3. Практическая часть и экспериментальная часть

3.1 Описание технических решений

В разрабатываемой системе беспроводной передачи энергии с индуктивной связью в цепь передатчика будет поступать на вход 15-25 В постоянного тока и в дальнейшем преобразовываться в высокочастотный сигнал с помощью генератора. Схема приемника будет принимать высокочастотный сигнал и преобразовывать мощность в постоянный ток для зарядки батареи. Рисунок 29 ниже иллюстрирует ключевые блоки рассматриваемой системы.

Рисунок 29. Основные блоки системы беспроводной передачи энергии с индуктивной связью

Основная функция схемы генератора - получить на выходе синусоидальную волну переменного тока. Это необходимо для того, чтобы создать сильное магнитное поле, поэтому требуется синусоидальный генератор с положительной обратной связью.

В качестве предмета для анализа были выбраны две микросхемы - SCY-5052-3 с тремя катушками, представленная на рисунке 30.

Рисунок 30. Микросхема SCY-5052-3

И AMT-3033HCDK-V1.0 с одной катушкой, представленная на рисунке 31.

Рисунок 31. Микросхема AMT-3033HCDK-V1.0

В таблице 4 представлено сравнение использованных микросхем от разных производителей.

Таблица 4. Сравнение микросхем

Дальнейшее моделирование двух катушек проводилось с использованием программного обеспечения LTspice, реализующее симулятор электронных схем SPICE SPICE: A Computer Program to Simulate Semiconductor Circuits, Laurence W. Nagel, Berkeley Technical Report No. UCB/ERL M520 1975, для сравнения переданного напряжения с напряжением, индуцированным в приемной катушке с различным коэффициентом связи на резонансной частоте. Для этого была собрана эквивалентная схема, представленная на рисунке 32.

Рисунок 32. SPICE модель двух магнитно-связанных катушек

Рисунок 33. Симуляция переданного напряжения в программе LTspice

На рисунке 33 симуляция была произведена для коэффициента связи k = 0.15, а частота синусоидального сигнала была задана, как f = 10 кГц. На рисунке 34 была собрана немного другая схема и симуляция уже производилась для разных значений коэффициента связи, заданными через директиву .step param K_value list 0.15 0.35 0.6, соответственно значения были взяты 0.15, 0.35 и 0.6 что примерно соответствует расстояниям между катушками взятыми 18 мм, 10 мм и 1 мм.

Рисунок 34. Симуляция переданного напряжения в программе LTspice

Результаты вышеупомянутого моделирования были сведены в таблицу, как показано в таблице 5 ниже. Полученные результаты подтверждают, что коэффициент связи играет значительную роль в выходных характеристиках рассматриваемой системы.

Таблица 5. Результаты моделирования

Для создания 3D-модели корпуса устройства для беспроводной передачи электрической энергии было выбрано свободно распространяемое программное обеспечение для создания трёхмерной компьютерной графики Blender версии 2.79b. Данная программа включает в себя средства моделирования, создания анимации, рендеринга, а также может быть использована для создания интерактивных игр.

Модель корпуса представляет собой параллелепипед, грани которого являются Plane Plane - стандартная плоскость, которая представляет собой одну четырехугольную грань, которая состоит из четырех вершин, четырех ребер и одной грани. объектами из коллекции примитивов данного программного обеспечения. Для каждой грани были выставлены соответствующие размеры, которые ранее были замерены с платы устройства для беспроводной зарядки (см. рисунок 35, вкладка «Dimensions»), а толщина стенок была задана равной 1.5 мм, что обеспечивает необходимую ударопрочность корпуса и достаточную защиту от внешних помех.

В получившейся полой модели не хватало отверстия для подведения кабеля для питания данной платы. Для создания данного отверстия на рабочее поле был добавлен Cube из коллекции примитивов, а затем размещен на место предполагаемого отверстия. Так как размеры данного объекта были заранее измерены и выставлены, далее был использован Boolean модификатор, который использует одну из трех логических операций (Difference, Union, Intersect) для преобразования моделей. В нашем случае использовалась операция Difference (вычитание) для того, чтобы вырезать окно, соответствующее размерам ранее созданного вспомогательного элемента.

Рисунок 35. Модель корпуса устройства (ортогональный вид)

Последним аспектом моделирования стало объединение отдельных граней в одну полигональную сетку (от англ. polygon mesh) с помощью сочетания клавиш Ctrl + J. Таким образом, на выходе получилась цельная модель корпуса необходимых размеров и готовая к печати на 3D-принтере.

