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 ”Încărcarea wireless, o privire mai de aproape”, să avansăm puțin mai adînc în subiect, și să aruncăm o privire mai inginerească sistemului de încărcare fără fir.

Încărcarea wireless, o privire mai de aproape – identificare componente

Ne vom juca cu un Nillkin Magic Disk 2 cu care încărcăm un telefon Lumia 830. Acesta vine din fabricație cu posibilitatea de încărcare wireless, în timp ce multe alte modele au nevoie de capac special sau o husă specială. Ce-i așa de „special”?

Bobina de cupru – telefon

O simplă bobină de cupru, suficient de subțire cât să aibă loc în carcasa telefonului, dar suficient de groasă cât să poată suporta un curent de 1A. Bobina se termină cu două sau mai multe contacte, care se conectează la telefon prin contacte elastice.

Bobina de cupru – încărcător

Să privim și ce avem pe partea încărcătorului. Acesta s-a demontat foarte ușor, după deșurubarea celor 4 șuruburi din spatele piciorușelor de cauciuc.

Aici avem o altă bobină, de data aceasta bobinată cu Litzwire, care este de fapt un mănunchi de mai multe sârme foarte subțiri. Acest tip de bobină prezintă dezavantajul unui cost ridicat, dar are două avantaje faţă de o singură sârmă groasă. În primul rând este mult mai ușor de îndoit și bobinat, ceea ce reduce costul de producție. În al doilea rînd, efectul pelicular este redus substanțial. La curenți mari și frecvențe ridicate, curentul are tendința să meargă doar pe exteriorul conductorului, densitatea de curent fiind maximă la suprafață. E lesne de înțeles că 20 de sârme mai subțiri au o suprafață mai mare decât o singură sârmă mai groasă. Această bobină este montată pe un disc de ferită.

Transformatorul

Atunci când punem telefonul cu bobina sa de pe capac deasupra bobinei încărcătorului, obținem un transformator. Avem aceleași trei elemente importante: un primar (bobina încărcătorului), un secundar (bobina telefonului) și un miez magnetic (discul de ferita). Spre deosebire de un transformator, cele două bobine nu se află pe același 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 când este cât se poate de aproape de bobina încărcătorului are 15 μH, cu factor de calitate ceva mai prost, de 15.

Circuitul de comandă

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

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.

Circuitul de putere

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

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

Până aici, înțelegem că există un microcontroler care face un circuit LC rezonant să oscileze.

LED-urile (9) sunt comandate de microcontroler și se aprind când se încarcă o baterie. Încep să se aprindă intermitent atunci când bateria este încărcată. Intensitatea lor luminoasă se adaptează la lumina ambientală prin intermediul foto-rezistenței (8).

Încărcarea wireless, o privire mai de aproape – funcționare

Acum că am analizat încărcătorul la modul vizual, să vedem şi cum funcționează. Am ales să vedem niște 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 informații.

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.

Detaliu din timpul funcţionării:

În continuare să vedem ce se întîmplă cînd aşezăm telefonul.

Forma de undă a curentului și a tensiunii începe să se apropie mai mult de o formă sinusoidală. Tensiunea pe bobină este aproape în fază cu curentul prin bobină. Defazajul ușor al tensiunii în fața curentului ne arată că sarcina este ușor inductivă, dar destul de aproape de rezonanță.

Valoarea la vârf a curentului este între 1.5A şi 4A vârf la vârf, în funcție de poziția telefonului. La o asemenea energie plimbată prin circuitul LC, pierderile de putere prin conducție contează foarte mult. Pierderile duc la scăderea randamentului. Cu cât încărcătorul și telefonul sunt mai prost aliniate, cu atât pierderile de putere sunt mai mari și randamentul este mai mic.

Funcționarea generatorului de câmp

Iată așadar funcționarea generatorului de câmp magnetic. Bobina telefonului preia câmpul magnetic generat de încărcător, îl redresează, și îl aplică bateriei. Rămâne întrebarea cum se face comunicația de date de la telefon către încărcător? De unde știe încărcătorul când să oprească încărcarea?

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

Observăm așadar o modulație a curentului, cât și a tensiunii pe bobină. Observăm alternarea unor pulsuri de lățime mai mare cu altele de lățime mai mică. Ca și cum rezonanța este alterată de introducerea unui element parazit în circuitul secundar.

Așadar, telefonul comută un condensator în paralel cu bobina sa. Astfel schimbă frecvența de rezonanță a transformatorului, iar curentul crește. Variația de amplitudine a curentului este sesizată de microcontrolerul încărcătorului, care interpretează secvența de impulsuri. Așadar se pare că avem un protocol serial asincron, cu modulație a datelor în lățime a impulsurilor.

Interfața de debug

Ultima curiozitate ar fi interfața 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, și 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

Câte o secvență se trimite de câteva ori pe secundă. Valorile se schimbă când mișc poziția telefonului pe încărcător. Nu pot să îmi dau seama fiecare ce reprezintă.

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