Tìm hiểu nguyên lý mạch sạc điện thoại không dây và có dây

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN Đề tài: Tìm hiểu nguyên lý mạch sạc điện thoại không dây và có dây Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Đại Dương Họ và tên sinh viên thực hiện: Trần Thanh Hằng MSSV: 20232477 Sdt: 0815481911 Hà Nội, tháng 01 năm 2024 0 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 NGUỒN THAM KHẢO 3 I, Nguyên lý mạch sạc điện không dây 4 1, Giới thiệu về công nghệ sạc không dây 4 2, Nguyên lý cơ bản của công nghệ truyền điện không dây trường gần bằng từ trường 5 3 Nguyên lý sạc không dây cho điện thoại 6 3.1, Nguyên tắc từ trường từ (Qi) 7 3.2, Cuộn từ trên thiết bị cần sạc 8 3.3, Chuyển đổi từ năng lượng điện tử 8 3.4, Tính năng bảo vệ và quản lý năng lượng 9 3.5, Chuẩn kết nối và tương thích 9 II, Nguyên lý mạch sạc điện có dây 9 1, Nguyên lý chung 9 1.1, Nguyên lý cơ bản 9 1.2, Biến áp và điều chỉnh dòng điện 10 1.3, Mạch quản lý pin 10 2, Nguyên lý hoạt động của dây sạc 10 2.1, Cấu trúc dây sạc 10 2.2, Nguyên lý truyền dẫn điện năng 11 2.3, Bảo vệ và quản lý dòng điện 11 2.4, Tương thích và chuẩn hóa 11 3, Nguyên lý hoạt động của củ sạc 11 3.1, Các giai đoạn trong quá trình sạc pin điện thoại của củ sạc 11 3.2, Nguyên lý chuyển đổi dòng điện 12 3.3, Điều chỉnh điện áp và dòng điện 12 3.4, Mạch bảo vệ và quản lý năng lượng 12 3.5, Chuẩn kết nối 12 3.6, Hiệu suất năng lượng 12 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, ngành điện đã trở thành một ngành đóng vai trò quan trọng và phổ biến trong cuộc sống của chúng ta Các thiết bị điện cũng đã và đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực khoa học cũng như trong đời sống của con người Cùng với việc gia tăng nhu cầu sử dụng các thiết bị điện thông minh thì vấn đề tối ưu hóa các thiết bị điện, nâng cao tính an toàn và tiện lợi cho chúng đang ngày càng được chú trọng Trong đó, không thể không kể đến việc ra đời của các loại sạc điện thoại thông minh Cách sạc pin điện thoại phổ biến nhất hiện nay là dùng củ sạc và dây sạc Nhưng trong vài năm qua công nghệ sạc không dây đã phát triển mạnh mẽ và nâng cấp mỗi ngày nhằm cung cấp một phương pháp mới để nạp pin cho thiết bị di dộng bằng sạc không dây Trong bài báo cáo này, em xin phép trình bày về nguyên lý của mạch sạc điện không dây và có dây Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đại Dương đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành bản tiểu luận này Tuy nhiên do em còn chưa có kiến thức chuyên sâu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em xin tiếp thu ý kiến nhận xét từ thầy để bổ sung kiến thức cho mình vào những lần tiếp theo Sau cùng, chúng em xin kính chúc các thầy cô Khoa KT Điều khiển – Tự động hóa, đặc biệt là thầy Nguyễn Đại Dương thật nhiều sức khỏe và gặt hái nhiều thành công trong công tác giảng dạy của mình Em xin chân thành cảm ơn! 2 NGUỒN THAM KHẢO [1] W C Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE Trans Microwave Theory and Techniques, vol 32, Sept 1984 [2] S.Li and C.C.Mi, “Wireless power transfer for electric vehicle applications,” IEEE Journal of emerging and selected topics in power electronic, Vol 3, 2015 [3] V Grigôriev and G Miakisev, “Các lực trong tự nhiên”, Đặng Văn Sử biên soạn, vol 2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật xuất bản năm 2002 [4] Giáo trình Vật Lý Đại Cương, nhà xuất bản Đại Học Quốc gia TPHCM [5] Professor Steven Errede, “A Brief History of The Development