Подготовленная в Blender модель была экспортирована в формате «.stl» для дальнейшей загрузки в программу-слайсер Cura 3D, предназначенной для подготовки деталей к печати на 3D-принтере (см. рисунок 36). Этот этап необходим из-за того, что большая часть принтеров работает по технологии FFF (от англ. Fused filament fabrication -- наплавление расплавленной нити), печатая модели слой за слоем.

Рисунок 36. Интерфейс программы Cura 3D с загруженной моделью

В данную программу загружается модель в формате STL STL (от англ. stereolithography) -- это формат файла, свойственный программному обеспечению для стереолитографии. или OBJ, после чего она нарезается на слои и преобразовывается в послойную структуру, чтобы в дальнейшем экспортировать файл с расширением .gcode, известный как G-Code, который содержит инструкции, воспринимаемые 3D-принтером (см. рисунок 37).

Приведем кусок кода из такого файла:

G0 F2571.4 X228.454 Y160.047 Z0.2

M205 X5 Y5

;TYPE:SKIRT

G1 F1500 E0

G1 F1200 X228.039 Y160.665 E0.0098

G1 X227.56 Y161.235 E0.01961

G1 X227.023 Y161.75 E0.0294

Печать была выполнена в учебной лаборатории 3D-визуализации и компьютерной графики. По итогу проделанной работы был изготовлен корпус для платы беспроводной зарядки.

Рисунок 37. Подготовленная к печати модель корпуса для зарядного устройства (layer view)

Рисунок 38. Корпус беспроводной зарядки, распечатанный на 3D-принтере

Печать была выполнена в учебной лаборатории 3D-визуализации и компьютерной графики. По итогу проделанной работы был изготовлен корпус для платы беспроводной зарядки (см. рисунок 38). Основной особенностью изготовленного корпуса является то, что он позволяется защитить от прямых внешних воздействий плату передатчика и послужить платформой для установки мобильного устройства на его поверхность для последующей зарядки. Сверху плату закрывает 5 мм органического стекла, которое не препятствует распространению электромагнитных полей и служит своеобразной прослойкой между приемником и передатчиком.

3.4 Создание корпуса с деревянным элементом между трансмиттером и ресивером

Данный корпус был произведен с целью тестирования работы беспроводной зарядки в рамках элемента концепции умного рабочего стола. Умный рабочий стол - это стол, неотъемлемой частью которого является возможность постоянной и комфортной беспроводной подзарядки мобильных устройств (см. рисунок 39).

Рисунок 39. Умный стол

Между телефоном и зарядкой находится лист деревянной фанеры (около 4мм), сама зарядка закреплена слоем оргстекла. Далее были проведены замеры и сравнение с непосредственной зарядкой (см. рисунок 40).

Рисунок 40. Деревянный корпус

Так же был произведен дополнительный слой фанеры, целью которого является наращивание расстояния между трансмиттером и ресивером. Таким образом общее расстояние между катушкой зарядки и корпусом устройства составляло 8 мм (см. рисунок 41).

Рисунок 41. Дополнительный слой фанеры

Описание экспериментов

Эксперимент проводился следующим образом - замерялось время полной зарядки аккумулятора Apple iPhone X через заводскую проводную зарядку (сила тока - 1 А, как и у беспроводной зарядки Qi) и принималось за идеальное (100%). Далее замерялось время полной зарядки через беспроводное зарядное устройство с помощью при близком контакте (см. рисунок 42).

Рисунок 42. Контакт между корпусом и катушкой

Следующим этапом был замер через деревянный корпус, то есть через слой дерева в 4 мм (см. рисунок 43):

Рисунок 43. Зарядка через слой дерева

Далее было произведено наращивание и замер через двойной слой дерева (8 мм) (см. рисунок 44):

Рисунок 44. Зарядка через двойной слой дерева

Данное исследование необходимо для понимания оптимального расположения беспроводной зарядки в деревянном столе.

Результаты получились следующими (см. рисунок 45):

Рисунок 45. Результаты исследования

3.5 Анализ полученных результатов

Эмпирическим путем выявлено, что беспроводная зарядка при непосредственном контакте чуть менее эффективна, чем ее проводной аналог (сила тока у обеих составляет 1 Ампер). При появлении дополнительного расстояния между приемником и передатчиком, эффективность также снижается. Зависимость между расстоянием и коэффициентом потерь не является линейной: с увеличением вдвое расстояния между трансмиттером и ресивером, эффективность беспроводной зарядки падает в 2,5 раза, что говорит о том, что расстояния между катушками необходимо минимизировать, иначе смысл использования метода индуктивной зарядки в концепции умного стола теряется.

