Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
2
3
4
5
Poděkování
Na tomto místě bych rád poděkoval panu Ing. Miroslavu Holadovi, Ph.D., za odborné vedení diplomové práce, za poskytnuté informace, cenné rady, součástky a materiály. Dále kolegovi Tomáši Němečkovi za konzultace ohledně práce se sériovou linkou na platformě .NET. Také bych rád poděkoval firmě H+H elektronika a firmě S+K elektro za pomoc při výběru součástek.
6
Abstrakt
Hlavním cílem této práce bylo seznámit se s dostupnými druhy bezdrátového přenosu energie a na základě zvolené technologie navrhnout a otestovat prototyp kompletního systému pro bezdrátové dobíjení mobilních robotů. Projekt zasahuje do mnoha oblastí:
bezdrátový přenos energie a její zpracování, bezdrátový přenos dat, dobíjení baterií, datová komunikace, návrh a výroba elektroniky, programování mikrořadičů, návrh softwaru pro PC a podobně.
V průběhu práce je nejdříve zvolena technologie pro přenos energie a poté navržen celý koncept pro bezdrátový dobíjecí systém. Následně je navrženo schéma kompletní sestavy a systém komunikace. Jednotlivé části jsou poté navrženy, sestaveny a otestovány. Dále jsou sepsány programy pro mikrořadiče v jednotlivých částech a otestována komunikace mezi nimi. V závěru práce je vytvořen monitorovací software pro PC, který poskytuje lepší přehled o běhu celého systému.
Výsledkem je funkční Vysílací a Přijímací stanice. Vysílací stanice je složena z Vysílače, Rezonančního vysílače, Rádiového modulu, Displaye a UART/USB modulu pro komunikaci s PC, kde běží monitorovací program. Přijímací stanice je složena z Přijímače, ke kterému je připojena baterie robota, Rezonančního přijímače a Rádiového modulu.
Klíčová slova: bezdrátový přenos energie, bezdrátová komunikace, dobíjení baterií.
7
Abstract
The main objective of the thesis is to learn about the available types of wireless power transmission and on the basis of selected technology to design and test a prototype of a complete system for wireless charging for mobile robots. The project interferes with many fields: wireless power transmission and processing, wireless data transmission, battery charging, data communication, design and production of electronics, microcontroller programming, PC software design etc.
During the work, the technology was chosen at the first place. In the next step, the data transmission and the whole concept for wireless charging system is designed. After that the complete assembly scheme and communication system is proposed. Furthermore, the individual parts of the system are designed, assembled and tested. After successful tests, the programs for communication between individual parts of microcontrollers are written and also tested. The last part of thesis is dedicated to creation of a PC monitoring software that provides a better overview of the whole run of system.
The result is a functional Transmitter and a Receiver station. The Transmitting station is composed of a Transmitter, Resonant transmitter, Radio module, Display and UART/USB module for communication with a PC, where runs the monitoring program.
The Receiving station consists of Receiver that is connected to robot battery, Resonant receiver and a Radio module.
Keywords: wireless power transmission, wireless communication, battery recharging.
8
Obsah
Prohlášení ... 4
Poděkování ... 5
Abstrakt ... 6
Obsah ... 8
Seznam použitých zkratek ... 9
Seznam obrázků, tabulek a grafů ... 10
Úvod ... 11
1 Bezdrátový přenos ... 13
1.1 Historie bezdrátového přenosu energie ... 13
1.2 Druhy bezdrátového přenosu energie ... 14
1.2.1 Elektromagnetická indukce ... 14
1.2.2 Elektromagnetická radiace ... 16
1.2.3 Elektrické vedení (skrze přírodní materiály) ... 19
1.3 Firmy a standardy ... 20
1.3.1 Wireless power consortium ... 20
1.3.2 Qi standard ... 20
1.4 Vliv elektromagnetického pole a záření na člověka. ... 20
2 Výběr vhodné technologie přenosu ... 21
2.1 Indukční přenos ... 22
2.2 Rezonanční přenos ... 23
2.3 Shrnutí a výběr ... 24
3 Rozbor požadavků na systém ... 25
3.1 Blokové schéma ... 26
3.2 Popis jednotlivých bloků ... 27
3.2.1 Display ... 27
3.2.2 Datové moduly ... 28
3.2.3 Rezonanční vysílač ... 30
3.2.4 Rezonanční přijímač ... 30
3.2.5 Vysílač ... 31
3.2.6 UART/USB modul ... 31
3.2.7 Přijímač ... 32
3.3 Rozhraní mezi jednotlivými bloky ... 32
4 Návrh a výroba jednotlivých částí ... 33
4.1 Rezonanční vysílač ... 34
4.2 Rezonanční přijímač ... 36
4.3 UART/USB modul ... 39
4.4 Vysílač ... 41
4.5 Přijímač ... 45
9
5 Návrh softwarové části ... 48
5.1 Programy pro mikrokontroléry ... 49
5.1.1 Program pro Přijímač ... 50
5.1.2 Program pro Vysílač ... 51
5.2 Monitorovací software pro PC ... 52
6 Testování systému ... 54
7 Návrhy do budoucna ... 55
Závěr ... 57
Použitá literatura a zdroje informací ... 58
Přílohy ... 63
Příloha A ... 63
Příloha B ... 63
Seznam použitých zkratek
DC/DC Direct Current/Direct Current – stejnosměrný měnič
DPS Deska plošného spoje
GPIO General Purpose Input/Output – programovatelné vstupy/výstupy I2C Inter-Integrated Circuit – počítačová sériová sběrnice
ICNIRP International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection – mezinárodní komise pro ochranu před neionizujícím zářením LED Light-Emitting Diode – dioda emitující světlo
PCB Printed Circuit Board – deska plošného spoje
SMD Surface-Mount Device – součástka pro povrchovou montáž UART Universal Asynchronous Receiver and Transmitter
– univerzální asynchronní sériové rozhraní UHF Ultra High Frequency – ultra vysoká frekvence USB Universal Serial Bus – univerzální sériová sběrnice
WPC Wireless Power Consortium – konsorcium pro bezdrátovou energii WPF Windows Presentation Foundation
– subsystém pro vývoj uživatelského rozhraní
10
Seznam obrázků, tabulek a grafů
Obrázek 1: Přenos energie pomocí elektrodynamické rezonance [11] ... 15
Obrázek 2: Nikola Tesla poprvé demonstruje metodu elektrostatické indukce [11] ... 16
Obrázek 3: Sada pro rádiový přenos energie od firmy Microchip [26] ... 17
Obrázek 4: Koncept satelitních solárních elektráren [28] ... 18
Obrázek 5: Koncept pro dobíjení létajících robotů laserovým paprskem [29] ... 18
Obrázek 6: Teslova Wardenclyffova věž [30] ... 19
Obrázek 7: Srovnání indukčního a rezonančního přenosu energie [35] ... 21
Obrázek 8: Schéma pro indukční přenos [36] ... 22
Obrázek 9: Schéma pro rezonanční přenos [37] ... 23
Obrázek 10: Indukční a rezonanční přenos mezi cívkami [39] ... 24
Obrázek 11: Blokové schéma bezdrátového dobíjecího systému ... 26
Obrázek 12: SIC1602A20C ... 27
Obrázek 13: Modul HM-TR... 28
Obrázek 14: Zapojení Rádiového modulu pro komunikaci [42] ... 28
Obrázek 15: Software pro konfiguraci HM-TR [42] ... 29
Obrázek 16: Zapojení modulu HM-TR pro komunikaci [42] ... 29
Obrázek 17: Nažehlení toneru [50] ... 33
Obrázek 18: Schéma Rezonančního vysílače... 34
Obrázek 19: DPS Rezonančního vysílače ... 35
Obrázek 20: Rezonanční vysílač ... 35
Obrázek 21: Schéma Rezonančního přijímače... 36
Obrázek 22: DPS Rezonančního přijímače ... 36
Obrázek 23: Rezonanční přijímač ... 36
Obrázek 24: Schéma Regulačního modulu ... 38
Obrázek 25: Regulační modul ... 38
Obrázek 26: Umístění Regulačního modulu ... 38
Obrázek 27: Schéma UART/USB modulu ... 39
Obrázek 28: DPS UART/USB modulu ... 40
Obrázek 29: UART/USB modul ... 40
Obrázek 30: ACS758LCB-50U-PFF-T [52] ... 41
Obrázek 31: Obvod pro měření proudu ... 42
Obrázek 32: DPS Vysílače ... 43
Obrázek 33: Vysílač ... 44
Obrázek 34: DPS Přijímače ... 46
Obrázek 35: Přijímač ... 47
Obrázek 36: Diagram Přijímače ... 50
Obrázek 37: Diagram Vysílače ... 51
Obrázek 38: Software pro PC ... 53
Obrázek 39: Vhodnější DC/DC konvertor [57] ... 55
Obrázek 40: Kompletní sestava ... 63
Obrázek 41: Schéma Vysílače ... 64
Obrázek 42: Schéma Přijímače ... 65
Tabulka 1: Hodnoty naměřené na Rezonančním vysílači a přijímači ... 37
Tabulka 2: Tabulka požadavků a odpovědí pro Vysílač ... 44
Tabulka 3: Tabulka požadavků a odpovědí pro Přijímač ... 47
Graf 1: Indukční přenos ... 22
Graf 2: Rezonanční přenos ... 23
11
Úvod
Projekt systému pro bezdrátové dobíjení mobilních robotů vznikl jako reakce na požadavek vylepšit autonomní dobíjení baterií. V současné době je na pracovišti školitele několik různých mobilních robotů s různými bateriemi, většina z nich však musí být dobíjena ručně. V případě některých pokročilejších robotů, kteří se již dokážou dobíjet sami, je však toto dobíjení realizováno nejčastěji mechanickým kontaktem, kvůli kterému musí robot naprosto přesně najet do dobíjecí stanice. Pro takovéto účely by bylo vhodné vytvořit například bezdrátovou dobíjecí podložku, na kterou by robot najel a která by dobíjela baterie přes přijímací modul na podvozku robota.
