Zasilacz bezprzewodowy

Układ składa się z dwóch bloków, nadajnika oraz odbiornika z prostownikiem i filtrem dostarczającym napięcia stałego. Schemat nadajnika przedstawiono na rysunku 1, a odbiornika na rysunku 2. Tym razem, zrezygnowałem ze stosowania specjalizowanych układów bezprzewodowej transmisji mocy (WPT), na rzecz standardowych dostępnych powszechnie elementów. Ma to oczywiście wady w postaci gorszych parametrów układu, ale otwiera drogę do eksperymentów z mocą, zasięgiem oraz funkcją zestawu (zasilacz, ładowarka itp.).

Rysunek 1. Schemat ideowy nadajnika

Rysunek 2. Schemat ideowy odbiornika

Nadajnik pracuje przekazując energię przez będące w rezonansie obwody w.cz odbiornika i nadajnika. Układ U1 (MIC1557) jest uproszczoną wersją NE555. W nadajniku jest generatorem sygnału prostokątnego o wypełnieniu 50%. Częstotliwość oscylacji jest ustalona poprzez R1/C1 na ok. 100 kHz. Sygnał wyjściowy generatora jest podawany na obwody formujące złożone z diod D1, D2, kondensatorów C2, C3 oraz rezystorów R3, R4, zapobiegające równoczesnemu przewodzeniu tranzystorów mocy. Sygnały sterujące bramkami doprowadzone są do bufora U2 (TC4428) zapewniającego szybkie przeładowanie pojemności bramek Q1, Q2. Tranzystory sterowane są sygnałem komplementarnym. Obciążeniem drenów jest obwód rezonansowy złożony z cewki LTX i kondensatorów C7…C9, Cx z ustaloną na 100 kHz częstotliwością rezonansową. Dławiki L1, L2 filtrują zakłócenia z obwodu rezonansowego, kondensatory C10, C11, CE2, CE3 filtrują zasilanie. Nadajnik zasilany jest przez złącze PWR. Do zasilania U1 napięciem 3,3 V wykorzystano dodatkowy stabilizator U3. Zwiększa to stabilność częstotliwości przebiegu 100 kHz. LED PR sygnalizuje obecność zasilania. Nadajnik, w zależności od poziomu promieniowanej mocy, można zasilać napięciem 5…13,8 V.

Odbiornik zrealizowano najprościej, jak to możliwe. Sygnał z odbiorczego obwodu rezonansowego złożonego z cewki LRX i kondensatorów C1…C3, Cx jest prostowany mostkiem zbudowanym z diod Schottky'ego D1…D4. Napięcie jest filtrowane za pomocą kondensatorów CE1, CE2. Transil D5 zapobiega przekroczeniu napięcia 56 V w przypadku pracy bez obciążenia.

Układ zmontowany jest na dwóch (nadajnik/odbiornik) niewielkich dwustronnych płytkach drukowanych, których schemat montażowy pokazano na rysunku 3. Montaż układu nie wymaga opisu. Do poprawnej pracy odstęp cewek nadawczej o odbiorczej powinien mieścić się w zakresie 1…4 mm. Istotne jest wzajemne położenie środków cewek, co wymaga uwzględnienia przy aplikacji zasilacza. Do tranzystorów warto dokleić niewielkie radiatory BGA.

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów na płytkach nadajnika i odbiornika

Do prób modułu wykorzystano przetwornicę obniżająca opartą o LM2596HV, dostępną na aukcjach internetowych. Pracuje ona poprawnie w zakresie napięcia wejściowego 7,5…50 V przy prądzie wyjściowym do 3 A. Przetwornica jest zasilana bezpośrednio z wyjścia PWR odbiornika. Podczas testów odległość cewki odbiorczej i nadawczej ustalono na 2 mm za pomocą izolacji tekstolitowej. W zależności od tolerancji elementów obwodu rezonansowego warto sprawić jego zestrojenie i ewentualnie dobrać dodatkowy kondensator Cx dla uzyskania maksymalnej sprawności odbiornika i nadajnika. Należy pamiętać o ograniczeniach tak prostego układu, jakim jest np.: odstrajanie obwodu rezonansowego nadajnika w zależności od obciążenia cewki odbiorczej i brak zwrotnego sterowania mocą nadajnika, co zwiększa straty przy małym obciążeniu. Układ nie ma zabezpieczenia przeciążeniowego, wymaga zasilania z zasilacza z ograniczeniem prądowym.

Wyniki pomiarów modelu dla wartości napięcia wyjściowego przetwornicy umieszczono w tabeli 1. Nie jest zaskoczeniem, że wraz ze wzrostem napięcia zasilania możliwe jest przesłanie większej mocy. Rośnie też sprawność transmisji (wartość zawiera w sobie także sprawność przetwornicy LM2596HV). Dla typowego zastosowania, jakim jest na przykład, ładowanie telefonu napięciem 5 V, możliwie jest osiągnięcie mocy do 5 W przy sprawności mniejszej od 50%. Szczególnie dobre wyniki otrzymuje się przy zasilaniu nadajnika napięciem 12 V i napięciu wyjściowym przetwornicy ustawionym na 12 lub 24 V. Możliwa jest wtedy transmisja mocy 10…20 W przy sprawności dochodzącej do 77%. Napięcie Vrx jest to napięcie na wyjściu odbiornika. Należy pamiętać, że praca odbiornika bez obciążenia spowoduje narastanie napięcia wyjściowego aż do zadziałania transila D5. Odbiornik jest źródłem energii o stosunkowo dużej rezystancji wyjściowej, co mocno uzależnia sprawność przekazu od obciążenia.

W ramach eksperymentów warto spróbować zasilania z odbiornika przetwornic z wbudowanym algorytmem śledzenia mocy maksymalnej MPPT, odpowiednio dobierając napięcie w punkcie mocy maksymalnej.

Adam Tatuś, EP