Здесь представлена схема беспроводного модуля питания, в которой передача энергии осуществляется с использованием воздушного соединения магнитных цепей передающей и приемной катушек, работающих в резонансе. Схема в зависимости от условий связи и мощности, способна передавать по беспроводной сети до 20 Вт. Всё состоит из двух блоков, передатчика и приемника с выпрямителем и фильтром, который создает постоянное напряжение. Схема передатчика показана на рисунке 1, а приемника – на рисунке 2.
Модуль работает путем передачи энергии через резонансные радиочастотные цепи приемника и передатчика. Микросхема U1 (MIC1557) представляет собой упрощенную версию NE555. В передатчике это генератор прямоугольных сигналов с рабочим циклом 50%. Частота колебаний устанавливается через R1 / C1 примерно на 100 кГц. Выходной сигнал генератора подается на формирующие цепи, состоящие из диодов D1, D2, конденсаторов C2, C3 и резисторов R3, R4, предотвращающих одновременное открытие силовых транзисторов. Сигналы управляющие затворами поступают в буфер U2 (TC4428), что обеспечивает быструю перезарядку емкости затворов Q1, Q2.
Транзисторы управляются дополнительным сигналом. Нагрузка на стоки представляет собой резонансный контур, состоящий из катушки LTX и конденсаторов C7-C9, Cx с резонансной частотой, установленной на 100 кГц. L1, L2 выполняет фильтрацию шумов из резонансного контура, конденсаторы C10, C11, CE2, CE3 фильтруют источник питания. Передатчик питается от разъема PWR. Дополнительный стабилизатор U3 использовался для питания U1 напряжением 3,3 В. Это увеличивает стабильность частоты сигнала 100 кГц. Светодиод PR указывает на наличие питания. Передатчик может питаться от 5 до 14 В.
Приёмник был сделан максимально просто. Сигнал от резонансного контура, состоящего из катушки LRX и конденсаторов C1-C3, Cx, выпрямляется мостом из диодов Шоттки D1-D4. Напряжение фильтруется конденсаторами CE1, CE2. Трансил D5 предотвращает превышение напряжения до 56 В без нагрузки.
Схема собрана на двух небольших двусторонних печатных платах, чертеж сборки которых представлен на рисунке. Для правильной работы расстояние между передающей и приемной катушками должно быть около 4 мм. Важно взаимное расположение центров катушек, которое необходимо учитывать при подаче питания. Стоит прикрепить к транзисторам небольшие радиаторы BGA.
Для тестирования модуля использовался понижающий преобразователь на базе LM2596HV. Он работает в диапазоне входных напряжений 7,5-50 В с выходным током до 3 А. Питание преобразователя осуществляется непосредственно с выхода PWR приемника. При испытаниях расстояние между приемной и передающей катушками было установлено на 2 мм с помощью текстолитовой прокладки. В зависимости от допусков элементов резонансного контура стоит его настроить и, при необходимости, подобрать дополнительный конденсатор Cx для получения максимальной эффективности приемника и передатчика. В схеме нет защиты от перегрузки.
Результаты модельных измерений выходного напряжения преобразователя представлены в таблице. Неудивительно, что с увеличением напряжения питания можно передавать больше мощности. Также увеличивается КПД. Для типичного применения, такого как зарядка телефона от 5 В, можно достичь мощности до 5 Вт с эффективностью менее 50%. Особенно хорошие результаты получаются когда на передатчик подается напряжение 12 В, а выходное напряжение инвертора установлено на 12 или 24 В. Тогда можно передавать мощность 10-20 Вт с эффективностью до 77%. Напряжение Vrx – это напряжение на выходе приемника. Следует помнить что работа приемника без нагрузки приведет к увеличению выходного напряжения до тех пор, пока не сработает переход D5.
В рамках экспериментов стоит попробовать подавать питание от приемника на преобразователи с помощью встроенного алгоритма отслеживания максимальной мощности MPPT, соответствующим образом выбирая напряжение в точке максимальной мощности.
