MẠCH SẠC ĐIỆN THOẠI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY

Luận văn ñặt ra các nội dung sau: Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về trường ñiện và trường từ, các phương pháp biến ñổi qua lại giữa 2 dạng năng lượng này Nội dung 2:Thiết kế, chế tạo mộ

i

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.3 Nhiệm vụ luận văn 4

2 LÝ THUYẾT 6

2.1 Lý thuyết của Maxwell- Sóng ñiện từ 6

2.1.1 Các luận ñiểm chính của Maxwell 6

2.1.2 Phương trình Maxwell 7

2.2 Michael Faraday và Hiện tượng cảm ứng ñiện từ 14

2.2.1 Thí nghiệm Faraday 14

2.2.2 Định luật Lenz 16

2.2.3 Định luật cơ bản của hiện tượng Cảm Ứng Điện Từ 17

2.3 Hiện tượng bức xạ ñiện từ 18

2.4 Mạch cộng hưởng LC 19

2.4.1 Mạch LC lý tưởng 19

2.4.2 MạchLC thực tế 20

3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 22

3.1 Phân tích 22

3.2 Sơ ñồ khối 26

3.3 Sơ ñồ chi tiết 28

3.3.1 Nguồn cung cấp 28

3.3.2 Nguồn cao áp 29

3.3.3 Mạch tạo xung dùng IC NE555 và khuếch ñại công suất 30

3.3.4 Mạch thu 32

ii

4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 33

4.1 Cân chỉnh mạch tạo xung dùng NE555 37

4.2 Kết quả thi công 42

4.3 Các kết quả ghi nhận ñược 47

4.3.1 Tải thuần trở 47

4.3.2 Tải Thuần cảm 48

4.3.3 Tải hỗn hợp 49

5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

5.1 Kết luận 50

5.2 Hướng phát triển 51

6 MẠCH SẠC ĐIỆN THOẠI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY 52

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

8 PHỤ LỤC 62

8.1 Vài nét về Maxwell 62

8.2 Michael Faraday 65

Từ “ñiện” trong tiếng Anh (electricity) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "electron" Bạn có biết từ này có nghĩa là gì không? Nó có nghĩa là hổ phách Từ năm 600 trước công nguyên những người Hy Lạp cổ ñã biết rằng nếu cọ xát hổ phách thì nó có thể hút ñược những mẩu giấy Cho ñến trước năm 1672 cũng chưa có một tiến bộ nào trong việc nghiên cứu về ñiện Vào năm 1672 ông Otto Fon Gerryk khi ñể tay bên cạnh quả cầu bằng lưu huỳnh ñang quay ñã nhận ñược sự tích ñiện lớn hơn Vào năm

1729 ông Stefan Grey ñã tìm ra rằng có 1 số chất, trong ñó có kim loại, có thể dẫn ñiện Nhưng chất như vậy gọi là những chất dẫn ñiện Ông ta cũng phát hiện ra rằng những chất khác như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hổ phách và sáp không dẫn ñiện Những chất ñó ñược gọi là những chất cách ñiện

Bước tiến tiếp theo trong việc nghiên cứu về dòng ñiện là vào năm 1733 khi một người Pháp có tên là Duy Phey tìm ra vật tích ñiện dương và vật tích ñiện âm, mặc dù ông cho rằng ñó là 2 loại ñiện khác nhau Bedzamin Franklin là người ñầu tiên thử giải thích thế nào là dòng ñiện Theo ông tất cả các chất trong tự nhiên ñều có chứa "chất lỏng ñiện" Khi 2 chất va chạm vào nhau thì một số "chất lỏng" của chất này sẽ bị lấy sang chất khác Ngày nay chúng ta nói "chất lỏng" ñược cấu tạo từ những ñiện tử mang ñiện tích âm Bộ môn khoa học nghiên cứu về ñiện phát triển rầm rộ từ năm 1880 khi mà Alexandro Volta ñã sáng chế ra pin Phát minh này ñã mang ñến cho loài người nguồn năng lượng thường xuyên và kéo theo nó tất cả những phát minh quan trọng nhất trong lĩnh vực này