Выводы по главе: в данной главе были рассмотрены технические решения, используемые для реализации беспроводной зарядки на основе стандарта Qi. Было проведено моделирование ресивера и трансмиттера в программе LTSpice, построена таблица зависимости выходного напряжения на приемной катушке от коэффициента связи. Также были проанализированы микросхемы-трансмиттеры с тремя катушками и с одной, был спроектирован и распечатан 3D-корпус для беспроводной зарядки. Далее было проведено тестирование работы беспроводной зарядки при различном расстоянии между зарядкой и мобильным телефоном с функцией поддержки стандарта Qi. беспроводной энергия микроволновой излучение

Заключение

По итогам выпускной квалификационной работы было проведено исследование действующих прототипов устройств, предназначенных для беспроводной зарядки маломощных гаджетов без необходимости использования проводов в разных условиях использования. Были протестированы такие характеристики комплекса, как дальность зарядки и передаваемая мощность, а также собран действующий прототип и обеспечено соответствие стандарту беспроводной передачи энергии Qi для поддержки широкого спектра мобильных устройств. Все задачи и цели, поставленные на старте работы над проектом, осуществлены в полном объеме.

По результатам данного дипломного проекта удалось решить следующие задачи:

· Проведен анализ предметной области и обоснована актуальность выбранной темы;

· Осуществлен обзор существующих устройств в области беспроводной передачи электроэнергии;

· Осуществлено построение электрической схемы, а также дальнейшее компьютерное моделирование предложенной схемы;

· Проделана практическая работа в учебной лаборатории 3D-визуализации и компьютерной графики, а именно произведена печать корпуса для зарядного устройства на 3D-принтере;

· Проведено тестирование и анализ полученного прототипа беспроводного зарядного устройства для маломощных устройств.

В частности, Широбоков Егор осуществил обзор существующих устройств в области беспроводной передачи электроэнергии, описал основные принципы работы индуктивной зарядки, произвел компьютерное моделирование электрической схемы в среде LTspice, а также создал 3D-модель корпуса предлагаемого устройства с последующей подготовкой к печати и непосредственно самой печатью данного корпуса на 3D-принтере.

Скотников Кирилл, в свою очередь, произвел комплексный анализ предметной области, обосновал актуальность выбранной темы, произвел построение эквивалентной электрической схемы, а также осуществил тестирование и анализ полученного прототипа беспроводного зарядного устройства для маломощных устройств.

Сборка действующего прототипа была реализована совместно, в следствие чего было собрано несколько действующих прототипов для осуществления беспроводной зарядки широкого спектра маломощных мобильных устройств по стандарту Qi. Была также предложена концепция «умного стола» со встроенной поддержкой беспроводной зарядки устройств, находящихся на его поверхности.

Список использованных источников

1. Зевеке Г.В. Основы теории цепей: Учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. - 5-е изд., перераб. - М: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.: ил.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Т. 8: Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука, 1992. - 664 с.

3. Марченко А. Л. «Основы электроники. Учебное пособие для вузов» - М: ДМК Пресс, 2012.

4. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljacic. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science, 2007, v. 317 (5834), pp. 83-86.

5. A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic. Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer. Annals of physics, 2007, V.323, Is. 1, pp.34-48.

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Т. 2: Теория поля. - М.: Наука, 2001. - 533 с.

7. P.Manivannan, S.Bharathiraja “Qi Open Wireless Charging Standard - A Wireless Technology for the Future” International Journal Of Engineering And Computer Science ISSN:2319-7242 Volume 2 Issue 3 March 2013 Page No. 573-579

8. R. Ving. Wireless energy transfer by resonant inductive coupling. Master of science thesis. Sweden, Goteborg, - 2015, p.83.

9. Djuradj Bubimir and Aleksandar Marincic, “Research Activities and future trends of microwave wireless power transmission”, International symposium Nikola Tesla, 2006

10. Omkar Singh, “Wireless Mobile Charger”, International Journal of Electronics, Electrical and Computational System (IJEECS) ISSN: 2348-117X, Volume 5, Issue 6, June 2016

11. Kamil A. Grajski, R. Tseng, C. Wheatley. Qualcomm Incorporated. Loosely-coupled wireless power transfer: physics, circuits, standards. - IEEE, 2012.

12. Habiba Afrin, Abu Sadat Md. Sayem, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance”, International Journal of Innovative Research in Engineering & Management (IJIREM) ISSN: 2350-0557, Volume 2, Issue 1, January 2015

13. Nurayanan R. Wireless Power Charging Coil Changing Considerations. Application Notes. Wьrth Elektronik, 2015-02-23b.

Размещено на Allbest.ru