Acasă / Atelier / Putere / Incarcatoare / Încărcarea wireless, o privire mai de aproape

Încărcarea wireless, o privire mai de aproape

Tot mai multe dispozitive mobile şi gadget-uri încep să aibă posibilitatea de încărcare fără fir. Conceptul, deși vechi și relativ simplu, este destul de recent disponibil comercial. Articole despre încărcătoare wireless se găsesc destul de ușor, chiar și în limba romînă, o simplă căutare Google ne lămurește cîteva întrebări de bază. Propun prin acest articol să avansăm puțin mai adînc în subiect, și să aruncăm o privire mai inginerească sistemului de încărcare fără fir.

Ne vom juca cu un Nillkin Magic Disk 2 cu care încărcăm un telefon Lumia 830. Acesta vine din fabricaţie cu posibilitatea de încărcare wireless, în timp ce multe alte modele au nevoie de capac special sau o husă specială. Ce-i aşa de „special”? O simplă bobină de cupru, suficient de subţire cît să aibă loc în carcasa telefonului, dar suficient de groasă cît să poată suporta un curent de 1A. Bobina se termină cu două sau mai multe contacte, care se conectează la telefon prin contacte elastice.

capac

Să privim şi ce avem pe partea încărcătorului. Acesta s-a demontat foarte uşor, după deşurubarea celor 4 şuruburi din spatele picioruşelor de cauciuc.

incarcator

Aici avem o altă bobină, de data aceasta bobinată cu Litzwire, care este de fapt un mănunchi de mai multe sîrme foarte subţiri. Acest tip de bobină prezintă dezavantajul unui cost ridicat, dar are două avantaje faţă de o singură sîrmă groasă. În primul rînd este mult mai uşor de îndoit şi bobinat, ceea ce reduce costul de producţie. În al doilea rînd, efectul pelicular este redus substanţial. La curenţi mari şi frecvenţe ridicate, curentul are tendinţa să meargă doar pe exteriorul conductorului, densitatea de curent fiind maximă la suprafaţă. E lesne de înţeles că 20 de sîrme mai subţiri au o suprafaţă mai mare decît o singură sîrmă mai groasă.

Această bobină este montată pe un disc de ferită.

Atunci cînd punem telefonul cu bobina sa de pe capac deasupra bobinei încărcătorului, obţinem un transformator. Avem aceleaşi trei elemente importante: un primar (bobina încărcătorului), un secundar (bobina telefonului) şi un miez magnetic (discul de ferita). Spre deosebire de un transformator, cele două bobine nu se află pe acelaşi miez, astfel factorul de cuplaj este mult mai slab.

Dacă măsurăm bobina încărcătorului, observăm că are 6.5 μH, cu un factor de calitate de 50, măsurat la 100KHz. Acesta corespunde unui ESR de doar 100 miliohmi.

Bobina telefonului atunci cînd este cît se poate de aproape de bobina încărcătorului are 15 μH, cu factor de calitate ceva mai prost, de 15.

Pînă acum am identificat un transformator. Dar știm că transformatoarele merg doar în curent alternativ, pe cînd USB-ul ne dă curent continuu. Să vedem ce găsim dacă scoatem complet placa încărcătorului și privim pe cealaltă parte.

placa

La prima vedere arată surprinzător pentru categoria consumer electronics. Sîntem obișnuiți cu integrate nemarcate, SOIC-uri hibride și mult lipici care ne asigură că cea mai mică intervenție duce la distrugerea plăcii. Nu, dimpotrivă. Toate componentele sînt notate, nici unul nu e șters. Componentele QFP și SOIC permit intervenția cu mare ușurință. Există multe componente simple precum rezistoare, condensatoare și tranzistoare, cu valoarea notată.

Putem separa ușor partea de control aflată în stînga plăcii, de partea de putere, aflată în stînga.

Încărcătorul se alimentează de la o mufă Micro-USB de tip B, notată în poză cu 1.

Bobina aflată pe verso este conectată la placă prin 2 fire lipite, notate cu 2. Bobina are în serie 4 condensatoare conectate în paralel, notate cu 6. Așadar, avem un circuit LC rezonant. Funcționarea la rezonanță asigură energie maximă care se plimbă între condensator și bobină.