Tuy nhiên, từ khi phát hiện ra ñiện và ñưa vào sử dụng ñến nay thì con người vẫn còn phụ thuộc khá nhiều vào phương thức truyền tải ñiện năng ñể tiêu thụ, ñó là cần có dây dẫn ñiện

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Việc truyền ñiện bằng dây dẫn ñã gây nhiều phiền phức tốn kém tài nguyên cho các quốc gia Ngay cả một quốc gia cường quốc như Mỹ, truyền ñiện bằng dây dẫn là không tránh khỏi Người Mỹ ñã tích cực xây dựng một hệ thống dây truyền ñiện năng bên dưới các thành phố lớn, và các cột ñể nâng ñỡ dây ở các vùng ngoại ô

Với mong muốn tìm ra phương pháp tối ưu cho việc truyền dẫn, con người ñã kết hợp các kiến thức từ xưa, nỗ lực nghiên cứu phát minh tìm ra các thành tựu mới, trong ñó phải kể ñến, năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng vô tận

Thế kỷ XX là kỷ nguyên bùng nổ về các thành tựu khoa học, các phát minh về ñiện liên tiếp ñược công bố Cho ñến một ngày , người ta nhận ra, cần có một phương pháp khác, ñể thay thế việc truyền dẫn ñiện bằng dây, vốn tồn tại khá lâu Với mục tiêu có thể truyền ñiện ñi thật xa mà không cần dây dẫn, con người lại tiếp tục nghiên cứu ñể chinh phục những cái mới

Tại Việt Nam, nghiên cứu về truyền dẫn ñiện, ñặc biệt là truyền ñiện không dây vẫn còn là mới mẻ với rất nhiều người,vẫn còn tồn tại rất nhiều cột chống ñỡ các dây truyền dẫn Chúng ta dễ dàng tìm thấy các hình ảnh dây ñiện chằng chịt tại Việt Nam

và một số quốc gia trong khu vực Đông Nam Á:

4

1.3 Nhiệm vụ luận văn

Luận văn này giúp cho người thực hiện có thể tiếp cận ñược các ý tưởng mà trên thế giới ñang nghiên cứu Thông qua một mô hình nhỏ, chúng ta sẽ rút ra cho bản thân mỗi người một ý tưởng chung, một hướng ñi riêng về việc truyền tải năng lượng.Trong giới hạn của Luận văn này chỉ có thể tìm ra cách ñể truyền tải ñiện ở khoảng cách gần

Luận văn ñặt ra các nội dung sau:

Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về trường ñiện và trường từ, các phương pháp

biến ñổi qua lại giữa 2 dạng năng lượng này

Nội dung 2:Thiết kế, chế tạo một máy phát từ trường: dùng ñiện năng ở một

khoảng tần số nhất ñịnh, biến ñổi ñiện năng ấy thành từ trường phát ra ngoài môi trường không khí

Nội dung 3: Thiết kế, chế tạo một máy thu, thu các từ trường và thực hiện việc

biến ñổi ñể có ñược ñiện năng ñưa ra tải

Nội dung 4: Đo hiệu suất của máy phát, hiệu suất máy thu Khoảng cách thu

phát Từ ñó phát triển nên một ứng dụng thực tế: Sạc ñiện thoại không dây

6

2 LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết của Maxwell- Sóng ñiện từ

2.1.1 Các luận ñiểm chính của Maxwell

Năm 1865, nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwell ñã kết hợp các ñịnh luật về ñiện và từ ñã biết ñể tạo ra lý thuyết Maxwell Lý thuyết này dựa trên sự tồn tại của các trường, hiểu nôm na là môi trường truyền tác ñộng từ nơi này ñến nơi khác Ông nhận thấy rằng các trường truyền nhiễu loạn ñiện và từ là các thực thể ñộng: chúng có thể dao ñộng và truyền trong không gian Dựa vào lý thuyết này, Maxwell

ñã ñi ñến một kết luận: tất cả các sóng ñiện từ ñều truyền trong không gian (chân không) với một vận tốc không ñổi bằng vận tốc ánh sáng

Năm 1873, ông công bố "Giáo trình ñiện học và từ học" Đó là một giáo trình rất cơ bản, trong ñó ông tổng kết và hệ thống toàn bộ lý thuyết của mình, thể hiện rõ hai luận ñiểm cơ bản:

