Mạch dao động là 1 mạch điện gồm 1 cuộn cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với 1 tụ điện có điện dung C thành 1 mạch điện kín. Nếu điện trở của mạch rất nhỏ, coi như bằng không, thì mạch là 1 mạch dao động lí tưởng. Tụ điện có nhiệm vụ tích điện cho mạch, sau đó nó phóng điện qua lại trong mạch nhiều lần tạo ra một dòng điện xoay chiều trong mạch.
Khi đó trong mạch có 1 dao động điện từ với các tính chất:
- Năng lượng của mạch dao động gồm có năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện và năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm.
- Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường cùng biến thiên tuần hoàn theo 1 tần số chung.
- Tại mọi thời điểm, tổng của năng lượng điện trường và năng lượng từ trường là không đổi, nói cách khác năng lượng của mạch dao động được bảo toàn.
- Khi 1 từ trường biến thiên theo thời gian thì nó sinh ra 1 điện trường xoáy (là 1 điện trường mà các đường sức bao quanh các đường cảm ứng từ). Ngược lại khi một điện trường biến thiên theo thời gian nó sinh ra 1 từ trường xoáy (là 1 từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức của điện trường).
- Dòng điện qua cuộn dây là dao động dẫn, dao động qua tụ điện là dao động dịch (là sự biến thiên của điện trường giữa 2 bản tụ)
- Điện trường và từ trường là 2 mặt thể hiện khác nhau của 1 loại trường duy nhất là điện từ trường.
- Để phát sóng điện từ người ta mắc phối hợp 1 máy phát dao động điều hoà với 1 ăngten (là 1 mạch dao động hở).
- Để thu sóng điện từ người ta mắc phối hợp 1 ăngten với 1 mạch dao động có tần số riêng điều chỉnh được (để xảy ra cộng hưởng với tần số của sóng cần thu).
- Năng lượng của sóng tỉ lệ với bình phương của biên độ, với luỹ thừa bậc 4 của tần số. Nên sóng càng ngắn (tần số càng cao, do = c/f ) thì năng lượng λ
sóng càng lớn.
Các đại lượng đặc trưng dao động điện từ
- Điện tích tức thời:
0cos
q q t (3.1)
- Hiệu điện thế (điện áp) tức thời: 0 0 cos cos q q u t U t c C (3.2) - Dòng điện tức thời: ' 0sin 0cos 2 i q q t I t (3.3)
→ u, q dao động cùng pha; i sớm pha hơn u, q 1 góc π/2.
- Cảm ứng từ:
0cos
2
B B t (3.4)
Trong đó: 1
LC là tần số góc riêng T 2 LC là chu kỳ riêng 1
2 f LC là tần số riêng. 0 0 0 q I q LC (3.5) 0 0 0 0 0 q I L U LI I C C C (3.6)
- Năng lượng điện trường:
2 2 2 0 2 1 1 cos 2 2 2 2 c q q W Cu qu t C C (3.7)
- Năng lượng từ trường: 2 2 0 2 1 sin 2 2 L q W Li t C (3.8)
- Năng lượng điện từ:
2 2 0 2 d 0 0 0 0 1 1 1 2 2 2 2 t q W W W W CU q U LI C (3.9)
- Mạch dao động có tần số góc ω, tần số f và chu kỳ T thì Wđ và Wt biến thiên với tần số góc 2ω, tần số 2f và chu kỳ T/2.
- Mạch dao động có điện trở thuần R ≠ 0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung cấp cho mạch một năng lượng có công suất:
2 2 2 2 2 0 0 2 2 C U RCU P I R R L (3.10)
- Khi tụ phóng điện thì q và u giảm và ngược lại. Quy ước: q > 0 ứng với bản tụ ta xét tích điện dương thì i > 0 ứng với dòng điện chạy đến bản tụ mà ta xét.
- Mối liên hệ giữa các giá trị u, i, U0 và I0:
2 2 2 0 2 2 2 0 L u i U C C u i I L (3.11)
Góc quay của tụ xoay:
- Công thức xác định điện dung của tụ điện phẳng:
9 . 4 .9.10 . S C d (3.12)
- Khi tụ quay từ min đến α (để điện dung từ Cmin đến C) thì góc xoay của tụ là:
min
max max min
max min
.( )
C C
C C (3.13)
- Khi tụ quay từ vị trí về vị trí α (để điện dung từ C đến
C ) thì góc xoay của tụ là:
max
max max min
max min
.( )
C C
C C (3.14)
2
1 2
c
W CE (3.15)
E là suất điện động của nguồn, C là điện dung tụ.