Druhou možností, jak využít bezdrátové dobíjení, je případ univerzitní miniponorky. Zde jsou baterie umístěny v hermeticky uzavřeném těle robota a při každém dobití je třeba robota otevřít. To je nejen časově náročné, ale také se opotřebovává těsnění, jehož poškození by znamenalo vniknutí vody dovnitř robota a zkratování vnitřní elektroniky. V tomto případě by bylo vzhledem k velikosti a váze miniponorky vhodné do plastové sekce umístit bezdrátový přijímač a vysílací stanici přikládat k plastové sekci. Tento způsob by umožňoval dobíjení miniponorky bez nutnosti ji otevřít.
Vzhledem ke konstrukčním rozdílům je jasné, že bezdrátový dobíjecí systém bude muset být v praxi přizpůsoben požadavkům konkrétního typu robota. Vše komplikuje i absence předchozích zkušeností s bezdrátovým dobíjením a jeho reálnými možnostmi. Vyvstalo tak mnoho rozdílných pohledů, požadavků a návrhů jak systém koncipovat.
V první řadě je třeba vybrat technologii bezdrátového přenosu. V současné době je známo několik technologií přenosu, které se liší dosahem a efektivitou, ovšem pouze několik z nich je možno realizovat pomocí běžně dostupných součástek a materiálů a jsou k nim přístupná schémata pro přijímač a vysílač. Omezující jsou pak také rozměry vysílače a hlavně přijímače, který musí být umístěn na robotovi a zabírat co nejméně prostoru. Ideálně by pak měl být co nejméně závislý na přesné pozici či natočení k vysílači.
12
Dalším rozdílným názorem v koncepci, který závisí hlavně na druhu robota, je realizace zapínání vysílací stanice. Tedy jestli ji zapínat ručně, a stanice by vysílala neustále, což by nevadilo v případě, že bezdrátový vysílač by měl zanedbatelný odběr na prázdno. Nebo vytvořit automatický systém, který zapne vysílač pouze, detekuje-li přítomnost přijímače v dosahu vysílací stanice.
V takovém případě by bylo třeba realizovat mechanizmus pro detekci přijímače. Využít by se dalo například nějakého optického snímače, který by spínal vysílač. Tento systém by byl velmi jednoduchý, ovšem mohl by spínat i v případě nějaké jiné překážky či nekompatibilního robota, a jelikož by neměl žádnou zpětnou vazbu od přijímače, na chybu by nepřišel. Vhodnější by tedy bylo doplnit dobíjecí systém o zpětnou vazbu formou nějaké bezdrátové datové komunikace mezi přijímačem a vysílačem, pomocí které by se dalo zjistit nejen je-li přijímač v dosahu, ale také zda začal s dobíjením.
Datový přenos v tomto systému je opět tématem diskuzí. Znamenal by sice nezanedbatelné rozšíření systému, ovšem přinesl by výhody ve formě možnosti získat data z přijímače, jako například: přítomnost zařízení, identifikátor zařízení, stav nabíjení, stav baterie, efektivitu přenosu a podobně. Tyto informace by byly přínosné zejména v počátcích vývoje tohoto systému.
Cílem této práce je tedy seznámit se s dostupnými technologiemi pro bezdrátový přenos energie a vybrat nejvhodnější z nich. Dále navrhnout a vytvořit prototyp bezdrátového dobíjecího systému na základě průběžně získaných poznatků a požadavků vedoucího. Funkčnost celého systému pak experimentálně ověřit.
Vzhledem k tomu, že půjde o první prototyp, na kterém se otestuje první návrh koncepce a podle získaných poznatků a zkušeností se bude dále rozšiřovat či upravovat, bylo hlavním požadavkem udělat celý systém modulárně, aby následné úpravy některých částí systému co nejméně zasahovaly do částí ostatních.
Dalším požadavkem bylo koncipovat prototyp systému spíše jako laboratorní aparát, na kterém budou získávány zkušenosti s reálným provozem a na kterém bude zjištěno, co všechno bude v systému potřeba, na které problémy si bude třeba dát pozor u dalších verzí a jaké části bude třeba doplnit či upravit.
13
1 Bezdrátový přenos
Bezdrátový přenos je druh přenosu, ke kterému nejsou třeba člověkem vyrobené vodiče.
Využíván je v prostředí, kde je použití vodičů obtížné, nebezpečné nebo nemožné. Lze jej rozdělit na dvě části, a to na přenos dat nebo na přenos energie [11]. Ačkoliv o přenos energie jde v podstatě v obou případech. V prvním případě, tedy přenosu dat, je třeba na co největší vzdálenost přenést takové množství energie, aby bylo možné na straně přijímače rozeznat signál od šumu. Efektivita tedy při přenosu dat nehraje tak významnou roli, jelikož na rychlost samotného přenosu dat prakticky nemá vliv. Oproti tomu při přenosu energie jde o významný faktor, čím je efektivita nižší, tím je zařízení méně ekonomické.
1.1 Historie bezdrátového přenosu energie
Vše začalo v roce 1826, kdy zakladatel teoretické elektrodynamiky André-Marie Ampère objevil zákon [12], který popisuje, jak elektrický proud vytváří magnetické pole. V roce 1831 Michael Faraday objevil zákon elektromagnetické indukce [13], který popisuje elektromagnetické síly vyvolané ve vodiči, umístěném v časově proměnném magnetickém poli. Asi největším průkopníkem na poli bezdrátového přenosu byl Nikola Tesla [14], který v roce 1891 demonstroval před americkým institutem elektrického inženýrství bezdrátový přenos energie za pomoci elektrostatické indukce. Od té doby podal spoustu patentů a provedl několik průlomů nejen v této oblasti. Jedním z jeho cílů byla právě masová distribuce bezdrátové elektřiny, tento projekt však nikdy nedokončil.
Na dlouho dobu se pak na bezdrátový přenos energie téměř zapomnělo a vývoj a výzkum v této oblasti velmi poklesl. Jakési obrození v této oblasti nastalo zhruba kolem roku 2000, kdy došlo k velkému rozšíření mobilních zařízení, která se zbavila všech kabelů, kromě jednoho. K nabíjení těchto zařízení se stále musel připojovat kabel.