Luận ñiểm thứ nhất:Tại một ñiểm bất kỳ trong vùng không gian, nếu có từ

trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian ñó sẽ xuất hiện ñiện trường xoáy

Luận ñiểm thứ hai:Bất kỳ một ñiện trường nào biến thiên theo thời gian cũng

sinh ra một từ trường xoáy

Như vậy lý thuyết của Maxwell cho ta thấy rằng tại một ñiểm trong không

gian, có từ trường biến thiên theo thời gian thì vùng không gian ñó sẽ xuất hiện ñiện trường xoáy và ngược lại Cứ như vậy, ñiện từ trường luôn tồn tại ñồng thời,

chuyển hóa lẫn nhau và lan truyền trong không gian dưới dạng sóng, gọi là sóng ñiện

từ Trong công trình này, Maxwell ñã so sánh hai phương hướng trong lý thuyết và

các hiện tượng ñiện và từ: phương hướng dựa trên nguyên lý tác dụng xa của Newton

và phương hướng dựa trên nguyên lý tác dụng gần, tức là phương pháp của Faraday Ông tự nhận mình là luật sư biện hộ cho phương pháp Faraday, theo quan ñiểm thuyết tác dụng gần và lấy khái niệm trường làm cơ sở Cũng trong công trình này, ông ñã trình bày tỉ mỉ hơn lý thuyết ñiện từ về ánh sáng Ông ñã rút ra kết luận

7

rằng ánh sáng là một loại sóng ñiện từ , do sự kết hợp của vector ñiện trường và

vector từ trường vuông góc với nhau, biến thiên hình sin theo thời gian

Chính kết luận này ñã góp phần vào sự thắng lợi của lý thuyết sóng ánh sáng ở

thế kỷ XIX Ông còn chỉ ra rằng ánh sáng sẽ gây ra áp suất trên bề mặt các vật thể khi

nó truyền qua Ông lưu ý rằng, có thể kiểm tra kết luận ñó bằng thực nghiệm

Lý thuyết trường ñiện từ Maxwell ñã ñi trước khá xa so với thực nghiệm lúc bấy giờ Vì vậy sau khi nó ra ñời, phải ñợi một phần tư thế kỷ nữa nó mới ñược thực nghiệm khẳng ñịnh một cách trọn vẹn

2.1.2 Phương trình Maxwell

Các phương trình Maxwell bao gồm bốn phương trình, ñề ra bởi James Clerk Maxwell, dùng ñể mô tả trường ñiện từ cũng như những tương tác của chúng ñối với vật chất Bốn phương trình Maxwell mô tả lần lượt :

v Điện tích tạo ra ñiện trường như thế nào (ñịnh luật Gauss)

v Sự không tồn tại của vật chất từ tích

v Dòng ñiện tạo ra từ trường như thế nào (ñịnh luật Ampere)

v Và từ trường tạo ra ñiện trường như thế nào (ñịnh luật cảm ứng

Faraday)

Đây cũng chính là nội dung của thuyết ñiện từ học Maxwell

Các công thức của Maxwell vào năm 1865 bao gồm 20 phương trình với 20 ẩn

số, nhiều phương trình trong ñó ñược coi là nguồn gốc của hệ phương trình Maxwell ngày nay Các phương trình của Maxwell ñã tổng quát hóa các ñịnh luật thực nghiệm ñược những người ñi trước phát hiện ra: chỉnh sửa ñịnh luật Ampère (ba phương trình cho ba chiều (x, y, z)), ñịnh luật Gauss cho ñiện tích (một phương trình), mối quan hệ giữa dòng ñiện tổng và dòng ñiện dịch (ba phương trình (x, y, z)), mối quan hệ giữa từ trường và thế năng vectơ (ba phương trình (x, y, z), chỉ ra sự không tồn tại của từ tích), mối quan hệ giữa ñiện trường và thế năng vô hướng cũng như thế năng vectơ (ba phương trình (x, y, z), ñịnh luật Faraday), mối quan hệ giữa ñiện trường và trường dịch chuyển (ba phương trình (x, y, z)), ñịnh luật Ohm về mật ñộ dòng ñiện và ñiện