- Cấp năng lượng ban đầu cho cuộn dây: 2 2 0 1 1 2 2 L E W LI L r (3.16)
r là điện trở trong của nguồn.
- Cho mạch dao động với L cố định. Mắc L với C1 được tần số dao động là f1, mắc L với C2 được tần số là f2.
- Khi mắc nối tiếp C1 với C2 rồi mắc với L ta được tần số f thỏa:
2 2 2
1 2
f f f (3.17)
- Khi mắc song song C1 với C2 rồi mắc với ℓ ta được tần số f thỏa mãn:
2 2 2 1 2 1 1 1 f f f (3.18) 3.3. Mạch cộng hưởng LC Mạch LC lý tưởng Hình 3.1: Mạch cộng hưởng L-C lý tưởng.
Mạch dao động LC là một mạch điện bao gồm 1 cuộn dây và 1 tụ điện mắc song song với nhau (như hình trên). Bản thân mạch dao động LC là một mạch không hề dao động trừ phi ta cấp 1 nguồn điện V hoặc cung cấp một từ thông biến thiên ban đầu vào cho mạch .
Ở đây để cho dễ hiểu ta hình dung cuộn dây đóng vai trò như một máy phát điện và tụ điện đóng vai trò như một bình ắc quy lưu điện. Chuyện gì xảy ra khi ta cấp nguồn điện ban đầu vào cho mạch LC này ?
Nếu ta cấp 1 nguồn điện V vào mạch LC ngay lập tức tụ điện được nạp đầy còn cuộn dây thì sinh ra từ trường như 1 thanh nam châm.
Khi ta ngắt nguồn điện cấp cho mạch LC, Tụ điện phóng vào cuộn dây 1 dòng điện giảm dần, lúc này từ trường trong cuộn dây từ cực đại và biến thiên trở thành cực tiểu. Theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây lại sinh ra một dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự mất mát của từ trường, dòng điện này ngược chiều với dòng điện cấp vào ban đầu cho mạch LC.
Dòng điện cảm ứng sinh ra lúc này lại nạp ngược lại vào tụ điện, lúc này tụ điện được tăng điện áp và cuộn dây lại tăng dần từ thông theo chiều ngược lại, hiện tượng cảm ứng điện từ lại xảy ra và cứ như thế bên trong mạch LC tồn tại 1 dòng điện xoay chiều hình sin.
Dòng điện dao động này sẽ đạt cực đại và duy trì mãi mãi khi điện trở động của cuộn dây (cảm kháng) và dung kháng của tụ điện có giá trị điện trở bằng nhau. Lúc này mạch dao động LC đạt đến trạng thái gọi là cộng hưởng LC.
Mạch LC thực tế
Hình 3.2: Mạch cộng hưởng L-C thực tế.
Trong thực tế vì cuộn dây L được cấu tạo từ vật liệu như đồng, nhôm, hay cao cấp hơn là vàng (không phải siêu dẫn) nên ngoài cảm kháng của cuộn dây còn có điện trở thuần của nó. Tụ điện cũng vậy ngoài dung kháng của tụ còn có điện trở thuần của tụ vì dung môi cấu tạo nên tụ không cách điện hoàn toàn. Chính vì vậy mạch cộng hưởng LC trong thực tế còn có thêm một điện trở thuần làm tiêu hao năng lượng bên trong mạch. Do đó tín
hiệu trong mạch cộng hưởng LC chính là các dao động tắt dần có dạng hình chuông có dạng như hình dưới
Hình 3.3: Dao động tắt dần của mạch cộng hưởng L-C
Hình trên cho chúng ta thấy điện áp kích thích cho mạch cộng hưởng LC là sóng vuông (màu vàng ) và dòng điện bên trong khung cộng hưởng LC có dạng hình chuông (màu xanh bên dưới )
- Tìm hiểu nguyên lý truyền và nạp điện không dây
Sơ đồ khối:
Nguồn cung cấp:
Nguồn cung cấp Phần phát sóng điện từ Phần thu sóng điện từ
Nguồn 220V Di od e ch ỉn h lư u IC ổn áp Mạch lọc Ngõ điện áp ra
Hình 3.4: Sơ đồ khối nguồn cung cấp
Là cung cấp điện cho bộ phận phát sóng điện từ được tạo ra từ nguồn cao áp 220V tạo thành nguồn điện áp 15V này chính là nguồn nuôi chủ yếu cho các linh kiện trong mạch hoạt động. Lấy điện áp xoay chiều 24V từ ngõ ra của biến thế, qua 4 Diode 4007, chỉnh lưu toàn kỳ. Sau đó ta tiếp tục cho qua IC ổn áp nguồn LM7815 để ngõ ra được điện áp ổn định 15V, dòng tối đa 1A. Các tụ 1000uF nhiệm vụ lọc nguồn, giúp cho điện áp ngõ ra ít nhấp nhô( phẳng) hơn.