Požadavek eliminace posledního kabelu, a tedy dosažení absolutní mobility zařízení, vedl k rozběhu dalšího vývoje. V roce 2000 byla vynalezena první bezdrátová dobíjecí podložka [15] a v roce 2010 konsorcium pro bezdrátovou energii [16] vydalo první standard pro bezdrátové dobíjení nízkoenergetických mobilních zařízení.
14
1.2 Druhy bezdrátového přenosu energie
V současné době existuje několik různých technologií pro bezdrátový přenos energie, liší se hlavně dosahem a efektivitou přenosu. Většina z nich je stále ve fázi laboratorního vývoje [17] a kvůli nízké efektivitě nebo ceně materiálů stále nenašla svoje komerční uplatnění [18]. Některé technologie přenosu si však již uplatnění našly [19].
1.2.1 Elektromagnetická indukce
Přenos energie touto metodou využívá nejčastěji elektromagnetickou vazbu [20], tuto vazbu využívá elektrodynamická indukce. Dalším typem je vazba kapacitní, kterou využívá elektrostatická indukce.
1.2.1.1 Elektrodynamická indukce
Elektrodynamická indukce [21] je technika, založená na přenosu energie pomocí dosahu elektromagnetického pole vysílače. Elektromagnetické pole je samo o sobě nezářivé, ovšem vysílače většinou trpí ztrátami i ve formě elektromagnetického záření.
Elektrodynamická indukce vzniká při průchodu střídavého elektrického proudu skrze primární cívku. Proud následně vytvoří časově proměnné magnetické pole kolem cívky.
Pokud je v dosahu tohoto magnetického pole sekundární cívka, magnetické pole v ní vytvoří elektrický proud. Pro dosažení vyšší efektivity je třeba maximalizovat vazbu cívek, tedy umístit je co nejblíže proti sobě. Efektivita může dosáhnout až zhruba 75 %. Čím je větší vzdálenost mezi cívkami, tím větší část magnetického pole mine sekundární cívku, což snižuje efektivitu přenosu. I na relativně krátké vzdálenosti je indukční přenos málo efektivní a velké množství vyzářené energie se ztrácí. Jedná se o nejjednodušší technologii bezdrátového přenosu, která využívá takzvané vzájemné indukce mezi dvěma cívkami, mezi nimiž je vzduchová mezera. Tato technologie je jednou z nejjednodušších na konstrukci a vyznačuje se i malými rozměry přijímače a vysílače.
Tuto technologii v současné době pro nabíjení využívají například zubní kartáčky a mobilní telefony. Hojně rozšířená je taktéž ve formě indukčních vařičů.
Nevýhodou této technologie, kromě relativně krátkého dosahu, je také nutnost poměrně přesné vzájemné pozice cívek.
15
Aplikací rezonance [22] na tento obvod lze zvýšit dosah přenosu. Pro dosažení rezonančního přenosu energie je třeba naladit obě cívky na stejnou rezonanční frekvenci. Výkon a efektivitu lze ještě zvýšit modifikací frekvenčního generátoru vysílače ze sinusové vlny na nesinusovou transientní vlnu [23]. Touto úpravou lze dosáhnout přenosu značného množství energie. Cívky pro rezonanční přenos jsou buď klasické cívky, oblouky z kruhové duté měděné trubice, jednovrstvé solenoidy nebo ploché spirály. K cívkám je pak paralelně připojen kondenzátor upravující pozici rezonanční frekvence. Na straně přijímače se obvykle využívá změny hodnoty tohoto kondenzátoru k naladění přijímače na frekvenci vysílače.
Tato technologie se v současné době využívá pro nabíjení baterií mobilních zařízení, jako jsou například mobilní telefony, notebooky, lékařské implantáty a elektrická vozítka. Tato technologie se uchytila hlavně v nabíjecích podložkách pro malá mobilní zařízení [24].
Obrázek 1: Přenos energie pomocí elektrodynamické rezonance [11]
16 1.2.1.2 Elektrostatická indukce
Elektrostatická indukce je průchod energie skrze dielektrikum [25]. V praxi se jedná o gradient elektrického pole nebo rozdílné kapacity mezi dvěma terminály ve formě desek nebo elektrod, které jsou umístěny nad vodivou zemnící deskou u vysílače i přijímače. Principem této technologie je nabití terminálů vysokým napětím o vysoké frekvenci, které vyvolá kapacitní vazbu mezi terminály, ta pak přenáší energii ke spotřebiči.
Tato technologie je zatím stále ve fázi výzkumu a do budoucna se jeví jako velice perspektivní, ovšem uplatnění v praxi si stále nenašla.
Obrázek 2: Nikola Tesla poprvé demonstruje metodu elektrostatické indukce [11]
1.2.2 Elektromagnetická radiace
Tato metoda se používá pro přenos energie na velké vzdálenosti, často až několik kilometrů. Důvodem pro využití elektromagnetického záření pro přenos na velké vzdálenosti je fakt, že vyzařování v rádiovém až optickém pásmu je směrové a záření tak lze směrovat úzkým paprskem na celou plochu přijímače. Díky tomu je dosaženo minimálních ztrát při přenosu.
17 1.2.2.1 Rádiové vlny
Rádiové vlny mají ze všech druhů elektromagnetické radiace, používaných pro bezdrátový přenos energie, největší vlnovou délku, a proto se jen obtížně směrují.
V praxi tak dochází ke značným ztrátám. Tento typ bezdrátového nabíjení využívá přijímání rádiových vln stejně jako například televize či rádio. Vysílač i přijímač musí být naladěny na stejné frekvenci. Výhodou tohoto přenosu je poměrně velký dosah, ovšem nevýhodou je nízká efektivita.
Tato technologie se využívá u zařízení s velmi malou spotřebou a malými bateriemi, jako jsou například hodinky, pomůcky pro nedoslýchavé, lékařské implantáty a bezdrátové klávesnice [19].
Obrázek 3: Sada pro rádiový přenos energie od firmy Microchip [26]
1.2.2.2 Mikrovlny
Lepší než rádiové vlny jsou mikrovlny, které jsou mnohem směrovější a umožňují efektivnější přenos na delší vzdálenosti. Pro zpětný převod z mikrovln na elektřinu lze použít rectennu [27]. S tou lze dosáhnout velmi vysoké efektivity přenosu: až 95 %.
Bezdrátový přenos energie pomocí mikrovln bylo navrhováno využít pro projekt satelitních solárních elektráren na orbitě kolem Země. Satelity by tímto způsobem mohly nashromážděnou energii poslat na Zem. Na tuto vzdálenost přenosu však vzniká značný rozptyl mikrovln a přijímač by musel mít průměr zhruba 10 km.
18
Obrázek 4: Koncept satelitních solárních elektráren [28]
1.2.2.3 Laser
Laserová metoda bezdrátového přenosu energie využívá vlnové délky elektromagnetického záření v oblasti kolem viditelného spektra. K přenosu se využívá převod elektrické energie na laserový paprsek namířený na fotovoltaický článek, který paprsek převede zpět na elektrickou energii. Efektivita tohoto přenosu je však mnohem menší než u mikrovlnného záření, kvůli neefektivnímu převodu laserového paprsku na elektrickou energii. S dnešními nejlepšími fotovoltaickými články bylo dosaženo pouze zhruba 40% efektivity přenosu.
Stejně tak jako mikrovlnné záření, je i laserové záření o vysokém výkonu, zdraví nebezpečné. Z tohoto důvodu se nejspíše ani jedna z technologií neobjeví v rámci běžně dostupných nabíječek malých mobilních zařízení, ale spíše se využijí v nějakém zabezpečeném energetickém projektu.
Obrázek 5: Koncept pro dobíjení létajících robotů laserovým paprskem [29]
19
1.2.3 Elektrické vedení (skrze přírodní materiály)
Bezdrátový přenos energie touto metodou je založen na principu vysílání střídavé elektrické energie skrze zemi s rovnocenným elektrickým nábojem, šířícím se skrze atmosféru. Tato metoda přenosu dosahuje větších vzdáleností, mnohem větších než například rezonanční přenos. Tato metoda je efektivitou údajně srovnatelná s přenosem pomocí elektromagnetické radiace. Jako vysílače se používají vysoké věže, které distribuují náboj mezi zem a atmosféru. Elektrická energie může být touto metodou vyslána skrze nehomogenní zemi s minimálními ztrátami, protože odpor mezi dvěma protilehlými body na Zemi je při přenosu touto metodou údajně menší než 1 Ohm.