Thật vậy, các phương trình của Maxwell cho phép đốn trước được sự tồn tại

của sĩng điện từ, cĩ nghĩa là khi cĩ sự thay đổi của một trong các yếu tố như cường

độ dịng điện, mật độ điện tích sẽ sinh ra sĩng điện từ truyền đi được trong khơng gian Vận tốc của sĩng điện từ là c, được tính bởi phương trình Maxwell, bằng

với vận tốc ánh sáng được đo trước đĩ bằng thực nghiệm Điều này cho phép kết luận rằng ánh sáng là sĩng điện từ Các nghiên cứu về ánh sáng và sĩng điện từ, tiêu biểu

là các nghiên cứu của Max Planck về vật đen và của Heinrich Hertz về hiện tượng quang điện đã cho ra đời lý thuyết lượng tử

Sự khơng phụ thuộc của vận tốc ánh sáng vào chiều và hệ quy chiếu - những kết luận được rút ra từ phương trình Maxwell - là nền tảng của thuyết tương đối Chú

ý rằng khi ta thay đổi hệ quy chiếu, những biến đổi Galileo cổ điển khơng áp dụng được vào các phương trình Maxwell mà phải sử dụng một biến đổi mới, đĩ là biến đổi Lorentz Einstein đã áp dụng biến đổi Lorentz vào cơ học cổ điển và cho ra đời thuyết tương đối hẹp

Bảng sau ñây tóm tắt các phươ

Kí hiệu bằng chữ ñậm là vectơ, trong

Bảng sau ñây liệt kê khái niệ

ệm của các ñại lượng trong hệ ño lường SI:

Vectơ vi phân của ñưñường kính C

ε là hằng số ñiện môi của môi

µ là hằng số từ môi của môi trư

Khi hai hằng số ε and µ phụ thu

hiện tượng phi tuyến; xem thêm trong

Trong môi trường tuyến tính

a ñường cong, tiếp tuyến với kính C bao quanh diện tích S mét

tính suất tiêu tán:

trên mét

toán tử tính ñộ xoáy cuộn của

ệ với E và H bởi :

ủa môi trường,

a môi trường,

a môi trường, và môi trường

thuộc vào cường ñộ ñiện trường và từ trường, ta c trong các bài hiệu ứng Kerr và hiệu ứng Pockels.)

n tính

mét

mét

ng, ta có kels.)

Trong môi trường tuyến tính,

vectơ phân cực từ M (ampere / mét) c

Trong môi trường không tán s

sóng ñiện từ), và ñẳng hướng (không

thuộc vào thời gian, phương trình Ma

Trong môi trường ñồng ñều (

không ñổi theo không gian, và có th

gian

Trong trường hợp tổng quát,

lưỡng chiết Và trong các môi trườ

sáng (sóng ñiện từ), những sự phụ thu

Trong chân không

Chân không là môi trường tuy

quay và phép tịnh tiến), không tán s

trong chân không vẫn tồn tại nhưng ch

một ngưỡng rất lớn so với giới hạn tuy

tính, vectơ phân cực ñiện P (coulomb / mét vuông) mét) cho bởi :

không tán sắc (các hằng số không phụ thuộc vào tần số(không biến ñổi ñối với phép quay), ε và µ không phình Maxwell trở thành :

u (không biến ñổi ñối với phép tịnh tiến), ε v

có thể ñược ñưa ra ngoài các phép ñạo hàm theo khô

quát, ε và µ có thể là tensor hạng 2 mô tả môi trường tán sắc ε và/hoặc µ phụ thuộc vào tần sốthuộc này tuân theo mối liên hệ Kramers-Kronig

ng tuyến tính, ñồng ñẳng (không biến ñổi theo ph tán sắc, với các hằng số ε0 và µ0 (hiện tượng phi tuynhưng chỉ quan sát ñược khi cường ñộ ánh sáng vượ

n tuyến tính trong môi trường vật chất)

vuông) và

ố của ông phụ

), ε và µ

eo không

ôi trường

ố ánh ronig

theo phép phi tuyến

ợt qua

Đồng thời trong chân không

phương trình Maxwell trở thành :

Những phương trình này có nghi

truyền sóng ñiện từ trong chân không,

Vận tốc ánh sáng

Độ ñiện thẩm châkhông

Độ từ thẩm chân không

không không tồn tại ñiện tích cũng như dòng

y có nghiệm ñơn giản là các hàm sin và cos mô t không, vận tốc truyền sóng là :

Giá trị Đơn vị trong hệ SI

2.2 Michael Faraday và Hi

Năm 1831, Faraday ñã chứng t

ra dòng ñiện Thực vậy, khi cho t

mạch xuất hiện một dòng ñiện Dòng

tượng ñó ñược gọi là hiện tượng cảm

2.2.1 Thí nghiệm Faraday

Lấy 1 ống dây ñiện (gồm nhi

mạch kín ( hình 2.2.1.a phía trên ố

(N) và Nam (S)

Thí nghiệm chứng tỏ: Nếu di

ñiện kế lệch ñi, ñiều ñó chứng tỏ tron

gọi là dòng ñiện cảm ứng, ký hiệu là I

Hiện tượng cảm ứng ñiện từ

ng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể

cho từ thông gửi qua một mạch kín thay ñổi thì tron

Dòng ñiện ñó ñược gọi là dòng ñiện cảm ứng Hi

G thành 1

c là Bắc

dây, kim

ện ñó

- Nếu rút thanh nam châm ra, dòng ñiện cảm ứng có chiều ngược lại (hình 2.2.1b)

Từ các thí nghiệm ñó, Faraday ñã rút ra những kết luận sau ñây:

a Từ thông gửi qua mạch kín biến ñổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng ñiện cảm ứng trong mạch ñó

b Dòng ñiện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến ñổi

c Cường ñộ dòng ñiện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc ñộ biến ñổi của từ thông

d Chiều của dòng ñiện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch

16

2.2.2 Định luật Lenz

Ðồng thời với Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng ñiện từ và

ñã tìm ra ñịnh luật tổng quát giúp ta xác ñịnh chiều của dòng ñiện cảm ứng, gọi là ñịnh luật Lenz

Nội dung ñịnh luật như sau: Dòng ñiện cảm ứng phải có chiều sao cho từ

trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó

Ðiều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh

ra có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với

từ trường ngoài Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng ñiện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc ñó từ trường cảm ứng

sẽ cùng chiều với từ trường ngoài

Dưới ñây, ta hãy vận dụng ñịnh luật ñó ñể xác ñịnh chiều của dòng ñiện cảm ứng trong trường hợp ở trên (hình 2.2.1a), Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòng ống dây làm cho từ thông gửi qua ống dây tăng lên Theo ñịnh luật Lenz, dòng ñiện cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều với từ trườngĠcủa thanh nam châm ñể từ thông Φc sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng của là nguyên nhân sinh ra nó Muốn vậy dòng ñiện cảm ứng phải có chiều như trên hình vẽ

Bằng lý luận ta nhận thấy nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa ống dây, dòng ñiện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có chiều ngược với chiều của dòng ñiện cảm ứng trong trường hợp trên (Hình 2.2.1b)

Như vậy, theo ñịnh luật Lenz, dòng ñiện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm Do ñó, ñể dịch chuyển thanh nam châm, ta phải tốn công Chính công mà ta tốn ñược biến thành ñiện năng của dòng ñiện cảm ứng

2.2.3 Định luật cơ bản của hiện tượng Cảm Ứng Điện Từ

Sự xuất hiện của dòng ñiện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất ñiện ñộng Suất ñiện ñộng ấy ñược gọi là suất ñiện ñộng cảm ứng

Để tìm biểu thức của suất ñiện ñộng cảm ứng, ta hãy dịch chuyển 1 vòng dây dẫn kín (C ) trong từ trường sao cho từ thông gửi qua vòng dây ñó thay ñổi, giả sử trong thời gian dịch chuyển dt, từ thông gửi qua mặt giới hạn bởi vòng dây biến thiên

