ĐỒ ÁN Nghiên cứu và thiết kế mạch sạc điện thoại di động không dây

hướng dẫn thiết kế mạch sạc không dây đơn giản từ nguyên lý đến thi công mạch.mạch có khả năng hoạt động cao tuy nhiên khoảng cách và hiệu suất thấp thích hợp để nghiên cứu lý thuyết cho sinh viên.Hiện nay thì ngành điện tử và điện công nghiệp đang rất phát triển,nó được áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tự động hóa, sản xuất công nghiệp và còn nhiều lĩnh vực khác nữa. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kĩ thuật trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Nghành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những hiệu quá đáng kể. Từ những lí do đó chúng em thực hành lắp đặt các mạch điện tử để phần nào hiểu được nguyên lí hoạt động của một số mạch điện tử cơ bản,từ đó nâng cao kiến thức để tìm tòi và nguyên cứu các kiến thức điện tử,đáp ứng nhu cầu của nghành và môn học.

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay thì ngành điện tử và điện công nghiệp đang rất phát triển,nó được áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tự động hóa, sản xuất công nghiệp và còn nhiều lĩnh vực khác nữa

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kĩ thuật trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Nghành điện tử nói chung đã có những bướctiến vượt bậc và mang lại những hiệu quá đáng kể

Từ những lí do đó chúng em thực hành lắp đặt các mạch điện tử để phần nào hiểu được nguyên lí hoạt động của một số mạch điện tử cơ bản,từ đó nâng cao kiến thức để tìm tòi và nguyên cứu các kiến thức điện tử,đáp ứng nhu cầu của nghành và môn học

Được sự hướng dẫn của thầy: VŨ VIỆT HƯNG và dựa trên các kiến thức và tài liệu tham khảo,chúng em

đã hoàn thành việc lắp đặt mạch,nhưng bên cạnh đó cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót,chúng em rất mong nhận được những ý kiến của thầy cô và các bạn

Dưới đây là nội dung chính báo cáo thực tập của chúng em

 Giới thiệu về đề tài

Chương 2: Tìm hiểu chung về năng lượng cho điện

thoại di động

 Giới thiệu chung về pin

 Pin cho thiết bị di động

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

 Hiện tượng cảm ứng điện từ

 Lý thuyết Maxwell

 Đinh luật Lenz

 Mạch dao động LC

Chương 4:Cơ cấu mạch,sơ đồ nguyên lý,nguyên lý hoạt

động,giới thiệu một số linh kiện chính

Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài

Mục đích đề tài

-Đưa ứng dụng truyền điện không dây ứng dụng thực tế, giúp việc sạc điện thoại tiện lợi và linhhoạt hơn

-Hạn chế bất lợi và nguy hiểm so với sác điện thoại di dộng bằng dây sạc thông thường

Giới thiệu chung về đề tài:

-Sạc pin không dây (wireless charging) là khái niệm dùng để chỉ loại sạc cảm ứng, không cần đến dây cáp nối thiết bị với nguồn điện

-Dựa vào lý thuyết lan truyền sóng điện từ

-Thiết kế mạch nạp điện không dây cho điện thoạitrong bán kính từ 2cm đến 5 cm( thấy rõ sự truyền điện không dây)

-Mạch gồm 2 khối chính: thu và phát

-Thời gian sạc sẽ tùy vào từng loại pin

Chương 2: Tìm hiểu chung về năng lượng cho điện

thoại di động

Giới thiệu chung về pin:

-Lịch sử phát triển của Pin hiện đại bắt đầu vào năm

1800 khi nhà vật lý người Italia Alessandro Volta phát minh ra Pin Volta Volta đã xếp chồng nhiều tấm kim loại kẽm và bạc xen kẽ ( điện cực ) được ngăn cách bởicác tấm bìa nhúng nước

muối ( chất điện môi ) Khi

hai tấm trên cùng và dưới

cùng được kết nối bằng dây

dẫn, một dòng điện sẽ chạy

qua dây dẫn và chồng kim

loại Khi chồng kim loại

ngày càng được chất cao,

Pin Volta

lực điện cũng trở nên mạnh hơn

 Pin hoạt động ra sao

-Theo cách hiểu đơn giản nhất thì Pin là một thiết bị chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng điện Các loại Pin ngày nay như Pin AA, C hay D đều

có 2 cực Một là cực dương (+) và một là cực âm (-) Bên trong Pin chứa các thành phần hoạt động giống như chồng kim loại mà Volta đã sử dụng, tức các tấm kim loại để làm điện cực và một chất có tác dụng như nước muối để làm chất điện phân Các điện cực khôngtiếp xúc với nhau nhưng được nối lại bằng chất điện phân.