Přijímač následně získává energii skrze zemi a ekvivalentní náboj v atmosféře.
Tato metoda by mohla být vhodná pro přenos energie v průmyslovém měřítku. Využít ji plánoval vynálezce Nikola Tesla ve svém projektu Wardenclyffovy věže [30]. Kvůli nedostatku financí však nikdy nebyla dokončena.
Obrázek 6: Teslova Wardenclyffova věž [30]
20
1.3 Firmy a standardy
1.3.1 Wireless power consortium
V rámci standardizace bezdrátového dobíjení založilo 17. prosince 2008 několik velkých firem celosvětové sdružení s názvem Wireless power consortium [16] (dále jen WPC). Mezi zakládající firmy patřily například: Sanyo, Logitech, Philips, Texas Instruments a další. V současné době je ve sdružení 206 firem z celého světa. Cílem organizace bylo vytvořit univerzální bezdrátový dobíjecí standard, který by umožnil vzájemnou kompatibilitu různých zařízení. V roce 2009 vydalo sdružení první Qi standard pro nízkovýkonový přenos a v roce 2011 druhý Qi standard pro středněvýkonový přenos. Sdružení nadále tyto standardy vyvíjí a snaží se o jejich implementaci do koncových zařízení pro zajištění vzájemné kompatibility.
1.3.2 Qi standard
Qi (vyslovuje se „či“) [31] je standardizovaným rozhraním vyvinutým sdružením WPC.
Tento standard využívá přenosu pomocí technologie elektrodynamické rezonance s možností vzdálenosti přijímače do 4 cm. Tento standard je založen na systému vysílací podložky, která je umístěna pod zařízením a přijímače integrovaného do zařízení. Standard Qi pro nízký výkon je dimenzován pro přenos do 5 W a v současné době se začíná rozšiřovat hlavně mezi mobilními telefony. Druhý Qi standard pro střední výkon je dimenzován pro přenos do 120 W a je plánován pro dobíjení například notebooků nebo počítačových monitorů.
1.4 Vliv elektromagnetického pole a záření na člověka.
Již od dob první elektrifikace se vyskytuje mnoho různých poplašných zpráv o škodlivém vlivu elektromagnetického pole nebo záření v souvislosti se zvýšeným výskytem nemocí, jako například: rakovina, Alzheimerova nebo Parkinsonova choroba.
Ovšem jak udává zpráva státního zdravotního ústavu [32], která zkoumá vliv EM. pole a záření do 300 GHz, žádný výzkum zatím neodhalil žádné jiné vlivy, než indukované proudy a teplo. Pokud tedy záření nepřekročí limity stanovené v ICNIRP 1998 [33], neměl by být vliv na zdraví člověka škodlivý. Vliv na zdraví, zvláště pak u technologií s nižší frekvencí, jako jsou indukční či rezonanční, které využívají například nabíjecí podložky[34], by měl být zcela neškodný.
21
2 Výběr vhodné technologie přenosu
Na základě seznámení s různými technologiemi bezdrátového přenosu byl výběr zúžen na dvě technologie, a to elektrodynamickou indukční a rezonanční. Důvodem je relativně jednoduchá konstrukce přijímače i vysílače při dostatečné přenosové efektivitě a výkonu. Tuto volbu utvrzuje i fakt, že se jedná o dvě nejrozšířenější technologie pro bezdrátové dobíjení malých mobilních zařízení [35]. Indukční dobíjení například využívá v současné době firma Nokia u svých mobilních telefonů. S vývojem rezonančního přenosu v poslední době experimentuje například firma Intel. Jejich dobíjecí systém pro mobilní telefony je integrován do notebooku, v současné době prý jejich systém na vysílači přijme až 15 W a do mobilního telefonu jsou přeneseny pouze 3 W, to by odpovídalo efektivitě systému zhruba 20 %.
Na obrázku 7, který vytvořila firma Intel, je srovnání obou technologií přenosu.
Z něj je patrné, že indukční přenos je teoreticky schopen přenést větší množství energie než přenos rezonanční, ovšem pouze na krátkou vzdálenost. Rezonanční přenos má však na delší vzdálenosti lepší efektivitu. Jako vhodnější technologie se tedy jeví rezonanční.
Obrázek 7: Srovnání indukčního a rezonančního přenosu energie [35]
Pro lepší seznámení s oběma technologiemi bylo rozhodnuto sestavit základní obvody pro oba druhy přenosu na nepájivých polích. Bližší seznámení s těmito technologiemi a získané hodnoty z měření by měli usnadnit výběr nejvhodnější technologie přenosu.
22
2.1 Indukční přenos
Podle návodu [36] na serveru mobilmania.cz byl sestaven velice jednoduchý základní obvod pro indukční přenos energie. Tento obvod vytvoří pulsující elektrický proud, který proudí skrze primární cívku a vytváří časově proměnné elektromagnetické pole, které se indukuje v cívce sekundární. Obě cívky tvoří 20 závitů lakovaného měděného drátu o průměru 0,5 mm.
Obrázek 8: Schéma pro indukční přenos [36]
V tomto případě byl obvod lehce upraven. Na straně přijímače byl přidán můstkový usměrňovač z rychlých usměrňovacích diod BYV26C. Tranzistory byly nahrazeny dostupnějšími BD441 a celý obvod byl napájen 12 V. Na obvodu byla bez zátěže naměřena následující charakteristika (Graf 1) mezi napětím a vzdáleností cívek.
Z charakteristiky je patrné, že napětí na přijímači s rostoucí vzdáleností velmi rychle klesá a maximální napětí dosahuje těsně pod hodnotu napětí napájecího.
Graf 1: Indukční přenos 0
2 4 6 8 10 12
0 2 4 6 8
Napětí [V]
Vzdálenost [cm]
Indukční přenos
23
2.2 Rezonanční přenos
Podle druhého návodu [37] na serveru 4hv.org byl sestaven a oživen jednoduchý obvod pro rezonanční přenos energie. Vzhledem k tomu, že obvod musí kmitat na přesné rezonanční frekvenci vysílací cívky a kondenzátoru, byl tento obvod navržen na základě Royerova oscilátoru [38], který má od cívky zpětnou vazbu a sám se rozkmitá na přesné rezonanční frekvenci cívky a k ní paralelně zařazeného kondenzátoru. Jako primární cívka byla dle návodu použita dutá měděná trubice o průměru 6 mm s jedním závitem o průměru cca 8 cm, jako sekundární cívka pak měděný drát o průměru 1 mm s jedním závitem o průměru taktéž 8 cm. Obvod byl taktéž napájen 12 V.
Obrázek 9: Schéma pro rezonanční přenos [37]
Dále bylo třeba naladit přijímač na stejnou frekvenci jako vysílač. Toho lze nejjednodušeji dosáhnout změnou hodnoty kondenzátoru tak, aby napětí na přijímači vzrostlo na co největší hodnotu. Obvod byl opět doplněn o usměrňovač na přijímači.
Z výsledného grafu je patrné, že u rezonančního obvodu napětí na přijímači klesá méně strmě než u indukčního a maximální napětí dosahuje hodnot převyšujících napájecí.
Graf 2: Rezonanční přenos 0
10 20 30 40
0 5 10 15 20 25
Napětí [V]
Vzdálenost [cm]
Rezonanční přenos
24
2.3 Shrnutí a výběr
Celkově samozřejmě nelze oba předchozí obvody vzájemně srovnávat na základě efektivity přenosu při zatížení nebo maximálního dosahu, jelikož jsou obvody velmi různě navržené a navíc byly oba zapojeny na nepájivých polích, kde se značně projevovaly přechodové odpory. Cílem bylo se s obvody lépe seznámit a získat bližší poznatky, které by pomohly při rozhodnutí, jakou technologii zvolit pro tento systém.