1 lượng là dΦ, còn dòng ñiện cảm ứng xuất hiện trong mạch ñang chuyển ñộng là Ic Như vậy, công của lực từ tác dụng lên dòng ñiện cảm ứng bằng

dA'= -dA= - Ic.d Φ

Gọi ξc là suất ñiện ñộng cảm ứng, năng lượng của dòng ñiện cảm ứng tỏa ra trong thời gian dt bằng:

dW= Ic ξ c dt

Nhưng như ta ñã nói, công dA' mà ta tốn ñược chuyển thành năng lượng của dòng ñiện cảm ứng, do ñó:

2.3 Hiện tượng bức xạ ñiện từ

Bức xạ ñiện từ là quá trình biến ñổi năng lượng sóng liên kết thành năng lượng sóng tự do Sóng ñiện từ là sóng tự do, truyền lan trong môi trường vô tuyến do sự biến thiên giữa véc tơ ñiện trường và véc tơ từ trường

Khi nào thì có hiện tượng bức xạ ñiện từ? Khi trường tại ñiểm quan sát

(trường vùng xa) biến thiên ñộc lập với nguồn

Sóng ñiện từ di chuyển hay truyền

theo hướng vuông góc với hướng dao ñộng

của cả vectơ ñiện trường (E) và từ trường

(B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ ñến

ñích ở xa vô hạn Hai trường năng lượng

dao ñộng vuông góc với nhau (như hình

minh họa) và dao ñộng cùng pha theo dạng sóng sin toán học Các vectơ ñiện trường

và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng Để ñơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn ñiện trường và từ trường dao ñộng, mặc dù chúng vẫn tồn tại

Nếu ta cấp 1 nguồn ñiện V vào mạch LC ngay lập tức tụ ñiện ñược nạp ñầy còn cuộn dây thì sinh ra từ trường như 1 thanh nam châm

Khi ta ngắt nguồn ñiện cấp cho mạch LC ,Tụ ñiện phóng vào cuộn dây 1 dòng ñiện giảm dần,lúc này từ trường trong cuộn dây từ cực ñại và biến thiên trở thành cực tiểu Theo ñịnh luật cảm ứng ñiện từ cuộn dây lại sinh ra một dòng ñiện cảm ứng có chiều chống lại sự mất mát của từ trường, dòng ñiện này ngược chiều với dòng ñiện cấp vào ban ñầu cho mạch LC

Dòng ñiện cảm ứng sinh ra lúc này lại nạp ngược lại vào tụ ñiện lúc này tụ ñiện ñược tăng ñiện áp và cuộn dây lại tăng dần từ thông theo chiều ngược lại , hiện tượng cảm ứng ñiện từ lại xảy ra và cứ như thế bên trong mạch LC tồn tại 1 dòng ñiện xoay chiều hình sine

0

VCC

Dòng ñiện dao ñộng này sẽ ñạt cực ñại và duy trì mãi mãi khi ñiện trở ñộng của cuộn dây (cảm kháng) và dung kháng của tụ ñiện có giá trị ñiện trở bằng nhau Lúc này mạch dao ñộng LC ñạt ñến trạng thái gọi là cộng hưởng LC

2.4.2 Mạch LC thực tế

Trong thực tế

vì cuộn dây L ñược

cấu tạo từ vật liệu

3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG

• Yêu cầu thiết kế

o Mạch biến ñổi ñiện trường thành từ trường

Mạch này nhiệm vụ biến ñổi các tín hiệu, ñiện áp ñầu vào thành các dạng ñiện

áp, tín hiệu ở các tần số mong muốn nhằm mục ñích ñơn giản hóa cho việc nghiên cứu ban ñầu

o Mạch bức xạ ñiện trường

Sau khi có các tín hiệu mong muốn, ta cần bức xạ các tín hiệu này ra bên ngoài môi trường , công suất phát ra tối ña có thể

o Mạch thu các từ trường và biến ñổi thàng ñiện năng tiêu thụ

Mạch thu có nhiệm vụ bắt ñược chính xác các từ trường ñang ñược bức xạ ra bên ngoài, chuyển chúng lại thành năng lượng ñiện ñể ñưa ra tải tiêu thụ

3.1 Phân tích

o Việc nghiên cứu ban ñầu ñược thực hiện với một module controlled oscillator ) ñược sử dụng rất nhiều trong các thiết bị di ñộng, ñể tạo một dao ñộng có kiểm soát ñược