Circuitul LC rezonant este comandat în comutație de două semipunți (3). Această configurație se numește Full Bridge. Practic ambele capete ale circuitului LC pot fi comutate la +5V sau la masă.

Puntea este controlată de 4 drivere discrete (4), cu bipolare în configurație totem pole, fiecare driver avînd două tranzistoare complementare.

Driverele și respectiv puntea este comandată de la un microcontroller (5) de tip GPMQ8005A. Foaia de catalog a acestuia poate fi consultată aici: http://datasheet.d4usemicon.netdna-cdn.com/pdf/738529/GPMQ8005A.pdf

Pînă aici, înțelegem că există un microcontroller care face un circuit LC rezonant să oscileze.

LED-urile (9) sînt comandate de microcontroller și se aprind cînd se încarcă o baterie. Încep să se aprindă intermitent atunci cînd bateria este încărcată. Intensitatea lor luminoasă se adaptează la lumina ambientală prin intermediul fotorezistenței (8).

Acum că am analizat încărcătorul la modul vizual, să vedem şi cum funcţionează. Am ales să vedem nişte forme de undă pe un osciloscop Tektronix digital, la o firmă, întrucît osciloscopul meu rusesc analogic cu două canale nu ne oferă la fel de multe informaţii.

Am legat două sonde pe canalele 1 şi 2 la bornele bobinei. Canalul 4 este legat la o sondă de curent care să ne arate curentul prin bobină. Lăsat fără sarcină, încărcătorul porneşte 70ms, apoi se opreşte timp de 500ms, după care porneşte din nou. Aparent caută  ceva ce se poate încărca. Nu găseşte nimic timp de 70ms, se dă bătut, şi încearcă din nou mai tîrziu. Frecvenţa este de 170KHz.

 

 

 

 

 

1

 

Detaliu din timpul funcţionării:

2

În continuare să vedem ce se întîmplă cînd aşezăm telefonul.

3

Forma de undă a curentului şi a tensiunii începe să se apropie mai mult de o formă sinusoidală. Tensiunea pe bobină este aproape în fază cu curentul prin bobină. Defazajul uşor al tensiunii în faţa curentului ne arată că sarcina este uşor inductivă, dar destul de aproape de rezonanţă. Valoarea la vîrf a curentului este între 1.5A şi 4A vîrf la vîrf, în funcţie de poziţia telefonului.  La o asemenea energie plimbată prin circuitul LC, pierderile de putere prin conducţie contează foarte mult. Pierderile duc la scăderea randamentului. Cu cît încărcătorul şi telefonul sînt mai prost aliniate, cu atît pierderile de putere sînt mai mari, şi randamentul este mai mic.

Iată aşadar funcţionarea generatorului de cîmp magnetic. Bobina telefonului preia cîmpul magnetic generat de încărcător, îl redresează, şi îl aplică bateriei. Rămîne întrebarea cum se face comunicaţia de date de la telefon către încărcător? De unde ştie încărcătorul cînd să oprească încărcarea?

Răspunsul îl aflăm dacă dăm un Zoom Out imaginii de mai sus.

4

Observăm aşadar o modulaţie a curentului, cît şi a tensiunii pe bobină. Observăm alternarea unor pulsuri de lăţime mai mare cu altele de lăţime mai mică. Ca şi cum rezonanţa este alterată de introducerea unui element parazit în circuitul secundar.

Aşadar, telefonul comută un condensator în paralel cu bobina sa. Astfel schimbă frecvenţa de rezonanţă a transformatorului, iar curentul creşte. Variaţia de amplitudine a curentului este sesizată de microcontrollerul încărcătorului, care interpretează secvenţa de impulsuri. Aşadar se pare că avem un protocol serial asincron, cu modulaţie a datelor în lăţime a impulsurilor.

