In questo articolo presentiamo un progetto attualissimo, di sicuro interesse per tutti i lettori. Ci occuperemo, infatti, della tecnologia legata al trasferimento di potenza elettrica via wireless, che tra le numerose applicazioni include la ricarica senza fili supportata da molti smartphone di ultima generazione. In particolare, presenteremo una coppia di moduli destinati al trasferimento di potenza wireless ad alta efficienza, in grado di trasmettere una potenza fino a 50 W su una distanza di alcuni centimetri.

Introduzione

La trasmissione di potenza attraverso l’etere è da sempre considerata come un’idea molto affascinante. Negli ultimi anni, numerose attività di ricerca sono state condotte in questo settore, e i risultati ottenuti sono stati così soddisfacenti che questa tecnologia ha già trovato degli sbocchi commerciali con utilizzi, ad esempio, nella ricarica wireless per gli ultimi modelli di smartphone. Il campo di potenziali applicazioni di questa tecnologia è, tuttavia, molto più esteso, soprattutto quando si utilizzano livelli di potenza superiori a qualche watt. Gli scenari che potrebbero beneficiare di questa tecnologia comprendono sicuramente il mondo industriale e quello delle applicazioni medicali, in cui sono richiesti un elevato grado di isolamento, oppure si tende ad evitare il contatto meccanico tra le parti coinvolte. Diversi produttori hanno già sviluppato dei componenti specifici per la trasmissione di potenza wireless. Una delle aziende pioniere in questo settore è Würth Elektronik, un produttore specializzato in grado di offrire un'ampia gamma di bobine e avvolgimenti per applicazioni relative al trasferimento di potenza wireless. Würth offre anche una varietà di circuiti applicativi che possono aiutare i progettisti elettronici e gli appassionati a prendere confidenza e familiarizzare con questa tecnologia relativamente nuova, e con i componenti da essa impiegati. In cooperazione con Elektor, Würth ha intrapreso l'iniziativa di aumentare all'interno della community il livello di conoscenza della tecnologia di trasmissione wireless, proponendo il progetto che ora descriveremo, composto da un trasmettitore e da un ricevitore wireless con livelli di potenza fino a 50 W. Si tratta chiaramente di un sistema di trasmissione di potenza wireless di classe completamente differente rispetto ai normali caricatori wireless conformi allo standard Qi, contraddistinti da una potenza massima di 15 W (nella maggior parte dei caricatori per smartphone, la potenza è comunque limitata a 5 W). Per facilitare l'apprendimento di questa tecnologia, è stato approntato un kit contenente tutti i componenti e i PCB richiesti per la realizzazione del sistema composto dal trasmettitore e dal ricevitore.

Caratteristiche tecniche

Prima di esaminare il progetto in dettaglio, anticipiamo le principali caratteristiche tecniche del sistema di trasferimento di potenza wireless qui proposto:

• potenza massima: 50 W;
• utilizzo di potenza consigliato nel modo continuativo: 0-40 W;
• tensione di alimentazione: 12,5 - 24 V_CC, 3 A minimi;
• tensione di alimentazione consigliata: 19,5 V (ad esempio quella prodotta da un alimentatore per computer portatili);
• distanza tra le bobine: massimo 1 cm per un trasferimento di potenza ottimale;
• efficienza: 88% a 40 W con distanza di 0,5 cm tra le bobine.

Il circuito risonante

Come funziona la trasmissione di potenza wireless? In un modo molto semplice: tra due bobine poste a una distanza relativamente piccola, si verifica un trasferimento di energia da una bobina all'altra in virtù della generazione di un campo magnetico alternato (Figura 1). Il trucco, se così si può dire, consiste nell'assicurare un buon livello di accoppiamento tra le bobine, in modo tale da trasferire quanto più possibile del flusso magnetico generato dal trasmettitore verso la bobina ricevente.

Figura 1: principio di funzionamento della trasmissione di potenza wireless

Esistono varie tipologie di circuiti oscillanti utilizzati per pilotare la bobina del trasmettitore. Tra questi, uno dei più utilizzati è l'oscillatore zero voltage switching (ZVS). In Figura 2 possiamo osservare uno schema a blocchi molto semplificato di un oscillatore ZVS basato su due MOSFET. La combinazione della bobina trasmittente e del condensatore formano un circuito risonante parallelo, che determina direttamente la frequenza dell'oscillatore. Non appena viene collegata un'alimentazione continua, il circuito comincia ad oscillare spontaneamente, in quanto uno dei due MOSFET comincia sempre a condurre prima dell'altro. La retroazione positiva tra il drain di ogni MOSFET e il gate dell'altro, genera uno sfasamento di 180 gradi, in modo tale che ogni MOSFET, in modo alternato, porta l'altro transistor in conduzione. Ne consegue che ogni lato del circuito LC viene collegato a massa in modo alternato.