Zjištěny byly tři zásadní poznatky. Prvním je fakt, že jelikož rezonanční přenos využívá paralelně řazeného kondenzátoru k cívce, na rezonančním obvodu značně vzrůstá napětí [4]. Na přijímači se tak naindukovalo maximální napětí cca 37 V, což je oproti 12 V, přivedených do vysílače, výrazný nárůst. Oproti indukčnímu přenosu, který má zhruba stejné napětí na přijímači i vysílači až v přímém kontaktu, měl rezonanční obvod bez zátěže shodné napětí na vzdálenost zhruba 6 cm. Rezonanční obvod měl tedy podstatně větší dosah, jak poukazoval již obrázek 7.
Další výhodou rezonančního obvodu, na kterou se při experimentech narazilo, je značně menší vliv kovových překážek na efektivitu přenosu. U indukčního přenosu se vyzářená energie do kovových překážek absorbuje a efektivita přenosu klesá.
U rezonančního obvodu k těmto ztrátám dochází v mnohem menší míře.
Poslední zjištěnou výhodou rezonančního obvodu je mnohem menší náchylnost na přesné umístění sekundární vůči primární cívce, jak poukazuje obrázek 10.
Z těchto důvodů bylo rozhodnuto pro náš systém využít právě rezonančního bezdrátového přenosu energie.
Obrázek 10: Indukční a rezonanční přenos mezi cívkami [39]
25
3 Rozbor požadavků na systém
Jak již bylo zmíněno v úvodu, možností, jak koncipovat systém, je několik. Prvním problémem byla volba technologie přenosu energie, která byla vyřešena v předchozí kapitole. Ovšem, protože cílem této práce je navrhnout celý bezdrátový nabíjecí systém, kvůli čemu zřejmě nezbude dostatek času na vyladění samotných obvodů pro bezdrátový přenos, bylo rozhodnuto vytvořit energetický přenos formou samostatných modulů. Tyto moduly se pak budou moci do budoucna vylepšovat, rozšiřovat nebo se případně budou moci vyměnit za lepší, či za moduly s jinou technologií přenosu.
Dalším problémem byla volba zapínání vysílací stanice, tedy zda má běžet neustále nebo se spínat automaticky na základě detekce přijímače. Vzhledem k tomu, že systém měl být konstruován zároveň jako laboratorní aparát, bylo rozhodnuto navrhnout systém na obě možnosti, tedy pro automatický systém s možností přepnutí do manuálního stavu, kdy vysílací stanice poběží neustále.
Protože systém bude disponovat automatickou detekcí přijímače a zároveň byla požadována datová komunikace mezi přijímačem a vysílačem, bylo rozhodnuto pro detekci a přenos dat využít bezdrátových komunikačních modulů.
Dalším požadavkem byla komunikace vysílače s PC. Vysílač by pak mohl poskytovat počítači podrobné informace o stavu systému, stavu nabíjení, efektivitě přenosu a podobně. Dále také bylo požadováno, aby některé informace mohl vysílač zobrazit uživateli bez přítomnosti PC. Pro některé stavové informace postačí zobrazení pomocí LED diod, ovšem pro naměřené hodnoty bude třeba rozšířit vysílač o display.
Zvažováno bylo také, jakým způsobem nabíjet baterie z bezdrátového přijímače. Vytvořit optimální nabíjecí systém s vysokou efektivitou a variabilním omezením nabíjecího proudu v závislosti na odběru baterie a množstvím energie, poskytnutým bezdrátovým přijímačem, by vydalo na samostatnou práci a tato problematika opět není součástí zadání této práce. Proto bylo rozhodnuto vytvořit pouze demonstrační bočníkový obvod, který bude fungovat s nižší efektivitou. Do budoucna bude moci být nahrazen nějakým sofistikovanějším nabíjecím obvodem.
26
3.1 Blokové schéma
Na základě předchozích rozhodnutí bylo sestaveno následující blokové schéma bezdrátového dobíjecího systému (Obr. 11). Schéma se skládá ze dvou částí, na levé straně je Vysílací stanice a její moduly, na pravé straně pak Přijímací stanice a její moduly, mezi nimiž probíhá bezdrátový přenos energie a dat.
Kvůli požadavku komunikace Vysílací stanice s PC bude na Vysílači umístěn převodník UART/USB ve formě samostatného modulu. Pro zobrazení některých dat bude k vysílači připojen modul s Displayem. Komunikaci s Přijímací stanicí bude zajišťovat některý z dostupných Datových modulů. Posledním modulem vysílací části je Rezonanční vysílací modul pro přenos energie.
Pro Přijímací stanici bude zajišťovat datovou komunikaci stejný Datový modul.
O přijetí bezdrátové energie se postará připojený Rezonanční přijímač. Přijímač bude dále obsahovat nabíjecí obvod, ke kterému bude připojena baterie, kterou bude dobíjet.
V tomto návrhu je systém koncipován spíše jako laboratorní aparát pro seznámení a experimentování s bezdrátovým přenosem energie, než jako set pro připojení ke konkrétnímu robotu. Vysílač a přilehlé moduly plní funkci Vysílací stanice.
Přijímač a přilehlé moduly zastávají samostatnou, plně automatickou Přijímací stanici dobíjející baterii, nezávislou na funkcích robota. Žádná integrace s konkrétním robotem, který by z tohoto Přijímače chtěl získávat informace, nebyla v rámci této práce řešena.
Obrázek 11: Blokové schéma bezdrátového dobíjecího systému
27
3.2 Popis jednotlivých bloků
Dále bylo třeba na základě požadavků navrhnout, jaké obvody budou jednotlivé bloky obsahovat a které součástky budou potřeba. Při výběru byl kladen důraz na robustnost součástek, která by měla omezit možnost jejich poškození při časté manipulaci, či nechtěnému přetížení při experimentech. Dále byla zohledněna i jednoduchost některých obvodů či součástek z důvodu snazšího a rychlejšího pochopení v rámci seznámení se systémem v dalších pracích, které budou tento projekt rozšiřovat či upravovat. Velký důraz byl také kladen na co nejnižší cenu jednotlivých součástek, protože jednotlivé části systému se budou do budoucna upravovat či měnit a docházelo by k velkým finančním ztrátám.
3.2.1 Display
Jako modul Displaye bylo rozhodnuto zakoupit hotový modul SIC1602A20C [40]. Ten disponuje rozhraním I2C a vyznačuje se nízkou spotřebou díky LED podsvícení a nízkou cenou. Display je řazen do dvou řádků o šestnácti znacích a napájen je 5 V. Display má z výroby přednastavenou adresu 0x74 a inicializace probíhá zasláním sekvence: 00000000, 00100110, 00001110, 00000110 (binárně). Display je rozdělen do čtyř sektorů o osmi znacích a adresy sektorů jsou 128, 150, 192, 216 (dekadicky). Řadič displaye (Philips PCF2116 [41]) používá znakovou sadu typu C, která má oproti znakové sadě standardnějších řadičů HD44780 znaky abecedy s nejvyšším bitem jedničkovým. Jejich kód je tedy o 0x80 vyšší.
Obrázek 12: SIC1602A20C
28 3.2.2 Datové moduly
Pro přenos dat bylo zvoleno použití rádiových modulů, a to konkrétně modulů HM-TR [42] od společnosti Hope Microelectronics. Vybrány byly pro svou příznivou cenu, kompaktní rozměry a jednoduchost použití. Jedná se o UHF rádiový vysílač s transparentním datovým přenosem. Je navržen pro přenos dat na velké vzdálenosti a poskytuje vysokou datovou propustnost. Mezi jeho výhody patří hlavně možnost změny nosné frekvence, konfigurace UART formátu a nízká spotřeba v režimu spánku.
Obrázek 13: Modul HM-TR
Pro nakonfigurování modulu na požadované parametry je třeba zapojit modul k sériovému portu PC podle následujícího schématu (Obr. 14). Vzhledem k tomu, že PC disponuje sériovou linkou standardu RS232 a rádiový modul sériovou linkou standardu UART, je třeba použít převodník MAX232 [43]. Samotné nakonfigurování pak probíhá pomocí výrobcem dodávaného softwaru (Obr. 15).
Obrázek 14: Zapojení Rádiového modulu pro komunikaci [42]
29
Obrázek 15: Software pro konfiguraci HM-TR [42]
Zapojení modulu pro komunikační účely je realizováno dle následujícího schématu (Obr. 16). Při připojení napájení musí být pin CONFIG v logické nule. Pin ENABLE je vhodné připojit na některý z GPIO pinů procesoru, který ovládá modul, protože v komunikačním módu pin ENABLE ovládá chování rádiového modulu.
