея все недостатки беспроводного подключения, воспользоваться преимуществами не получится. Гораздо проще найти место для размещения антенны и электронных компонентов в корпусе планшета.

Что понадобится для сборки

В первую очередь понадобится выбрать схему приемной и передающей части. Несмотря на небольшое количество узлов, входящих в систему, исполнение может быть различным. Например, для построения самодельной беспроводной зарядки по схеме, приведенной на рисунке, потребуются:

• микросхема-таймер 555 (NE555, отечественный КР1006ВИ1);
• мощный полевой транзистор IRFZ44 или другой;
• интегральный стабилизатор напряжения на 5 вольт (можно 7805 или 78L05 (второй вариант меньше размерами, это важно), но лучше подобрать какой-нибудь Low Drop с низким падением напряжения между входом и выходом);
• маломощный диод (лучше германиевый или диод Шоттки).

Еще понадобится источник питания постоянного тока на напряжение 5 вольт (например, сетевой адаптер от ненужного гаджета), несколько резисторов и конденсаторов с номиналами, указанными на схеме, а также соединительные провода и материалы для изготовления катушек связи. Из приборов нужен будет мультиметр как минимум, но не помешает и осциллограф. Не обойтись и без паяльника с набором расходников, а также без определенной квалификации и полного понимания процессов, происходящих в устройстве.

В передатчике первичным генератором импульсов служит интегральный таймер, частота следования импульсов задается номиналами резисторов и конденсатора. Чтобы увеличить генерируемую частоту, емкость и (или) сопротивление надо уменьшить и наоборот. Сформированные импульсы управляют ключом, через который напряжение источника 5 VDC подается в передающую катушку, в которой возникают мощные импульсы тока. Посредством магнитного поля в приемной катушке возникает ЭДС. Катушка и первый конденсатор образуют колебательный контур, собственная частота которого равна частоте передатчика. Возникшие в контуре импульсы выпрямляются диодом VD, сглаживаются вторым конденсатором. Выходное напряжение стабилизируется микросхемой 7805 и подается на аккумулятор гаджета.

Рекомендуем ознакомиться: Как разобрать смартфон с несъемным аккумулятором

Процесс изготовления

Начать изготовление самодельного устройства лучше с передающей части. Таймер с обвязкой можно разместить на кусочке монтажной платы, а если есть навыки – можно изготовить печатную плату. Там же надо расположить транзистор, но лучше сразу предусмотреть для него место под небольшой радиатор. В процессе работы ключевой элемент может заметно нагреваться.

Передающую катушку лучше сделать плоской – это лучше с точки зрения КПД передачи энергии. Для ее изготовления потребуется медный провод в лаковой изоляции. Ориентироваться надо на толщину около 1 мм. Чем толще провод, тем меньше потери, но тем больше габариты катушки при том же количестве витков. А их надо намотать около 25. Витки катушки укладывают на плоскость (удобно использовать коробочку для компьютерного компакт-диска) и заливают эпоксидным компаундом (хотя это не обязательно, но заливка придаст конструкции прочность).

При заливке не надо забывать вывести наружу выводы катушки.

Выводы зачищаются и припаиваются согласно схеме. На этом сборка передатчика закончена.

Перед сборкой приемной части надо определить, уместится ли узел внутри телефона или планшета, а если уместится – то как его там расположить и закрепить.

Если возникнут неразрешимые проблемы, можно собрать приемник по упрощенной схеме, но в этом случае имеется недостаток – выходное напряжение не будет стабилизировано. Это может быть вредно для аккумулятора. Лучше добавить к такой схеме стабилитрон (параллельно выходу) на напряжение около 5 вольт, если позволит место.

Катушка приемника содержит те же 25 витков, но более тонкого провода. Его толщина должна быть 0,3..0,4 мм, иначе катушку в корпус не уместить. Конструкция приемной катушки также должна быть плоской.

Подключать выход приемника к аккумулятору или контроллеру зарядки надо после окончания проверки работоспособности самоделки.

Проверка и первое включение

Сначала включается передающая часть. Если при этом отсутствует дым и запах горелой изоляции, значит, первый этап прошел удачно. Далее при наличии осциллографа надо проверить наличие импульсов на передающей катушке. Если осциллографа нет, можно приложить катушку приемной части к включенному передатчику и проверить напряжение на выходе. Если приемник выполнялся по первой схеме, надо подобрать конденсатор колебательного контура так, чтобы напряжение на входе стабилизатора было наибольшим. Потом надо замерить напряжение на выходе приемной части. Если оно равно 5 вольтам для первого варианта приемника или составляет от 3,7 до 5 для второго варианта, можно подключать выход приемной части к телефону или напрямую к аккумулятору и проверять работу зарядки.

Очевидно, что сделать сделать беспроводную зарядку самому не так сложно. Если задача стоит в познавательных целях, то ее решение позволит прокачать навыки электронщика. Если в практических – есть смысл подумать о реальных преимуществах такого устройства перед тем, как приступить к его изготовлению.

Видео

Сборка беспроводной зарядки из обычного ЗУ, без использования транзисторов