Figura 2: schema di base di un oscillatore ZVS

Questo tipo di oscillatore, rispetto ad altri schemi analoghi, presenta diversi vantaggi che possiamo così riassumere:

• è un circuito auto-oscillante, e richiede soltanto una tensione di alimentazione continua;
• presenta una bassa dissipazione di potenza, in quanto entrambi i MOSFET commutano automaticamente nei punti di attraversamento della tensione nulla;
• le forme d'onda sia della tensione che della corrente sono virtualmente sinusoidali.

Un ulteriore vantaggio è che lo stesso circuito può essere utilizzato anche sul lato ricevente, dove si comporta come un raddrizzatore sincrono. Quando una sorgente di potenza viene applicata sul lato trasmittente, la potenza trasferita diventa disponibile sul lato ricevente. Questo circuito è adatto per livelli di potenza sino a 200 W, a seconda delle dimensioni dei componenti utilizzati. Occorre, inoltre, notare come, a differenza dei caricatori Qi utilizzati per gli smartphone, questo sistema non dispone di alcuna "intelligenza" integrata. Tuttavia, la sua maggiore potenza lo rende il circuito ideale per la conversione di potenza wireless in applicazioni elettroniche più elaborate, o per l'illuminazione.

Il circuito

Vediamo ora di esaminare il circuito, partendo dallo schema a blocchi del convertitore, visibile in Figura 3. Oltre al circuito LC, i MOSFET e i filtri, possiamo notare la presenza di due circuiti driver per MOSFET, il cui compito è quello di assicurare che i transistor possano commutare nel minor tempo possibile. Gli stadi che compongono il circuito driver sono alimentati da una sorgente di alimentazione stabilizzata separata, in modo tale che un malfunzionamento o guasto del driver stesso non possa pregiudicare lo stato dei MOSFET. Esiste, inoltre, un circuito elettronico di protezione che disabilita i driver se la corrente nel circuito LC supera una certa soglia (impostabile). Questo circuito di protezione è richiesto soltanto sul lato trasmittente.

Figura 3: schema a blocchi del convertitore di potenza wireless

Proseguiamo l'analisi del circuito esaminando ora lo schema elettrico completo (Figura 4), che come possiamo subito osservare include un numero ridotto di componenti. La maggior parte dei componenti presenti svolgono una funzione di disaccoppiamento ed eliminazione del rumore, funzionalità necessarie per un corretto funzionamento del circuito e per mantenere l'emissione di interferenze a un ragionevole livello.

Figura 4: schema completo del circuito. Il ricevitore è come il trasmettitore, ad eccezione dei componenti nel riquadro grigio