-Khi bạn nối một dây dẫn giữa hai cực âm và dương, các điện tử ( Electron )

sẽ chạy từ cực âm đến

cực dương Khi một

thiết bị điện như bóng

đèn đươc nối với Pin,

nó sẽ hoạt động được

nhờ dòng điện chạy qua

-Lực điện chạy qua các cực của một ngăn Pin được gọi là điện áp điện cực và được tính bằng Volt ( V )

Độ lớn của điện áp phụ thuộc vào các phản ứng hóa học bên trong ngăn Pin, vì thế việc sử dụng các hóa chất khác nhau sẽ cho ra các điện áp khác nhau

 Các loại Pin

-Pin ngày nay được sử dụng trong rất nhiều thiết bị vàđược chia làm hai nhóm chính: không sạc lại được và sạc lại được

+Pin không sạc được:

-Pin Kẽm-Carbon, còn gọi là Pin Carbon chuẩn được

sử dụng trong nhiều loại Pin khô AA, C và D Các điện cực làm từ Kẽm và Carbon

Chất điện phân là hỗn hợp axit Các Pin này tạo ra điện áp 1.5 V

-Pin Alkaline thường được các hãng như Duracell hayEnergizer chế tạo Điện cực làm từ Kẽm và Oxit

Mangan Điện phân là Alkaline, cũng có điện áp 1.5

trong các thiết bị cầm tay có dòng điện thấp và được

sử dụng liên tục như đồng hồ và điều khiển từ xa Pin dùng một lần thường không đủ cho các thiết bị hao Pin như máy ảnh kỹ thuật số Tuy nhiên ngày nay một

số loại Pin cao cấp dùng một lần đã được cải tiến để

sử dụng cho các thiết bị này

+Pin sạc được:

-Ví dụ như Pin Axit- Chì trong ô tô, điện cực làm từ chì và oxit chì, còn chất điện phân là axit đặc

-Trong Pin Nickel-Cadmium (NiCd), điện cực là

Hidroxit Nickel và Cadmium, còn chất điện phân là Hidroxit Potassium

-Pin NiCd có thể tạo ra dòng điện mạnh và sạc trong thời gian ngắn ở điện áp cao, nhưng chúng cũng có

nhược điểm gọi là hiệu ứng

-Cả 2 loại Pin này đều sinh ra điện áp 1.2 V, thấp hơn một chút so với Pin Kẽm-Carbon hay Pin Alkaline Tất cả các Pin sạc đều mất đần điện năng Ví dụ như khi không sử dụng, Pin Hydrua Kim loại - Nickel sẽ

tự mất từ 20% đến 50% điện năng trong vòng 6 tháng.Các nhân tố như nhiệt độ nơi lưu trữ cũng ảnh hưởng

đến tốc độ này

-Pin Ion Lithium (Li-ion)

lại dùng Lithium và Carbon làm điện cực Chúng có tỉ

lệ điện năng / khối lượng rất tốt và tốc độ tự hao hụt khi không sử dụng thấp, vì thế chúng thường được dùng trong laptop và điện thoại cao cấp

-Các Pin sạc như NiMH khi bán ra thường chưa có điện và bạn phải sạc trước khi dùng, nhưng giờ đây một số Pin sạc sẵn đã xuất hiện

 Pin cho thiết bị di động:

-Trong hầu hết mọi thiết bị đi động, pin là một thành phần không thể thiếu, cung cấp năng lượng điện để các thiết bị này hoạt động Hầu hết các thiết bị di độngngày nay đều sử dụng pin Lithium hay đôi khi còn được gọi là pin Li-ion

-Pin Li-Ion là công nghệ pin được thương mại hóa cách đây khá lâu bởi Sony từ năm 1991, nhưng gần đây nó mới chính thức được ứng dụng rộng rãi và

xuất hiện trong khoảng hơn một năm trở lại đây trên khá nhiều thiết bị cầm tay (hiện nay xuất hiện trên cả

xe ô tô chạy năng lượng điện) Về bản chất, loại pin này không khác nhiều so với pin Li-Po, nhưng nó