V logické nule je modul uspán a přepnut do režimu minimálního odběru energie. Při přepnutí do logické jedničky se modul aktivuje a je připraven pro přenos komunikace dle svých přednastavených parametrů.
Sada těchto modulů byla následně otestována v těsné blízkosti rezonančních obvodů pro bezdrátový přenos energie kvůli zjištění, zda přenos energie nebude rušit přenos dat. Během těchto zkoušek nebyly žádné vlivy zaznamenány.
Obrázek 16: Zapojení modulu HM-TR pro komunikaci [42]
30 3.2.3 Rezonanční vysílač
Jak již bylo zmíněno, použit bude rezonanční přenos energie. Modul bude sestaven na základě již zmíněného návodu [37]. Protože při experimentech se ukázalo, že na přenos energie má značný vliv velikost, průměr a počet závitů vysílací cívky, bylo tedy rozhodnuto, že modul bude uzpůsoben pro její snadnou výměnu. Dbát bude také třeba na chlazení tranzistorů v obvodu. Při experimentech se ukázalo, že sice nepotřebují velký chladič, ale bez něj se neobejdou.
Upraveno bude taktéž spínání obvodu. V původním návodu je sepnutí obvodu zpožděno přes integrované relé kvůli zvýšení času pro dostatečný náběh zdroje, jelikož při počátečním nízkém napětí se obvod nemusí rozkmitat a může se poškodit. Při experimentech, kdy byl obvod spínán tranzistorem na již zapnutém zdroji, se toto relé ukázalo být již zbytečné a mimo to způsobovalo další konstantní odběr energie navíc.
Nakonec bylo rozhodnuto relé ve schématu ponechat, stejně tak jako jeho pozici ve výsledném plošném spoji. Pokud se i na finálním obvodu ukáže, že ho již není třeba, bude moci být jednoduše překlenuto.
3.2.4 Rezonanční přijímač
Rezonanční přijímač bude sám o sobě jednoduchý, jedná se v podstatě jen o přijímací cívku, paralelně zařazený kondenzátor a usměrňovač. Ovšem v závislosti na změnách vysílací cívky bude třeba měnit nejen cívku přijímače, ale i kondenzátor. Cívka tedy bude taktéž umístěna ve šroubovacím terminálu.
Změna hodnoty kondenzátoru se na přijímači používá k naladění na stejnou frekvenci jako má vysílač. Při experimentech se ukázalo, že k přesnému naladění je potřeba zkombinovat několik kondenzátorů o různých hodnotách. V praxi jde většinou o tři až pět kondenzátorů různých hodnot, ty jsou však vyráběny v různých velikostech a roztečích vývodů a i na to bude nutno dbát při návrhu tohoto modulu.
Pozor si bude třeba dát i na výstupní napětí Rezonančního přijímače. Jak již bylo zjištěno při experimentech, výstupní napětí se v maximu blíží ke 40 V. Toto napětí nejspíše bude třeba omezit. Rozhodnuto bylo neintegrovat žádnou regulaci přímo do přijímače, avšak nechat pro ni na modulu připravený slot pro dodatečné připojení.
31 3.2.5 Vysílač
Vysílač bude hlavní část vysílací části systému a bude spravovat všechny přilehlé moduly. Skrze UART/USB modul bude zajišťovat komunikaci s PC a pomocí modulu s Displayem zobrazovat některá naměřená data. Komunikaci s přijímačem zajistí skrze připojený Datový modul.
Vysílač bude napájen síťovým adaptérem o napětí stejnosměrných 12 V. Proud z adaptéru zároveň poskytne při nabíjení Rezonančnímu vysílači. Napětí adaptéru bude následně třeba regulovat na 5 V kvůli napájení mikrořadiče a dalších částí, které toto napětí vyžadují. Mezi další požadavky patřilo měření napětí a proudu vstupujícího do Rezonančního vysílače. Nutná bude také proudová ochrana pro případ poškození, zkratu či přetížení a to formou tavných pojistek, případně i softwarového odpojení Rezonančního modulu v případě překročení maximálního povoleného proudu.
Dále bylo požadováno přepínání mezi automatickým a manuálním módem nabíjení, zajištěné například formou tlačítka. Kromě displaye bude vhodné některé stavové informace zobrazovat pomocí LED diod.
Jako jádro Vysílače byl zvolen mikrořadič PICAXE-18M2 [44], jelikož se jedná o nejrozšířenější mikrořadič na pracovišti školitele, vhodný pro práci s roboty.
Mezi jeho výhody patří velmi nízká cena, jednoduchý programovací jazyk BASIC [45]
a přítomnost programovacích obvodů přímo v mikrořadiči, což umožňuje velmi jednoduchou integraci do plošného spoje a programování přímo v něm.
3.2.6 UART/USB modul
UART/USB modul bude zajišťovat komunikaci mezi PC a Vysílačem. Byl navrhnut jako obecný modul pro libovolné využití, nejen na tomto projektu. Jako jeho jádro byl požadován převodník MCP2200 [46] od firmy Microchip, který je nejrozšířenější na pracovišti školitele. K tomuto převodníku je nutné doplnit obvod pro oživení, a ten se následně musí doplňovat do každého projektu. Cílem bylo tedy rovnou sestavit co nejmenší modul s obvodem nutným pro provoz tohoto převodníku a napájeným přímo z USB, který bude mít na pinech vyvedeno rozhraní UART, piny GPIO, piny pro připojení LED a napájení. Na Vysílači, případně jiném projektu, pak stačí vyvést z mikrořadiče na patici pouze rozhraní UART a připojit tento modul s USB.
32 3.2.7 Přijímač
Přijímač se bude starat o poskytování dat Vysílači skrze Rádiový modul a přijetí a zpracování energie pro dobíjení připojené baterie z Rezonančního přijímače. Jádrem Přijímače bude opět mikrořadič PICAXE-18M2.
Ten potřebuje napájení 5 V, a tak Vysílač bude muset obsahovat 5 V DC/DC konvertor s co největším vstupním rozsahem. Díky příznivé ceně, četným ochranám, miniaturním rozměrům a právě širokému vstupnímu rozsahu 6,5–34 V byl zvolen konvertor R-785.0-0.5 [47] od firmy RECOM.
Přijímač se také bude starat o nabíjení připojené baterie, k tomu by bylo zapotřebí napětí zhruba 14,5 V. DC/DC konvertory s proměnlivým výstupním napětím jsou však velice drahé, a proto bude třeba vybrat z konvertorů s konstantním napětím, ty jsou běžně dostupné s nejbližším napětím 12 V nebo 15 V. Protože 12 V je pro nabíjení baterie málo, bylo rozhodnuto použít 15 V DC/DC konvertor, u něhož bude v posledním bočníku integrována dioda pro snížení nabíjecího napětí pod plynovací hranici. Tento konvertor v přijatelné cenové kategorii byl však dostupný pouze s rozsahem vstupního napětí 9–18 V, a to konkrétně SCW05A-15 [48] od firmy Meanwell. Z tohoto důvodu bude třeba Přijímač doplnit o regulaci vstupního napětí.
Dále bylo požadováno měření proudu a napětí získaných z Rezonančního přijímače.
3.3 Rozhraní mezi jednotlivými bloky
Rozhraní mezi Displayem a Vysílačem bude obsahovat dva datové vodiče pro I2C sběrnici a dva napájecí vodiče pro napájení 5 V. Pro připojení rádiových modulů bude třeba dvou vodičů pro sériovou sběrnici, dva napájecí vodiče pro napájení 5 V, jeden vodič s nulovým signálem na pin CONFIG a jeden vodič pro propojení pinu ENABLE z GPIO pinu mikrořadiče. Vysílač a UART/USB modul budou propojeny přes patici, která bude navržena v následující kapitole. UART/USB modul s PC budou propojeny standardním mini-USB kabelem. Rezonanční vysílač bude připojen dvěma napájecími vodiči se 12 V stejnosměrným napětím spínaným v plusové větvi, kvůli zachování konceptu společné země pro případ dalšího rozšíření. Rezonanční přijímač se připojí taktéž dvěma vodiči o rozsahu 0–18 V stejnosměrného napětí. Baterie bude připojena také dvěma vodiči s napětím do 14,3 V, spínaných opět v plusové větvi.