VCO(Voltage-Các module này sẽ tạo ra một tần số 13MHz, ñây là tần số gần bằng với tần số bức xạ của thiết bị thẻ kiểm soát an ninh RFID (Radio Frequency Identification)

RFID là hệ thống nhận dạng thiết bị dựa trên sóng radio có tần số sóng mang 13,56MHZ Đây cũng ñược coi là thiết bị truyền ñiện không dây ñầu tiên của thế kỷ

20 Bên trong mỗi thẻ RFID có một mạch cộng hưởng LC , khi thẻ ñược ñưa vào vùng phát sóng ñiện từ thì mạch cộng hưởng LC sẽ thu sóng mang của mạch phát và chuyển ñổi thành ñiện năng cấp cho bộ vi xử lý hoạt ñộng , sau ñó bộ vi xử lý trong thẻ sẽ gửi trả lại tín hiệu ID của thẻ ñể hệ thống nhận dạng

Và ñây là thành quả ñạt ñược:

Đặt trong nước vẫn hoạt ñộng tốt

Trong mạch thử nghiệm này, khó khăn cho việc thiết kế chính là tìm linh kiện cho phù hợp tần số 13MHz

Bước tiếp theo là tìm một bếp ñiện từ và mở ra quan sát Khi tìm hiểu, ta nhận thấy bếp từ hoạt ñộng chủ yếu dựa trên dòng ñiện cảm ứng Foucault Cuộn dây ñược quấn theo dạng hình ñĩa

Dựa trên nguyên lý làm việc của thẻ từ và bếp từ này, ta cũng sẽ thiết kế 1 mạch phát, chủ yếu dùng khung cộng hưởng LC( cách quấn dây như bếp từ), giúp cho việc phát từ trường ra không gian có tính ñịnh hướng hơn

26

3.2 Sơ ñồ khối

Phần phát từ trường

Hệ thống phát gồm những khối như:

- Nguồn: cung cấp nguồn cho toàn mạch

- Định hướng: hay còn gọi là lái

- Bộ tạo xung dao ñộng kiểm soát ñược

- Bảo vệ mạch: phần này có thể coi như tự ñiều chỉnh ñộ lợi

- Khuếch ñại công suất

3.3 Sơ ñồ chi tiết

Trong phần phát, ta có 2 mạch nguồn: 1 cung cấp cho các linh kiện trong mạch

ñể hoạt ñộng, 1 nguồn ñể cấp cho phần công suấttạm gọi là nguồn cao áp, vì có ñiện thế khá cao ñể tạo ra công suất phát lớn

Đối với nguồn ñiện 15V/1A như vầy, ta không ñủ năng lượng ñể ñưa vào phần cộng hưởng từ ñể phát ra ngoài, do ñó, ta phải dùng thêm 1 nguồn ñiện khác có ñiện thế từ 40VDC trở lên

C_1000uF D4

D3

15V

Gnd AC24V

3.3.2 Nguồn cao áp

Về mặt nguyên lý, mạch nguồn cao áp này không khác gì mấy so với nguồn cung cấp VCC ở trên Nhưng quả thật, ñúng như tên gọi nguồn cao áp, ñiện áp cả ngõ

ra lẫn ngõ vào ñều khá cao

Ngõ vào lấy ñiện áp 60V AC từ biến áp chính Sau khi qua cầu Diode 5A, ñiện

áp ngõ ra ñạt khoảng 80VDC Hai tụ ñiện mắc nối tiếp sẽ làm giảm trị số xuống, song ñiều mà ta cần ở ñây là ñiện áp của 2 tụ lọc ñược tăng lên

Theo tìm hiểu thì các thử nghiệm mà nước ngoài làm, họ dùng trực tiếp nguồn ñiện xoay chiều ( 220VAC hay 110 VAC) Trong khuôn khổ của Luận Văn này, tác giả dùng ñiện 80VDC, ñể giảm bớt sự nguy hiểm

J4

AC60V

1 2

C_2200uF Gnd

C_2200uF VPP

D1

0

Q1 FGA25N120

1

C1 472

VR2 50k

Gnd

C2 103

R2 22k

31

Tụ C3 lọc nguồn, C2 lọc nhiễu IC NE555

Cặp Transistor Q2, Q3 mắc theo kiểu ñẩy kéo nối tiếp thay nhau ñóng mở ở mỗi nữa chu ký tín hiệu lấy ở chân 3