được bổ sung thêm một vi mạch kiểm soát dòng điện

và nhiệt độ để giữ an toàn cho pin và thông báo tình trạng pin cho thiết bị đang sử dụng Nhờ vậy, pin Li-Ion mang lại thời lượng sử dụng lâu hơn và cũng giúp người sử dụng dễ dàng quản lý việc sử dụng hơn so với loại pin khác

 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

-Các loại pin Lithium cơ bản cũng được cấu thành bởi

2 thành phần chính bên trong gồm một cặp điện cực

và chất điện phân giữa 2 điện cực này

Bên trong 1 cell(Li-ion)

-Vật liệu được dùng làm điện cực khá đa dạng, từ thanchì, Lithium cho đến các sợi nano (nanowire); nhưng nhìn chung phổ biến nhất vẫn là Lithium vì thành

phần kim loại này có khả năng điện hóa học cao Tuy nhiên, trong tự nhiên, Lithium không có ở dạng đơn chất; và tương tự như các kim loại kiềm khác, nó rất

dễ phản ứng với nước gây cháy Vì vậy, để an toàn hơn cho người dùng, hầu hết pin đều sử dụng thành phần hỗn hợp Lithium và Coban làm điện cực Chất điện phân sử dụng trong pin Lithium thường là những chất dung môi hữu cơ để các electron (điện tử) có thể

di chuyển giữa 2 điện cực

-Khi pin Lithium được sạc, các phần tử Lithium

Coban oxit sẽ lưu giữ đầy các electron Một khi ngườidùng sử dụng pin để cấp nguồn cho các thiết bị di động, các electron này sẽ được giải phóng sinh ra

năng lượng điện nuôi thiết bị đó

 Dung lượng pin:

-Pin Li-Ion suy giảm chất lượng theo thời gian bất kể người sử dụng có dùng nó hay không

-Dung lượng pin được đo đạc và tính toán bằng đơn vịmAh (miliamper-hour) Con số biểu thị dung lượng pin có ý nghĩa thông báo cho người dùng biết lượng điện năng mà pin có thể sản sinh trong một khoảng thời gian xác định Ví dụ, nếu dung lượng pin có giá trị là 1.000 mAh, pin có thể sản sinh ra một năng

lượng điện ở mức 1.000 mA (miliamper) cho một giờ liền Nếu thiết bị của người dùng chỉ cần một nguồn

năng lượng ở mức 500 mA, lúc này thời lượng pin sẽ tăng lên đến 2 giờ sử dụng trước khi pin hoàn toàn cạn kiệt.

-Tuy có nhiều ưu điểm hơn các loại pin sạc khác,nhưng pin Lithium lại có nhược điểm là dễ cháy nổ khi dòng điện ra vào quá nhanh Chính vì điều này màviệc sạc pin cần phải được kiểm soát nghiêm ngặt Các nhà sản xuất pin đã tích hợp thêm vào bộ sạc pin một mạch điều khiển nhằm kiểm soát cường độ dòng điện đưa vào pin tương ứng với từng mức dung lượng

cụ thể khi sạc

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

 Hiện tượng cảm ứng điện từ:

-Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với

nhau, lan truyền trong không gian như sóng

-Bản chất của bức xạ điện từ là dòng điện cótần số càng cao thì bức

xạ càng

mạnh và năng lượng mạng theo càng lớn, khả năng xuyên thấu vật cản càng nhiều.

-Năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện Dòng điện đóđược gọi là dòng điện cảm ứng Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm Faraday

 Sơ đồ thí nghiệm Faraday:

-Lấy một ống dây điện và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín (hình a)

-Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm 2 cực SN +Thí nghiệm cho thấy:

-Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình b)

-Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn

-Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không

-Nếu thay nam châm

-Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:

+Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian

là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong

Lý thuyết Maxwell:

-Các luận điểm của Maxwell:

-Luận điểm thứ nhất: Tại một điểm bất kì trong

vùng không gian, nếu có từ trường biến thiên thì vùngkhông gian đó sẽ xuất hiện điện trường xoáy

-Luận điểm thứ 2: Bất kỳ một điện trường nào

biến thiên theo thời gian cũng sinh ra từ trường xoáy

Định luật lenz:

-Định luật nói rằng: Dòng điện cảm ứng phải có

chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó

Mạch dao động LC:

-Mạch gồm một cuộn dây và 1 tụ điện mắc song song.-Trao đổi qua lai giữa điện trường của tụ và từ trường của cuộn dây

-Đến một tần số đủ cao -> xuất hiện sóng điện từtrong mạch cộng hưởng và bức xạ vào không gian

Chương 4: Cơ cấu mạch,sơ đồ nguyên lý,nguyên lý hoạt động,giới thiệu một số linh kiện chính

-Khái niệm: Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên lí cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều

từ điện áp cấp này sang điện áp khác,với tần số khôngđổi

-Cấu tạo máy biến áp hạ áp:

+ Lõi thép:

-Nhiệm vụ: Là mạch từ làm khung để quấn dây, có cấu tạo từ các lá thép kĩ thuật điện,được định dạng và ghép cách điện với nhau để tránh dòng xoáy Faco

-Thiết diện của trụ từ có hình dạng là hình chữ

nhật,vuông hoặc hình tròn hoặc hình thang,hình chữ nhật cho kết cấu đơn giản nhưng khi quấn dây không chặt sẽ gây nên tiếng kêu khi làm việc

-Diện tích thiết diện của trụ từ quyết định đến công suất, hoặc số vòng dây quấn xét về mặt cấu tạo

+Dây quấn: Dây quấn máy biến áp đươc chế tạo từ đồng hoặc nhôm

 Mạch tạo dao động và điều chỉnh độ rộng xung:

- Dùng IC55 để tạo dao động

- Vì IC 555 luôn có độ rộng xung >=50%, để điều chỉnh độ rộng xung trong khoảng 20% ~ 50% ta lắp thêm diode phân cực thuận để đảm bảo dòng nạp qua R1 đến diode nạp thẳng tới tụ mà không qua R2, khi đó; Tnạp = 0.7R1C

Txả = 0.7R2C

Ta có thể điều chỉnh xung hợp lý thông qua R1 và R2

Ở mạch với độ rông xung là ~30% tần số ~155kHz ta chọn: R1=R1’//R=1k//2k2=700

R2=2k2, tụ C2=4.72nF

 Khối khuếch đại:

Trong mạch này sử dụng Mosfet IRF540N để khuếch đại, ngoài ra Mosfet còn đóng vai trò như công tắc đóng mở điều khiển dòng cấp vào cuộn LC.

 Khung cộng hưởng LC:

Khung cộng hưởng nhận được dòng qua

Mosfet, xuất hiện một điện áp V làm khung dao động và xuất hiện sóng điện từ bức xạ ra ngoài môi trường

 Khối chỉnh lưu: dùng diode xung FR207 để chỉnh

lưu nửa chu kỳ

 Khối ổn áp : Để đảm bảo nguồn đưa vào pin điện

thoại là 5V, ta dụng ổn áp LM7805

 Nguyên lý hoạt động:

 Sơ đồ nguyên lý:

+Bên phát:

R3:tạo điện áp cho IC so sánh ở chấn số 2 và 6C3: lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

-Khi đó xung sẽ được tạo ra ở chân số 3 đi qua R4 và làm sáng D2-đóng vai trò là đèn báo,đồng thời xung được đưa đến chân G của IRF540N.Mosfet

khuếch đại tín hiệu xung và đưa tới khung cộng

hưởng LC

-Khung cộng hưởng nhận được dòng qua

Mosfet, xuất hiện một điện áp V làm khung dao động

và xuất hiện sóng điện từ bức xạ ra ngoài môi trường

+Bên thu:

-Sóng điện từ bức xạ ra ngoài môi trường với tần

số ~155kHz cộng hưởng với khung LC bên thu tạo ra suất điện động.Điện áp này là xoay chiều,khi qua

diode FR207 chỉnh lưu nửa chu kì Để đảm bảo

nguồn đưa vào pin điện thoại là 5V, ta dụng ổn áp

7805 Tụ C2: đóng vài trò là tụ lọc nguồn

 Giới thiệu một số linh kiện chính:

 IC555:

-IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ

với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ

 Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

 Cấu tạo IC555:

Cấu tạo trong IC555

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp

hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy

tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 -

>0.75V)

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái

ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ

ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay

đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chânnày có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm

trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những

chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùngnhư 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này

như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điệncho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân

cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555)

 Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

-Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của

555 gồm : 2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1