33
4 Návrh a výroba jednotlivých částí
Po provedeném rozboru a výběru hotových modulů bylo třeba navrhnout a vyrobit zbylé moduly. Části obvodů byly nejdříve sestaveny a otestovány na nepájivých polích.
Schémata a návrhy plošných spojů byly vytvořeny v programu Eagle 5.11.0 [49] a jsou v příloze na CD. Plošné spoje poté byly vytvořeny v domácích podmínkách, aby se eliminovalo zpoždění při výrobě v PCB labu, které je v řádu dnů až týdnů. Vzhledem k tomu, že správnost navržení DPS se nedá ověřit jinak než jeho osazením a otestováním, případná chyba by pak vyžadovala rychlou opravu návrhu a opět zdlouhavou novou výrobu. Pro výrobu v domácích podmínkách byla použita metoda nažehlení toneru [50], která spočívá ve vytištění drah DPS laserovou tiskárnou na lepící vrstvu vodou aktivovaného samolepícího papíru. Tento papír se následně přiloží na měděnou stranu cuprextitu a vysokou teplotou se na něj nažehlí. Pro nažehlení je ideální využít běžně dostupnou laminátovací pec, upravenou na vyšší teplotu [51].
Cuprextit s nažehleným papírem se poté vloží do vody, kde se po pár minutách papír odlepí a toner zůstane na Cuprextitu. Ten už pak stačí jen vyleptat a vyvrtat. Zhotovení DPS touto metodou v domácích podmínkách umožňuje rychlou a levnou výrobu spíše jednostranných, středně složitých DPS a je otázkou několika desítek minut. Při návrhu DPS pro výrobu touto metodou je však třeba mít na mysli, že se jedná o hrubou výrobu a nažehlené tenké dráhy se mohou při procesu leptání odlepit. Při návrhu je tedy třeba se vyvarovat tenkých drah a při leptání je vhodné použít méně agresivní leptací roztok.
Obrázek 17: Nažehlení toneru [50]
34
4.1 Rezonanční vysílač
Jako první bylo dle návodu [37] navrženo schéma pro Rezonanční vysílač (Obr. 18).
Celý obvod bude napájen stejnosměrnými 12 V na konektoru X1. Zpožďovací relé K1 je sice ponecháno ve schématu, ovšem nakonec bylo překlenuto, protože jej v obvodu již není třeba. Tranzistory Q1 a Q2, diody D1 a D2, cívky L1 a L2 a rezistory R4 a R5 tvoří oscilátor, který má zpětnou vazbu od použité vysílací cívky a paralelně řazeného kondenzátoru, které tvoří paralelní rezonanční obvod. Tento oscilátor se sám vyladí na rezonanční frekvenci. Vysílací cívka bude připojena na terminálech JP1 a JP2, které umožní její snadnou výměnu. Při aktivaci modulu je však třeba mít cívku vždy řádně připojenou. Pokud není cívka během aktivace modulu připojena, nedojde k jeho rozkmitání a modul způsobí zkrat. Místo jednoho kondenzátoru bylo využito osmi malých (C3–C10). Učiněno tak bylo z tepelných důvodů, kondenzátor je v paralelním rezonančním obvodu značně namáhán, a tedy se hodně zahřívá. Při použití jednoho kondenzátoru s větší kapacitou se kondenzátor při pokusech během krátké chvíle přehřál a poškodil. Použito tedy bylo dle doporučení autora více fóliových kondenzátorů s menší kapacitou a dimenzované na vyšší napětí. Toto zapojení následně sníží a rozloží teplotní zátěž kondenzátorů, která se dostane do přijatelného rozmezí.
Obvod byl dále doplněn o zelenou LED diodu LED1 indikující běh modulu.
Obrázek 18: Schéma Rezonančního vysílače
35
Po zhotovení schématu byl navržen plošný spoj (Obr. 19). V zadní části je umístěn konektor X1 pro napájení modulu, kontrolka pro indikaci běhu a je zde také pozice pro zpožďovací relé. Ve střední části je rozmístěn rezonanční obvod. Tranzistory Q1 a Q2 byly umístěny ze spodní strany DPS pro lepší možnost uchycení na chladič, který je umístěn zespodu. Jedná se o hliníkovou destičku o rozměrech zhruba 5 × 4,5 × 0,4 cm. Tento chladič se při pokusech ukázal být pro odvod tepla dostatečný.
V přední části je rozmístěna sada kondenzátorů (C3–C10) rezonančního obvodu, aby byly umístěny co nejblíže k vysílací cívce, která je připojena přes terminály JP1 a JP2. Jako cívka byla použita v původním návrhu dle autora měděná trubice s jedním závitem. Tato cívka disponovala velkým dosahem, ovšem obvod s touto cívkou měl značnou spotřebu na prázdno. Bez připojeného přijímače obvod sám o sobě spotřebovával cca 1,2 A. Tato spotřeba se projevovala značným zahříváním modulu. Po několika dalších pokusech s různými cívkami o různém počtu závitů, byla původní cívka nahrazena novou. Nová cívka je složena z 5 závitů lakovaného měděného drátu o průměru cca 1 mm. Průměr celé cívky je cca 5,5 cm. Tato nová cívka se v obvodu vyznačuje značně menší spotřebou naprázdno (cca 0,3 A) a i při svých menších rozměrech poskytuje poměrně dobrý dosah. Cívka byla v modulu ponechána, protože díky svým malým rozměrům nepřekáží při manipulaci a testování.
Obrázek 19: DPS Rezonančního vysílače Obrázek 20: Rezonanční vysílač
36
4.2 Rezonanční přijímač
Dále bylo navrženo schéma pro Rezonanční přijímač (Obr. 21). Přijímací cívka bude připojena přes terminály JP1 a JP2. O usměrnění proudu se starají vysokorychlostní diody D1 až D4. Pro připojení případného regulátoru napětí slouží terminál JP8. Ostatní terminály slouží pro připojení ladících kondenzátorů k cívce. Usměrněný proud je potom přiveden na výstupní konektor X1.
Obrázek 21: Schéma Rezonančního přijímače
Na navržené a vytvořené DPS (Obr. 22) byla jako přijímací cívka použita cívka o průměru cca 5,5 cm s pěti závity z lakovaného měděného drátu a průměru cca 0,5 mm. Modul je třeba následně naladit na frekvenci vysílače. Nejjednodušeji to lze udělat fixním umístěním přijímače v dosahu vysílače a následným zvyšováním kapacity kondenzátorů, dokud nedosáhneme maximálního možného napětí. Tedy s dalším zvýšením kapacity by napětí začalo naopak klesat.
Obrázek 22: DPS Rezonančního přijímače Obrázek 23: Rezonanční přijímač
37
Po sestavení obou modulů pro přenos bylo provedeno měření efektivity přenosu energie mezi moduly s již popsanými cívkami a se zapojeným spotřebičem.
Jako spotřebič byl na Rezonanční přijímač zapojen výkonový 25 Ω rezistor.
Stejnosměrné napětí i proud byly měřeny na vstupu do Rezonančního vysílače a na výstupu z Rezonančního přijímače. V efektivitě přenosu jsou tedy zahrnuty i ztráty na oscilátoru v Rezonančním vysílači a usměrňovači v Rezonančním přijímači.
Z naměřených hodnot (Tab. 1) je vidět, že maximální efektivity bylo dosaženo při minimální nebo nulové vzdálenosti modulů a to téměř 60 %, včetně ztrát na oscilátoru i usměrňovači. Hodnoty v této tabulce však nejsou zcela směrodatné, na efektivitu přenosu a dosah má značný vliv odběr spotřebiče, velikost a počet závitů vysílací cívky, vzdálenost a úhel naklonění přijímače a mnoho dalších faktorů.