Vediamo ora il circuito in dettaglio. In alto a destra possiamo osservare il connettore di alimentazione, da collegare a un alimentatore stabilizzato. Per questo scopo è possibile utilizzare un alimentatore da laboratorio, ma anche un comune alimentatore per computer portatile da 19 V e potenza di almeno 70 W può andare bene. Il fusibile PTC resettabile (F1) è seguito dalla resistenza R18 come protezione del circuito dalle sovracorrenti. La tensione di alimentazione attraversa poi le due generose induttanze L1 ed L2, per raggiungere la sezione dell'oscillatore con la bobina trasmittente (L4). Il circuito risonante LC è composto da L4 e dai condensatori serie/parallelo C8-C11. La frequenza di risonanza è pari a circa 100 kHz, e si sposta leggermente quando le bobine del trasmettitore e del ricevitore sono poste l'una vicino all'altra. I due MOSFET T5 e T6 collegano i due lati del circuito LC, in modo alternato, a massa. Ciascun MOSFET dispone di un proprio circuito driver in modo tale da mantenere ripidi i bordi estremi dei fronti di commutazione, limitando nel contempo l'assorbimento di potenza. Ciascun circuito driver è composto da uno stadio push-pull (T3/T8 oppure T4/T9), una sezione di controllo (T2/T7 oppure T1/T10), e una rete di retroazione positiva tra l'uscita e l'ingresso (D3/R7 oppure D4/R8). La qualità dell'alimentazione assume un'importanza fondamentale per i circuiti driver, ed è questo il motivo per cui i MOSFET vengono alimentati tramite una linea di alimentazione stabilizzata separata da quella principale. La tensione di alimentazione è stabilizzata tramite IC1, un regolatore switch step-down appartenente alla famiglia di moduli di alimentazione MagI³C prodotta da Würth. La tensione di uscita è impostata sul valore di 9,6 V tramite il partitore di tensione composto da R11/R14. Intorno all'integrato IC1 troviamo poi un certo numero di buffer e condensatori di disaccoppiamento. Il led D7 si accende quando il regolatore di tensione sta funzionando. Il diodo D5 e il diodo TVSE di protezione dalle sovratensioni sono, inoltre, inclusi nella linea di alimentazione dei circuiti driver. Il jumper J1 è collegato all'ingresso Enable del regolatore di tensione tramite il partitore di tensione R9/R13; ciò consente di togliere manualmente l'alimentazione all'intero sistema composto dal trasmettitore e dal ricevitore. Normalmente il jumper si trova nella posizione Enable, e l'alimentazione viene fornita e rimossa agendo sull'alimentatore. Il circuito di monitoraggio della corrente è composto dai componenti racchiusi nel riquadro grigio, montati soltanto sul PCB del trasmettitore. La resistenza di sense R18 è presente su entrambe le schede, ma sulla board del ricevitore può anche essere sostituita con uno spezzone di filo. La caduta di tensione sulla resistenza di sense R18 è misurata dal circuito di monitoraggio della corrente realizzato tramite IC2. La sua uscita (disponibile sul pin 1) genera, infatti, una corrente linearmente proporzionale alla tensione su R18 (in base alla formula: Iout = 0,004 × VR18), che a sua volta genera una tensione sul partitore di tensione composto da R20/R21/P1. Una parte di questa tensione (regolabile tramite il potenziometro P1) arriva in ingresso al tiristore composto dai transistor discreti T11 e T12. Quando la tensione in ingresso alla giunzione di R23 e R24 supera un determinato valore (pari a circa 0,6 V), il tiristore entra in conduzione e tira a massa il pin Enable del regolatore step-down. In questo modo viene tolta alimentazione al circuito driver, e l'oscillatore si arresta immediatamente. Il circuito rimane in questo stato sino a quando non viene rimossa l'alimentazione, oppure viene premuto il pulsante S1. La resistenza R27 limita la corrente massima attraverso D8 e T11, mentre il diodo D8 assicura che il circuito per il rilevamento delle sottotensioni costruito attorno a R9/R13 non venga influenzato da R25/R26 quando il tiristore è inattivo. Il valore utilizzato per la limitazione della corrente può essere impostato tra circa 1,6 e 3 A, anche se il valore più alto non è consigliabile in quanto in tal caso si correrebbe il rischio di danneggiare i MOSFET. Nel corso dei test condotti presso gli Elektor Labs, diversi MOSFET si sono guastati, nonostante i numerosi circuiti posti a loro protezione. Se non volete correre alcun rischio, è una buona idea limitare la potenza di trasmissione a circa 40 W. Normalmente, il circuito di protezione interviene immediatamente dopo aver applicato l'alimentazione; quando la protezione si attiva, si può osservare una breve accensione del led blu (D7), che subito dopo si spegne nuovamente. Quando ciò si verifica, occorre premere il pulsante Reset per avviare il circuito. Il led blu rimane sempre acceso quando il convertitore sta funzionando correttamente.

Elenco componenti

Resistenze

R1, R2, R5, R6, R12 = 4,7 kΩ, 1%, 0,25 W, SMD 1206

R3, R4 = 4,7 Ω, 1%, 0,25 W, SMD 1206

R7, R8 = 1 kΩ, 1%, 0,25 W, SMD 1206

R9 = 100 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R10 = 180 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R11 = 33 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R13 = 11 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R14, R17 = 3 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R15, R16 = 100 kΩ, 1%, 0,25 W, SMD 1206

R18 = 0,022 Ω, 5%, 0,5 W, SMD 1206

Condensatori

C1, C18 = 100 nF 50 V, 10%, X7R, SMD 0805

C2, C3 = 330 μF 35 V, 20%, 0Ω15, 10x16 mm, radiale

C4, C5, C12-C15, C17, C25, C26 = 4,7 μF 50 V, 10%, X7R, SMD 1210

C6, C7 = 68 μF 25 V, 0,015 Ω, 8x12 mm, radiale, Can - SMD

C8, C9, C10, C11 = 100 nF 310 VAC, 10%, polipropilene, passo 10 mm

C16 = 22 nF 50 V, 10%, X7R, SMD 0805

C19, C20, C24 = 4,7 nF 50 V, 5%, NP0, SMD 0805

C21, C22, C23, C27 = 22 μF 16 V, 20%, X5R, SMD 1210

Induttanze

L1, L2 = 68 μH, 20%, 7,5 A, 0,0273 Ω, SMD (Würth 74435586800)