of Classical Electrodynamics”, UIUC Physics 435, Fall Semester 2007 [6] Madzharov, Nikolay D., and Valentin S Nemkov "Technological inductive power transfer systems" Journal of Electrical Engineering, vol 68, no 3, Jan 2017 [7] Wells Brannon P [US], “Series resonant inductive charging circuit”, Stryker CorpApplicants [US], Dec 2007 3 I, Nguyên lý mạch sạc điện không dây 1, Giới thiệu về công nghệ sạc không dây Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, ngành điện đã trở thành một ngành đóng vai trò quan trọng và phổ biến trong cuộc sống của chúng ta Các thiết bị điện cũng đã và đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực khoa học cũng như trong đời sống của con người Cùng với việc gia tăng nhu cầu sử dụng các thiết bị điện thông minh thì vấn đề tối ưu hóa các thiết bị điện, nâng cao tính an toàn và tiện lợi cho chúng đang ngày càng được chú trọng Trong đó, không thể không kể đến việc ra đời của các loại sạc điện thoại thông minh Nạp điện cảm ứng hay sạc cảm ứng, thường gọi là sạc không dây (wireless charging) là thiết bị điện tử sử dụng trường điện từ để truyền năng lượng từ nguồn để nạp điện cho điện thoại thông minh Mặc dù công nghệ này chỉ mới được phát hành từ đầu thế kỉ XXI, nhưng nguyên lý căn bản về cách thức hoạt động của nó đã được con người khám phá từ không lâu sau khi chúng ta bắt đầu biết đến điện Gần cuối thế kỷ XIX, nhà Nikola Tesla đã chỉ ra rằng hai từ trường mạnh có thể truyền một lượng năng lượng nhỏ giữa các nguồn của chúng khi chúng giao thoa với nhau Khái niệm truyền tải điện không dây (WPT) lần đầu tiên được Nikola Tesla tìm ra vào năm 1890 Ông đã phát minh ra những cuộn dây Tesla khổng lồ để tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tải điện mà không cần pin vào những năm 1900 Từ những năm 1960 cho đến nay, công nghệ truyền tải điện không dây hiện đại đã phát triển, bao gồm hai giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên là vào những năm 1960-1970 với sự bắt đầu là các nghiên cứu của NASA- cơ quan hàng không và vũ trụ của Mỹ Các chủ đề nghiên cứu của NASA lúc đó bao gồm thu thập năng lượng mặt trời trong không gian và truyền về Trái đất, hay dự án cung cấp điện không dây trong không gian, v.v Giai đoạn này chủ yếu liên quan đến việc phát triển Công nghệ không dây sử dụng các sóng của phổ phát ra, chẳng hạn như sóng vi ba hoặc sóng vô tuyến để truyền năng lượng điện trên khoảng cách lên tới vài trăm km Ngày nay, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển, tuy nhiên do tần số sóng cao, giá thành cao, hiệu suất truyền dẫn thấp và tác động tiêu cực đến môi trường nên công nghệ này chỉ được sử dụng trong một số lĩnh vực cụ thể như công nghệ vũ trụ, quân sự hoặc được sử dụng để cấp nguồn không dây cho các thiết bị y tế được đặt trong cơ thể con người khi công suất rất nhỏ, giá thành thấp hơn và không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ truyền tải điện không dây hiện đại bắt đầu từ cuối những năm 1970 cho đến nay với việc theo đuổi việc truyền tải điện không dây không phát thải, còn được gọi là truyền tải điện không dây trường gần (WPT trường gần) Công nghệ này sử dụng điện trường (khớp nối 4 điện dung) hoặc từ trường (khớp cảm ứng) để truyền năng lượng thông qua các phương tiện điện Khoảng cách truyền không dây từ vài mm đến vài mét Bằng cách sử dụng dải tần số thấp từ kHz đến MHz, công nghệ truyền tải điện không dây trường gần có công suất truyền lớn, hiệu suất truyền cao, giá thành thấp và hệ thống an toàn cho con người Do đó, công nghệ này hiện đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để sử dụng trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày, nhất là trong việc nạp năng lượng cho điện thoại di động thông minh Công nghệ truyền điện không dây mang lại nhiều lợi ích và sẽ thay đổi cuộc sống con người trong tương lai gần 2, Nguyên lý cơ bản của công nghệ truyền điện không dây trường gần bằng từ trường Năm 1819, lần đầu tiên nhà khoa học Hans Christan Oersted khám phá ra hiện tượng dòng điện sinh ra từ trường bao quanh dây dẫn Năm 1831, Michael Faraday lại phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ khi làm thay đổi từ trường qua một vòng dây kín thì có một dòng điện sinh ra trong vòng dây đó, được gọi là dòng điện cảm ứng Các hiện tượng này đã được ứng dụng từ lâu trong kĩ thuật điện để tạo ra các loại máy phát điện, động cơ điện, nam châm điện và máy biến áp điện- một thiết bị sơ khai nhất của công nghệ truyền năng lượng điện không dây dùng từ trường Cấu tạo máy biến áp gồm có hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cùng quấn quanh một lõi thép kĩ thuật điện DÂY QUẤN THỨ CẤP DÂY QUẤN SƠ CẤP DòngCđẤiPện biến thiên chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp sẽ sinh ra một từ trường biến thiên xung quanh cuộn sơ cấp- sau đó sinh ra một dòng điện 5 cảm ứng biến thiên trong cuộn thứ cấp của máy biến áp Thông qua đó năng lượng điện đã được truyền không tiếp xúc từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp của máy biến áp Trong trường hợp truyền điện không dây này, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải liên kết với nhau thông qua lõi biến áp, và không tách rời nhau được Giống như nguyên lý truyền năng lượng điện trong máy biến áp, các thiết bị gia nhiệt cảm ứng như bếp từ, lò nấu thép trung tần, thiết bị tôi cao tần cũng có cùng nguyên lý như vậy Tuy nhiên, trong các trường hợp này, không có lõi thép kĩ thuật để dẫn từ trường, và cuộn thứ cấp là một vật dẫn điện (chính là vật cần gia nhiệt) Từ trường biến thiên tần số cao được sinh ra bởi dòng điện tần số cao chạy qua cuộn dây của các thiết bị gia nhiệt cảm ứng, sẽ sinh ra dòng Fuco trong vật, tỏa nhiệt làm nóng vật dẫn Đây là ứng dụng gần hơn với công nghệ truyền năng lượng điện không dây trường gần, khi đó phần sơ cấp và thứ cấp đã tách rời nhau Ở các ứng dụng này khoảng cách truyền không dây rất ngắn cỡ vài milimet đến vài centimet Khi khoảng cách truyền tăng lên, hiệu suất truyền sẽ giảm đi rất nhanh 3 Nguyên lý sạc không dây cho điện thoại Bộ sạc cảm ứng sử dụng cuộn cảm để tạo ra trường điện từ xoay chiều để truyền năng lượng, và cuộn dây cảm ứng thứ hai được lắp trong điện thoại lấy điện từ trường và chuyển đổi nó trở thành dòng điện để sạc pin Hai cuộn dây cảm ứng khi ở gần nhau sẽ kết hợp để tạo thành một biến áp điện 6 Cuộn cảm lớn trong sạc không dây Cuộn cảm nhỏ trong điện thoại 3.1, Nguyên tắc từ trường từ (Qi) Lực Lorentz là lực mà từ trường tác dụng lên Điện tích di chuyển thẳng hàng làm cho điện tích thay đổi hướng di chuyển theo hướng vuông góc với hướng dịch chuyển ban đầu Theo biểu diễn cổ điển của lực điện từ, lực này gồm hai thành phần, do điện trường tạo ra (lực điện) và do từ trường tạo ra (lực từ) Mọi hạt điện tích chuyển động trong từ trường, đều chịu tác dụng của lực Lo-ren-xơ (Lorentz) Lực Lo-ren-xơ do từ trường có cảm ứng từ B⃗ tác dụng lên một hạt điện tích q0 chuyển động với vận tốc v⃗ có: + Phương: vuông góc với v⃗ và B⃗ + Chiều: tuân theo quy tắc bàn tay trái: “Để bàn tay trái mở rộng sao cho từ trường hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều 7 của v⃗ khi q0 > 0 và ngược chiều v⃗ khi q0 < 0 Lúc đó chiều của lực Lo-ren-xơ là chiều ngón cái choãi ra.” Sạc không dây thường sử dụng nguyên tắc từ trường từ dựa trên nguyên lý lực Lorentz, trong đó cấu tạo gồm hai thành phần chính: • Bộ sạc có cuộn dây phát trong đế sạc không dây, cảm biến từ tính trong cảm biến bộ sạc sẽ tạo ra trường cảm ứng điện từ • Bộ thu có cuộn dây thu trong điện thoại cũng có một cảm biến từ tính tương tự, nhưng nó được thiết kế để thu năng lượng từ lực từ trường và biến đổi thành năng lượng điện 3.2, Cuộn từ trên thiết bị cần sạc Điện thoại di động được tích hợp với một hoặc nhiều cuộn từ Khi đặt lên bảng sạc, cuộn từ này bắt đầu nhận năng lượng từ trường từ được tạo ra bởi bảng sạc Các cuộn từ có thể ở trong hình dạng một tấm phẳng gắn vào điện thoại một mạch nhúng bên trong điện thoại hoặc vỏ kiêm pin thay thế có một cuộn dây sạc bên trong (cuộn PCB) Cuộn dây gắn trực tiếp vào điện thoại Cuộn PCBA 3.3, Chuyển đổi từ năng lượng điện tử Khi trường từ ở bảng sạc và cuộn từ trên thiết bị tiếp xúc, năng lượng điện từ được truyền từ bảng sạc đến thiết bị Thiết bị sử dụng năng lượng này để sạc pin 8 Khoảng cách của 2 cuộn dây và sự đồng trục của nó ảnh hưởng rất nhiều tỉ lệ thuận với hiệu suất Càng gần và càng đồng trục thì dòng điện sinh ra có hiệu suất cao nhất 3.4, Tính năng bảo vệ và quản lý năng lượng Hệ thống sạc không dây thường tích hợp các tính năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp và các mạch quản lý năng lượng Điều này giúp đảm bảo an toàn và hiệu suất trong quá trình sạc 3.5, Chuẩn kết nối và tương thích Công nghệ sạc không dây thường tuân thủ các chuẩn nhất định, chẳng hạn như chuẩn Qi, để đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị và bảng sạc từ các nhà sản xuất khác nhau II, Nguyên lý mạch sạc điện có dây 1, Nguyên lý chung 1.1, Nguyên lý cơ bản Mạch sạc cho điện thoại có dây thường sử dụng dòng điện xoay chiều (AC) từ nguồn cung cấp điện và biến đổi nó thành dòng điện một chiều (DC) phù hợp để sạc pin của điện thoại 9 Sơ đồ mạch 1.2, Biến áp và điều chỉnh dòng điện Một bộ chuyển đổi AC-DC (thường là bộ nguồn) sẽ chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ ổ cắm điện thành dòng điện một chiều Điều này cần thiết để điện thoại có thể sử dụng để sạc pin một cách an toàn và hiệu quả 1.3, Mạch quản lý pin Có các vi xử lý và mạch quản lý pin tích hợp trong điện thoại để điều chỉnh dòng điện và nguồn cung cấp, đảm bảo rằng pin được sạc đầy và an toàn 2, Nguyên lý hoạt động của dây sạc Dây sạc điện thoại, hoặc còn được gọi là cáp sạc, là một phần quan trọng của quá trình sạc pin của điện thoại di động Nguyên lý hoạt động của dây sạc điện thoại liên quan chủ yếu đến việc truyền dẫn dòng điện từ nguồn cung cấp đến pin điện thoại để nạp năng lượng 2.1, Cấu trúc dây sạc Dây dẫn điện: Dây sạc điện thoại thường được làm từ các sợi dẫn điện, thường là đồng hoặc hợp kim đồng Đây là phần chính của dây sạc, nơi dòng điện chạy qua để truyền năng lượng từ nguồn điện đến thiết bị cần sạc Cáp bọc ngoài: Dây dẫn điện thường được bọc bên ngoài bởi một lớp vỏ bảo vệ, thường là nhựa PVC hoặc cao su Vỏ bảo vệ này giúp bảo vệ dây dẫn điện khỏi bị gãy, bị cắt hoặc bị hư hỏng do sử dụng hàng ngày Đầu cắm: Dây sạc điện thoại có hai đầu cắm, một đầu cắm vào nguồn điện hay còn gọi là củ sạc và một đầu cắm vào