Phần phát sóng điện từ
Hình 3.5: Sơ đồ khối mạch phát sóng điện từ
- 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 động kiểm soát được
- Bảo vệ mạch: Phần này có thể coi như tự điều chỉnh độ lợi - Khuếch đại công suất
Phần thu sóng điện từ
Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch thu sóng điện từ
Gồm:
- Khung cộng hưởng LC - Chỉnh lưu
- Ổn áp nguồn
Hình 3.7: Mô hình truyền nạp năng lượng sóng điện từ.
Hình 3.8: Dạng sóng điện từ truyền khi có vật cản Chú thích: 1: Các đường sức từ
2: Nguồn điện cung cấp 3: Môi trường có vật cản 4: Vòng dây thu và Tải
3.4. Cấu trúc và nạp năng lượng pin Lion
Pin lithium ion hay pin Li-ion là loại pin có thể sạc lại trong đó các ion lithium di chuyển từ điện cực âm đến cực dương trong quá trình xả, và trở lại khi sạc. Pin li-ion sử dụng một hợp chất lithium làm vật liệu điện cực.
Hình 3.9: Hình ảnh nạp xả pin Lion
Cấu tạo:
Ba thành phần chức năng chính của một pin li-ion là điện cực âm, điện cực dương và chất điện phân. Điện cực âm của một Cell pin li-ion thông thường được làm từ carbon. Điện cực dương là một oxit kim loại, và chất điện phân là
muối lithium trong dung môi hữu cơ. Vai trò điện hóa của các điện cực thay đổi giữa cực dương và cực âm, tuỳ thuộc vào hướng của dòng chảy.
Vật liệu điện cực âm thương mại phổ biến nhất là than chì. Điện cực dương thường là một trong ba vật liệu:. Một lớp oxit (như lithium cobalt oxide), một polyanion (như lithium sắt photphat), hoặc một spinel (như lithium oxit mangan). Chất điện phân thường là một hỗn hợp của cacbonat hữu cơ như ethylene cacbonat hoặc cacbonat diethyl chứa phức hợp của các ion lithium. Những chất điện phân không chứa nước như lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium hexafluoroarsenate monohydrat (LiAsF6 ), lithium perchlorate (LiClO4), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), và lithium triflate (LiCF3SO3). Tùy thuộc vào sự lựa chọn vật liệu, điện áp, công suất, số chu kỳ phóng-nạpvà an toàn của pin lithium-ion có thể thay đổi đáng kể. Gần đây, kiến trúc mới sử dụng công nghệ nano đã được sử dụng để cải thiện hiệu suất.
Lithium tinh khiết phản ứng mạnh với nước để tạo thành lithium hydroxide và khí hydro. Vì vậy, một chất điện phân không có nước là thường được sử dụng, và một vỏ kín chắc chắn, không chứa nước được dùng để đóng gói pin.
Pin Li-ion đơn là một cell Li-ion duy nhất, được nạp trong 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Với dòng không đổi, thông thường khoảng 0,5 đến 0,8 C. Ví
dụ pin dung lượng 1430 mAh được nạp dòng 750 mA. Trong giai đoạn này điện áp pin tăng và dòng nạp duy trì không đổi.
- Giai đoạn 2: Với điện áp điện áp không đổi và dòng giảm. Quá trình kết
thúc khi dòng nạp bằng 3% dòng nạp ban đầu. Với pin Li-ion tổ hợp của các cell li-ion, qui trình nạp phải có thêm giai đoan cân bằng nhằm đảm bảo các cell cân bằng nhau trong tổ hợp pin. Thường người ta áp dung chế độ dòng không đổi ngắt quãng tránh cho pin quá nhiệt. Giai đoạn này tiếp nối sau giai đoạn nạp với dòng không đổi . Giai đoạn cuối là giai đoạn nạp với điện áp không đổi.