Q1 là MOSFET với mã số FGA25N120, là loại linh kiện dùng ñể khuếch ñại công suất phổ biến trong bếp từ Ta dùng MOSFET này ñể làm tầng Khuếch Đại công suất trước khi ñưa ra khung cộng hưởng Theo datasheet thì MOSFET này có thể chịu ñược ñiện áp là 1200V và dòng ñiện tối ña là 25A

Khung cộng hưởng LC, dùng ñể tạo ta từ trường bức xạ ra bên ngoài, bên vạnh ñó, vòng dây cũng ñược coi như một anten, phát theo hướng nhất ñịnh

IC NE555 dùng tạo dao ñộng với tần số 200kHz

IC NE555 là loại IC ñơn phiến, dùng làm bộ ñịnh thời, bộ tạo dao ñộng, so áp… Đây là loại IC rất ña năng và tương ñối rẻ tiền, thể tìm thấy ở hầu hết các tiệm linh kiện chợ Nhật Tảo

Tần số tín hiệu ngõ ra chân 3 phụ thuộc cá ñiện trở trên chân số 6, 7 như ñiện trở R1,R2, các biến trở và tụ ñiện C472

Giả sử chân số 3, ngỏ ra ñang ở mức ñiện áp cao, lúc này, tụ C1 sẽ nạp ñiện áp, dòng ñiện chạy qua R1, VR1,Diode D1,

3.3.4 Mạch thu

Để cho ñơn giản, trong phần mạch thu ta chỉ sử dụng 1 Diode dùng ñể chỉnh lưu

Khung cộng hưởng với L,C có giá trị như phần phát công suất ñể có ñược tần

số giống nhau, Diode dùng ñể chỉnh lưu bán kỳ, tụ C4, C5 lọc nguồn

Tải dùng trong mô hình này là một bóng ñèn 12V/18W ( tải R) và một quạt sử dụng ñiện 12VDC có thể tìm trong các máy tính

D12

DIODE

C5 C

C4 C C

L

4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Chọn tần số làm việc là dãi tần từ 180kHz ñến 210kHz trong ñó tần số trung

tâm là 190 kHz Khi ta ñiều chỉnh các giá trị LC ñúng giá trị tại tần số trung tâm này,

mạch sẽ cộng hưởng ñược tốt nhất, và phát ra bên ngoài công suất lớn nhất

Tính các giá trị cho L, C khung cộng hưởng khi ñã có tần số theo công thức:

f = 1

2 π L C.Công thức trên giúp ta chọn ñược một giá trị tụ ñiện C cố ñịnh Sau ñó ta tiến

hành quấn các cuộn dây theo trị số ñể có ñược f theo như yêu cầu là khoảng 180kHz

ñến 210kHz

Trên thị trường có bán rất nhiều loại tụ ñiện với các giá trị khác nhau, nhưng ña

phần, các tụ này sai số cao, thêm nữa khi lắp vào mạch chạy thử nghiệm, sau một

khoảng thời gian ngắn, các tụ này bị “trôi” Nghĩa là giá trị sẽ bị trồi sụt Điều này có

nghĩa là mạch sẽ bị mất cộng hưởng, gây chết MOSFET tầng công suất

Các tụ ñiện thường thấy trên thị trường, sai số cao và bị trôi

Để tránh tình trạng “trôi” giá trị khi mạch hoạt ñộng, bắt buộc linh kiện phải là loại tốt Các tụ ñiện ñược ñề xuất có các giá trị tầm 0.1uF; 0.22uF; 0.47uF của các hãng danh tiếng thì rất khó ñể kiếm ở Việt Nam Khó khăn tiếp theo là các tụ mới thường rất ñắt tiền Tuy nhiên ta có thể tìm các tụ ñiện này trong các máy xác máy hư,

cũ, chất lượng khá là ổn ñịnh

Tụ WIMA là loại tụ có ñiện áp cao, sai số ít, ít bị trôi khi hoạt ñộng, nên là

sự lựa chọn ñáng tin cậy