thiết bị cần sạc Đầu cắm thường được làm từ kim loại, như đồng hoặc hợp kim đồng, để tạo ra kết nối điện tốt và bền vững 10 Các chân cắm: Đầu cắm của dây sạc điện thoại thường có các chân cắm, còn được gọi là chân cắm USB, để kết nối với nguồn điện hoặc thiết bị cần sạc Các mạch bảo vệ: Một số dây sạc điện thoại có tích hợp các mạch bảo vệ, như bảo vệ quá dòng hoặc bảo vệ quá áp, để đảm bảo an toàn cho thiết bị và người dùng trong quá trình sạc 2.2, Nguyên lý truyền dẫn điện năng Dòng điện được truyền từ nguồn cung cấp (thường là ổ cắm điện hoặc máy tính) qua dây sạc và đến pin của điện thoại Điện áp và dòng điện được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu sạc pin của thiết bị 2.3, Bảo vệ và quản lý dòng điện Dây sạc thường được thiết kế với các tính năng bảo vệ như điện trở, bảo vệ quá dòng, và bảo vệ quá áp để đảm bảo an toàn cho pin và thiết bị Các mạch bảo vệ này ngăn chặn các vấn đề như quá tải hay nguy cơ tự cháy 2.4, Tương thích và chuẩn hóa Các dây sạc thường được thiết kế để tuân thủ các tiêu chuẩn cụ thể như USB, USB-C Điều này đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị và dây sạc 3, Nguyên lý hoạt động của củ sạc 3.1, Các giai đoạn trong quá trình sạc pin điện thoại của củ sạc Giai đoạn 1: Khi thiết bị cạn kiệt năng lượng hoặc mới cắm sạc thì một lượng lớn điện áp sẽ được truyền vào pin Trong giai đoạn này, pin sẽ nhận được lượng điện áp tối đa mà không không bị nóng hay tăng nhiệt Giai đoạn 2: Khi viên pin đã được tối đa hóa khả năng hấp thụ điện tự nhiên thì bộ sạc sẽ đo lượng điện áp và bắt đầu tăng áp để sạc Quá trình này pin sẽ tăng lên ở mức độ cho phép và sạc có nhiệm vụ kiểm soát dòng điện để không bị quá áp, quá nhiệt giúp hạn chế cháy nổ Giai đoạn 3: Khi pin đạt đến khoảng 80%, bộ sạc sẽ giảm cường độ dòng điện nhưng vẫn giữ nguyên điện áp cho giai đoạn thứ hai Điều này cho phép pin được sạc gần đầy mà vẫn không sinh nhiệt hay bị nóng nhưng dòng điện sẽ giảm dần lượng điện trong pin lớn Chính vì vậy sẽ có hiện tượng là 20% pin cuối cùng cần sạc sẽ mất thời gian hơn rất nhiều so với 20% lượng pin đầu tiên 11 Giai đoạn 4: Giai đoạn cuối cùng trong nguyên lý sạc điện thoại đó là khi pin ở mức 85 - 95% thì bộ sạc chỉ còn niệm vụ giữ nguyên mức pin chứ hầu như không phải sạc thêm để giúp pin luôn luôn ở dưới ngưỡng chết trên 3.2, Nguyên lý chuyển đổi dòng điện Củ sạc thường nhận dòng điện xoay chiều (AC) từ nguồn điện và sử dụng một bộ chuyển đổi AC-DC để chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC) Điều này là cần thiết vì pin của điện thoại thường chỉ chấp nhận sạc bằng dòng điện một chiều 3.3, Điều chỉnh điện áp và dòng điện Củ sạc điện thoại thường có khả năng điều chỉnh điện áp và dòng điện để phù hợp với yêu cầu của pin và thiết bị Điều này giúp đảm bảo quá trình sạc diễn ra một cách an toàn và hiệu quả 3.4, Mạch bảo vệ và quản lý năng lượng Củ sạc thường tích hợp các mạch bảo vệ như bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp, và các mạch quản lý năng lượng để đảm bảo an toàn cho pin và thiết bị Các tính năng này ngăn chặn nguy cơ tự cháy hay hỏng hóc do điện áp không ổn định 3.5, Chuẩn kết nối Các củ sạc thường tuân thủ các chuẩn kết nối như USB, USB-C, hoặc các chuẩn sạc không dây Điều này đảm bảo tính tương thích giữa củ sạc và thiết bị cần sạc 3.6, Hiệu suất năng lượng Các củ sạc cũng được thiết kế để cung cấp hiệu suất năng lượng tốt, giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi và truyền tải dòng điện 12