Ultima curiozitate ar fi interfaţa de debug. Observăm pe placă notat cu (10), 4 pini. Cu osciloscopul mi-am dat seama că pare să fie o transmisie de tip RS232. Am conectat un cablu RS232 la un calculator personal , la 4800 baud, si am fost martorul unor numere separate prin virgula:
4, 907, 640, bd, 55, 3046
5, 907, 670, be, 55, 3046
5, 907, 679, bf, 55, 3046
5, 907, 722, c0, 55, 3046
5, 907, 686, c1, 55, 3046
5, 907, 733, c2, 55, 3046
5, 1158, 711, c3, 58, 4101
5, 1158, 822, c4, 58, 4101
5, 1158, 868, c5, 58, 4101
4, 1158, 763, c6, 58, 4101
5, 1158, 870, c7, 58, 4101
5, 1158, 691, c8, 58, 4101
4, 1158, 838, c9, 58, 4101
5, 1158, 868, ca, 58, 4101
5, 1355, 946, cb, 59, 4882
4, 1355, 973, cc, 59, 4882
5, 1355, 909, cd, 59, 4882
5, 1355, 1095, ce, 59, 4882
6, 1355, 1056, cf, 59, 4882
4, 1355, 1062, d1, 59, 4882
4, 1355, 806, d2, 59, 4882
4, 1355, 942, d3, 59, 4882
4, 1503, 1111, d4, 60, 5507
0, 1503, 1184, d5, 60, 5507
0, 1503, 852, d5, 60, 5507
0, 1503, 1058, d5, 60, 5507
0, 1503, 1001, d5, 60, 5507
0, 1503, 782, d5, 60, 5507
0, 1503, 1112, d5, 60, 5507
0, 1503, 783, d5, 60, 5507

Cîte o secvenţă se trimite de cîteva ori pe secundă. Valorile se schimbă cînd mişc poziţia telefonului pe încărcător. Nu pot să îmi dau seama fiecare ce reprezintă.

Astfel am realizat o analiză funcţională a unui sistem de încărcare wireless. Se cunoaşte că tehnologia este simplă şi încă la început. Sistemul este sigur, dar încă scump şi foarte ineficient.

 

Despre Cristian Grecu

Mă numesc Cristi, şi uneori sînt student la facultatea de electronică din Bucureşti. Consider electronica un domeniu infinit, cu cît învăţ mai mult, cu atît văd că marginile sale sînt tot mai departe.

6 Comentarii

  1. Toata stima pentru toata munca depusa in realizarea analizei si prezentarea datelor.

  2. Cand pasiunea se intalneste cu scoala… sar scantei!

    Felicitari!

  3. Aceasta tehnologie este total ineficienta si totodata daunatoare sanatatii in anumite situatii. Se preteaza in aplicatii unde pierderile nu sunt importante. Ex.: acumulatorul de la telecomanda masinii care se incarca cand cheia este in contact si motorul pornit. Se consuma f. multa energie in realizarea transferului. Viitorul este cel al superconductorilor si al supercondensatorilor (in cazul acumulatorilor)! Producatorii de echipamente mobile ofera tot felul „minunatii” doar ca sa poata scote banii din buzunarul clientului cu vezi doamne cea mai de ultima ora tehnologie. In realitate vorbind dam f. multi bani pe nimic special.
    Respect pentru munca depusa.
    Cei tineri si interesati, poate, vor intelege mai bine fenomenul ce sta in spatele acestei aplicatii. Cei mai in varsta il cunosc in proportie de 80%.

  4. Nu m-as pronunta asa grabit asupra eficientei. Incarcarea unui telefon necesita circa 5-10Wh; . Chiar daca randamentul este slab nu uitati ca mufa micro usb in circa 2 ani este conectata de peste 500 ori…..si ce contacte are ?? ajung sa schimb telefonul fiindca nu se mai incarca.. Este si mult mai comod ; si tot ce-i comod .. se plateste cu cativa Wh in plus . Mai mult aceasta tehnologie permite eliminarea ultimei ” GAURI” din telefon si de aici telefonul rezistent la apa : subacvatic sau „WaterProof” . Butoanele sunt etanse sau de atingere de mult. Chiar daca tehnologia este „aparent” veche aplicatia o consider SUPER OK!!

  5. Nu ajunge ca avem in casa destule unde electromagnetice?. Chestia asta este un moft si satisface lenesii si snobii!

  6. Pana se uzeaza acel conector se „demodeaza” telefonul ( din destept devine mai prost)!

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

*