Kablosuz endüktif şarj devresi

Yeni telefonlarla birlikte, endüktif kablosuz şarj günden güne popüler oluyor. Kablo kullanmadan endüktif enerji aktarımı elektronik uygulamalardaki ilginç kavramlardan birisidir. Kablolu elektrik sistemleri, çalışma masamızda çok pis ve hantal bir görüntü oluşturuyor. Gün geçtikçe gelişen teknolojiyle günlük yaşantımız da daha modern ve rahat hale geliyor. Gün içinde herkesin vazgeçemediği bir elektronik alet olan şarj cihazının kablosuz olması hem kullanım açısından hem de görsellik açısından çok kolaylık sağlıyor.

Gün geçtikçe daha popüler olan bu yöntem cep telefonlarının yanında, taşınabilir media playerlarda, digital kameralarda, tabletlerde, açık alan şarj istasyonlarında, bilgisayar sistemlerinde, otomobil araç içi uygulamalarında, elektrikli araçlarda ve daha bir sürü uygulama alanlarında yavaş yavaş yerini almaya başlıyor. Şarj çözümlerinde endüstri lideri olan IDT firması, WPC (Wireless Power Consortium)  ve PMA (Power Matters Alliance) ile birlikte yeni sistemin standartlarını oturtmak için çalışmalarına devam etmektedir. 

Kablosuz pil şarj sistemleri nasıl çalışıyor?
Kablosuz şarj verici modülü girişi, USB'den aldığı 5V'u 19V'a çeviren ya da AC/DC adaptörle beslenen tipik bir besleme kaynağıdır. iki veya daha fazla FET, köprü bağlantıyla bobini ve seri kondansatörleri besler. Rezonans frekansını seri konansatörler belirler. Bobin ise elektromanyetik indüksiyonla gücü alıcıya aktarır. Bazı vericilerde birden fazla bobin vardır ve her bir bobin birbirinden bağımsız olarak çalışan köprü bağlantılarıyla beslenir. Köprü bağlantılarının frekansı ve birbirlerine göre fazları en verimli manyetik indüksüyon alacak şekilde ayarlanır.
Alıcı modülü girişinde, transfer edilen gücü almak için bir bobin vardır. Alınan AC güç, verimliliği arttırmak için diyot yerine FET'le yapılmış doğrultucularda doğrultulur. Switching regülatörle ve çıkış kapasitörleriyle doğrultulan gerilim şarj için bataryaya bağlanır. Alıcı modül batarya ile birlikte cihazın içinde yer alır. Alıcı modül ayrıca şarj akım ve gerilimini de ayarlayarak şarj bittiğinde otomatik olarak akımı durdurur.

Burada aynı kavramı kullanarak daha basit bir kablosuz şarj cihazı yapacağız.
Endüktif güç aktarımı, radyo sinyalleri yada cep telefonu sinyalleri gibi, havayı kullanarak elektrik gücünün transfer edildiği bir uygulamadır. Ancak radyo ve cep telefonu sinyalleri aktarım gücü sadece birkaç wattır. Bu yüzden daha büyük bir gücün havadan transferi biraz daha farklı bir kavramdır.
Elektromanyetik alan teorisine göre herhangi bir manyetik alan, alan içindeki başka bir iletkende elektrik akımına neden olur. En iyi örnek transformatörlerdir. 220V AC elektrik-manyetik-elektrik dönüşümüyle 12V gibi istenilen gerilime dönüştürülür. Ancak transformatörler içindeki sargılar arası mesafe çok küçüktür. Bu nedenle bu dönüşüm çok verimlidir. Sargılar arası mesafe artınca tasarım biraz karmaşık hale gelir. Mesafe artınca verimin düşmesinin nedenlerinden birisi frekans, diğeri ise bobinlerde oluşan girdap akımlarıdır. Bu iki pararametre birbirine bağımlı ve ters orantılıdır (Frekans azaldıkça girdap akımları artar. Girdap akımlarının artması çekirdeğin ısınmasına ve güç kaybına neden olur. Frekans arttıkça girdap akımları azalır). Tasarım yaparken dikkat edilecek en önemli ayar, bu faktörü en verimli şekilde ayarlayıp iletim mesafesini mümkün olduğunca arttırmaktır. Burada 50Hz şebeke frekansını kullanıp en azından Li-ion piller için endüktif bir şarj devresi yapım önerisi sunacağız.

Gerekli malzemeler;
1- 470 Ohm pot(P1),
2- 10K/1W direnç (R1),
3- 0.47uF/400V non-polar kondansatör (C1),
4- 2uF/400V, non-polar kondansatör (C2),
5- Variable Gang kondansatörü (C3),
6- 10uF/50V kondansatör (C4),
7- 5 adet 1N4007 (D1,..D5),
8- batarya gerilimi için zener diyot (istediğimiz gerilime göre), 1w att (D6),
9- BU508 transistör (T2),
10- Bobin (el yapımı, 100 tur bakır tel orta uçlu, mümkün olan en büyük ferrite E-çekirdek) L1,
11- Bobin (el yapımı, 50 tur bakır tel) L2.

Devre verici modül ve alıcı modül olmak üzere iki bölümden oluşmuştur. Verici modüldeki bobin, dışı yalıtılmış bakır telden 100 sarımdır ve tek katlıdır (tek sıra-yassı olacak). boyut olarak mümkün olduğunca büyük ve mümkünse ferrit E-çekirdek (E-core) üzerine sarılmalıdır. Orta ucu 50. sarımdan çıkarılacaktır. Bobin R1 transistörü üzerinden, T1 ve C1 den oluşan bir osilatör devresine bağlanır. P1 potu ile frekans arttırılarak optimum seviyeye ayarlanır (deneyerek en uygun frekans bulunur). Girişteki doğrultucu diyodlarla elde edilen DC gerilim osilasyonu başlatır ve devre salınım yapar. Alıcı modülün girişinde 50 sarımlık (dışı yalıtılmış bakır iletken) bir bobin vardır. Dieletrik olarak havayı kullanan bir bobinden manyetik alan elektrik akımına dönüşür. C3 ayarlı kondansatörü (küçük boyutlu olanı bulunuz. Aşağıda fotoğrafı var) ile L2 bobini resonatör gibi çalışır. C3 ile resonans frekansı ayarlanır. D6 ve C4 ile elde edilen salınım DC gerilime çevrilir. Çıkışa bir LED bağlanarak kablosuz güç aktarımının başladığı görünebilir.

UYARI: Devre AC şebeke geriliminden izole değildir ve Enerji verildiğinde herhangi bir elemana dokunduğunuzda elektrik çarpar.

Variable Gang kondansatörü;

Eğer vaktiniz yoksa ve yaklaşık 7$ verebilirim diyorsanız, Alternatif olarak hazır modülleri kullanabilirsiniz.

Modülleri buradan satın alabilirsiniz.