Tabulka 1: Hodnoty naměřené na Rezonančním vysílači a přijímači
Naměřené hodnoty bezdrátového přenosu energie se spotřebičem 25Ω Rezonanční vysílač Rezonanční přijímač
Vzdálenost [cm] U [V] I [A] P [W] U [V] I [A] P [W] Efektivita přenosu [%]
0,0 12 3,23 38,76 23,80 0,952 22,66 58,5
0,5 12 2,19 26,28 19,50 0,780 15,21 57,9
1,0 12 1,25 15,00 13,90 0,556 7,73 51,5
1,5 12 0,82 9,84 10,20 0,408 4,16 42,3
2,0 12 0,61 7,32 7,55 0,302 2,28 31,1
2,5 12 0,50 6,00 5,78 0,231 1,34 22,3
3,0 12 0,44 5,28 4,53 0,181 0,82 15,5
3,5 12 0,40 4,80 3,54 0,142 0,50 10,4
4,0 12 0,38 4,56 2,79 0,112 0,31 6,8
4,5 12 0,36 4,32 2,23 0,089 0,20 4,6
5,0 12 0,35 4,20 1,80 0,072 0,13 3,1
5,5 12 0,34 4,08 1,47 0,059 0,09 2,1
6,0 12 0,34 4,08 1,19 0,048 0,06 1,4
7,0 12 0,34 4,08 0,82 0,033 0,03 0,7
8,0 12 0,33 3,96 0,57 0,023 0,01 0,3
9,0 12 0,33 3,96 0,41 0,016 0,01 0,2
10,0 12 0,33 3,96 0,30 0,012 0,00 0,1
11,0 12 0,33 3,96 0,22 0,009 0,00 0,0
12,0 12 0,33 3,96 0,15 0,006 0,00 0,0
13,0 12 0,33 3,96 0,10 0,004 0,00 0,0
14,0 12 0,33 3,96 0,07 0,003 0,00 0,0
15,0 12 0,33 3,96 0,04 0,002 0,00 0,0
16,0 12 0,33 3,96 0,02 0,001 0,00 0,0
17,0 12 0,33 3,96 0,01 0,000 0,00 0,0
18,0 12 0,33 3,96 0,00 0,000 0,00 0,0
38
Jak již bylo zmíněno, napětí na přijímači může u tohoto modulu dosáhnout až ke 40 V. Takto vysoké napětí by poškodilo zvolený DC/DC konvertor, výrobce udává maximální vstupní napětí 18 V, výstupní napětí Rezonančního přijímače tedy bude třeba regulovat. Při rozboru Přijímače bylo rozhodnuto, že bude mít integrován regulátor vstupního napětí, aby však nemusel regulaci provádět sám, bylo rozhodnuto vytvořit Regulační modul i pro Rezonanční přijímač, který by Přijímači regulaci odlehčil.
Do připraveného slotu na Rezonančním přijímači byl sestaven jednoduchý modul (Obr. 24) se zenerovými diodami D1 a D2 otevírajícími tranzistor Q1, který při cca 16,5 V připne k Rezonančnímu přijímači zátěž, která způsobí pokles napětí. Jako zátěž byla zvolena obyčejná žárovka, jelikož nejlépe snáší tepelnou zátěž a svitem indikuje aktivaci Regulačního modulu. Tento modul byl navržen tak, aby se aktivoval dříve než regulace na Přijímači, a je třeba mít na mysli, že aktivovaná ztrátová regulace snižuje efektivitu přenosu.
Obrázek 24: Schéma Regulačního modulu
Obrázek 25: Regulační modul Obrázek 26: Umístění Regulačního modulu
39
4.3 UART/USB modul
Tento převodníkový modul bude zajišťovat komunikaci mezi Vysílačem a PC. Jeho jádrem je již zmíněný MCP2200, který slouží nejen jako UART/USB převodník, ale také poskytuje celkem 8 GPIO pinů, které je možné ovládat pomocí dodávané knihovny. Protože se jedná o velmi levný a univerzální převodník, který je v plánu na pracovišti školitele dále využívat, bylo rozhodnuto sestavit pro něj miniaturní univerzální plošný spoj. Obvod (Obr. 27) byl navržen podle datasheetu výrobce.
Připojení k PC bude realizováno pomocí mini-USB konektoru X1S, který bude sloužit jak pro přenos dat, tak pro napájení modulu. Jako ochrana proti zkratu je integrována 500 mA pojistka FUSE. Obvod pro svůj běh dále vyžaduje 12 MHz externí krystal QF1.
Pro indikaci jsou v obvodu umístěny 3 LED diody. Modrá LED2 indikuje napájení, červená LED1 odesílání dat a zelená LED3 přijetí dat. V obvodu jsou dále umístěny dvě lišty LEFT a RIGHT, které slouží jako vývody všech pinů z SMD pouzdra MCP2200.
Na levé liště je na prvním pinu umístěno napájení a poslední pin slouží pro čtení dat.
Na pravé liště je na první pozici umístěna zem a devátý pin slouží pro odesílání dat.
Na zbylých pinech jsou vyvedeny GPIO a ostatní piny pro práci s obvodem.
Obrázek 27: Schéma UART/USB modulu
40
Lišty jsou umístěny na stranách plošného spoje (Obr. 28) a rozteč pinů je standardně po desetině palce. Díky takto rozmístěným lištám je modul pevně usazen v patici a nehrozí tak jeho vylomení při zapojování nebo odpojování USB kabelu či případném zavadění o tento kabel. Celkové rozměry modulu jsou 27 × 27 mm, což činí modul velmi dobře přenosným (Obr. 29) a snadno integrovatelným do dalších projektů, kde nebude zabírat moc místa.
Pokud je DPS plně osazena všemi součástkami, je převodníkový modul plně funkční a do patice na zařízení, kam bude umístěn, stačí přivést od mikrořadiče pouze datový vstup, výstup a zem, která musí být propojena se zemí převodníkového modulu.
Takto bude modul zapojen i ve Vysílači.
Jestliže modul bude osazen pouze integrovaným obvodem, pojistkou a mini- USB konektorem, může být využit jako patice pro usazení do nepájivého pole, kde lze dále pracovat s obvodem a například testovat využití programovatelných GPIO pinů.
Obrázek 28: DPS UART/USB modulu
Obrázek 29: UART/USB modul
41
4.4 Vysílač
Vysílač bude hlavní částí Vysílací stanice a bude spravovat všechny přilehlé moduly, tedy: Rezonanční vysílač, Rádiový modul, modul s Displayem a UART/USB modul.
Jádrem Vysílače bude mikrořadič PICAXE-18M2, který disponuje všemi potřebnými vstupy, výstupy a komunikačními kanály, které budou pro obvod potřeba. Mezi požadavky na Vysílač patří také měření napětí a proudu vstupujícího do Rezonančního vysílače. Použitý mikrořadič disponuje několika osmibitovými A/D převodníky s přednastaveným rozsahem 0–5 V. Napětí vstupující do Rezonančního vysílače se bude pohybovat kolem 12 V, v závislosti na použitém napájecím adaptéru a jeho zatížení.
Měření napětí tedy půjde realizovat standardním napěťovým děličem.
Pro měření proudu již bude potřeba sestavit sofistikovanější obvod. Jako senzor pro měření proudu byl pořízen ACS758LCB-050U-PFF-T [52]. Zvolen byl zejména pro otestování jeho vlastností a seznámení se s jeho zapojením, z důvodu možnosti jeho využití v dalších projektech na pracovišti školitele. Jedná se o senzor pro měření proudu s vlastním bočníkem, integrovaným Hallovým senzorem, zesilovačem a filtrem. Bočník je dimenzován do 50 A a obvod disponuje analogovým výstupem s citlivostí 60 mV/A. Výchozí napětí analogového výstupu je cca 0,6 V, Při požadovaném rozsahu měřeného proudu, tedy alespoň 0–2 A, by analogový výstup poskytoval napěťový rozsah cca 0,6–0,72 V. Takto nízký rozsah nelze měřit A/D převodníkem mikrořadiče s již zmíněným přednastaveným rozsahem. Po prostudování manuálu k mikrořadiči bylo zjištěno, že horní i dolní hranice rozsahu A/D převodníku jde změnit. U použitého modelu mikrořadiče lze spodní hranici získat z externího pinu
a horní hranici lze nastavit softwarově ve třech variantách (1,024 V; 2,048 V; 4,096 V).
Obrázek 30: ACS758LCB-50U-PFF-T [52]