3.5. Sơ đồ khối và nguyên lý nạp năng lượng cho Pin
Khi gắn Pin, điện áp BATTERY+ đi qua mạch đầu vào BATTERY để đi vào đường “Nguồn đầu vào” cấp điện cho các nguồn xung. Nếu chỉ gắn Pin thì các nguồn xung vẫn chưa hoạt động cho đến khi bật công tắc “Power On”.
Nếu cắm Adapter qua chân DCIN, điện áp này đi qua mạch đầu vào DCIN đến “Nguồn đầu vào”. Lúc này điện áp nguồn đầu vào cao hơn nguồn BATTERY+ nên đường Pin ngừng cấp điện vào máy. Mạch dò áp sẽ báo về IC điều khiển để ra lệnh cho nguồn cấp trước hoạt động, cấp điện áp 5V và 3.3V cho IC điều khiển nguồn.
IC điều khiển nguồn kiểm tra dung lượng Pin thông qua hai tín hiệu Data và Clock. Nếu Pin yếu thì IC điều khiển sẽ cho ra lệnh Char_En để điều khiển nguồn xung hoạt động, tạo ra điện áp sạc đổ vào cực (+) của Pin.
Mạch dao động trên nguồn xung xạc Pin sẽ kiểm tra dòng xạc rồi báo về IC điều khiển nguồn. IC điều khiển sẽ đưa ra lệnh Char_CLT để điều khiển dòng xạc đi vào Pin. Nếu dòng xạc quá ngưỡng cho phép thì IC sẽ ngắt lệnh Char_En.
Chân Temp báo nhiệt độ của Pin. Nếu Pin bị quá nhiệt thì chân này sẽ báo tín hiệu về IC điều khiển và IC sẽ ngắt lệnh Char_En.
3.6. Kết luận chương
Nội dung chương 3 tập chung nghiên cứu:
- Nguyên cứu làm sáng tỏ được nguyên lý hoạt động các mạch cộng hưởng điện từ L-C
- Nghiên cứu làm rõ được các mạch nạp năng lượng, điển hình là cho cell pin laptop
CHƯƠNG 4
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NẠP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG SÓNG ĐIỆN TỪ
4.1. Nội dung nghiên cứu
Trong nội dung chương này tính toán Thiết kế, chế tạo một máy phát, thu điện từ trường dùng điện năng ở một khoảng tần số nhất định, biến đổi điện năng ấy thành từ trường phát ra ngoài môi trường không khí, bên thu tiếp nhận năng lượng sóng điện từ này trong không gian chuyển đổi thành điện năng tiêu thụ. Tính toán thiết kế mạch nạp năng lượng không dây sử dụng cộng hưởng
4.2. Yêu cầu thiết kế
o Mạch biến đổi điện trường thành từ trường
Mạch này nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu, điện áp đầu vào thành các dạng điện áp, tín hiệu ở các tần số mong muốn.
o Mạch bức xạ điện 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 đa có thể.
o Mạch thu các từ trường và biến đổi thàng điện năng tiêu thụ
Mạch thu có nhiệm vụ bắt được chính xác các từ trường đang được bức xạ ra bên ngoài, chuyển chúng lại thành năng lượng điện để đưa ra tải tiêu thụ.
4.3. Tính toán thiết kế
Thông số kỹ thuật yêu cầu + Công suất thu: PRx 15W
+ Khoảng cách truyền: d = 30Cm + Điện áp đầu ra: U2 110V
Theo yêu cầu bài toán chọn các thông số cần thiết kế như sau: + Dải tần số cộng hưởng: f 60 80KHz
+ Đường kính cuộn dây DL 0,3m
Tính toán số vòng dây
Điện cảm cuộn dây được tính như sau: 2 1 1 1 * 2 2 . f L f C L C (4.1)
- Công suất thu:
2 2 2 2 . Rx Rx P P U I I U (4.2) - Ta lại có: 2 2 2 . 2 2 2 2 . L L U U C U Z I I U Z f L L (4.3)
= > Thay dòng điện công thức ( 3.3) vào (3.2) ta được:
4 2 2 2 2 2 Rx Rx P C U C I U L U L P (4.4)
Chọn mạch thu có tụ xoay giá trị điện dung C1 = 10pF đến C2 = 490pF điều chỉnh điện dung chọn tần số cộng hưởng
Bảng giá trị điện dung C của tụ xoay ( pF) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96