L3 = 10 μH, 20%, 1,2 A, 0,322 Ω, SMD (Würth 74438336100)

L4 (non sul PCB) = 24 μH, 10%, 6 A, 0,1 Ω (Würth Wireless Power Charging Coil)

Semiconduttori

D1, D2 = BYM12-200, DO-213AB (MELF)

D3, D4, D5 = BYM13-40, DO-213AB (MELF)

D6 = WE-TVSP (15 V 1500 W), DO-214AB

D7 = LED, blue, SMD 0805

T1, T2, T3, T4 = DZT5551, SMD SOT-223

T5, T6 = FDD86250, SMD TO252

T7, T8, T9, T10 = PBHV9115Z, SMD SOT-223

IC1 = WE_VDRM_Power-Module SMD TO263-7 (Würth type 171032401)

Varie

K1, K2 = terminale 2-vie per PCB con blocco a vite, passo 5 mm

J1 = pinheader a 3 pin, passo 0,1’’

F1 = fusibile resettabile PTC, 0,048 Ω, Ihold 2,5 A/30 V (MF-R250-0-10)

J1 = jumper, passo 0,1’’
PCB # 160119-1

Componenti addizionali sulla scheda trasmettitore

R19 = 1 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R20 = 11 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R21 = 2,2 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R22 = 47 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R23, R25 = 470 kΩ, 1%, 125 mW, SMD 0805

R24 = 1 MΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R26 = 33 kΩ, 1%, 0,125 W, SMD 0805

R27 = 100 Ω, 1%, 0,125 W, SMD 0805

P1 = 2 kΩ, 25%, 0,2 W, SMD potenziometro trimmer (es. Bourns 3364W-1-202E)

C28 = 10 pF 50 V, 5%, C0G/NP0, SMD 0805

C29 = 100 nF 50 V, 10%, X7R, SMD 0805

D8 = BAT54, SMD SOT-23

T11 = BC850C, SMD SOT-23

T12 = BC860C, SMD SOT-23

IC2 = ZXCT1107SA-7, SMD SOT-23

S1 = pulsante, SPST-NO (FSM4JRT)

E’ inoltre disponibile presso Elektor un kit con inclusi tutti i componenti e le schede richiesti per assemblare un trasmettitore ed un ricevitore: Elektor Store # 160119-71

Assemblaggio

Il PCB approntato per il trasmettitore e per il ricevitore è visibile nelle Figure 5a e 5b.

Figura 5a: lato superiore del PCB

Figura 5b: lato inferiore del PCB

La scheda è caratterizzata da un layout molto compatto, con i componenti montati su entrambi i lati. I componenti di dimensioni maggiori, tra cui le induttanze di filtro e i condensatori, sono posizionati sulla faccia superiore dello stampato, mentre i MOSFET e il resto dei componenti si trovano sul lato inferiore del PCB. L'elenco dei componenti è diviso in due parti: una lista generale che si applica a entrambe le schede, e una lista separata relativa ai componenti per il solo circuito di protezione, montati esclusivamente sulla scheda del trasmettitore (sono i componenti all'interno del riquadro grigio nello schema elettrico). L'assemblaggio dei PCB richiede una buona esperienza con la saldatura dei componenti SMD: se non avete un'adeguata esperienza in questo campo, è meglio che non vi cimentiate con questo progetto. Se avete già a disposizione un forno a rifusione e una stazione di saldatura ad aria calda, il montaggio sarà semplificato di molto. Cominciate con l'applicare la pasta saldante sulla parte superiore di ogni PCB; verificate poi visivamente che tutto sia a posto, e quindi posizionate i singoli componenti. Il kit include un elevato numero di resistenze e condensatori con diversi valori, per cui ponete attenzione al loro valore quando inserite i componenti nel circuito. Stesso discorso vale per i transistor. Controllate anche la polarità dei condensatori elettrolitici (potete fare riferimento alle immagini relative alle schede già assemblate). Fate anche attenzione ai componenti separati, montati solo sulla scheda del trasmettitore. Dopo aver posizionato tutti i componenti sulla faccia superiore dello stampato, potete inserire la scheda nel forno a rifusione. I componenti del lato superiore possono anche essere montati utilizzando una stazione saldante ad aria calda, ma l’operazione può risultare complessa con le due induttanze (L1 ed L2), in quanto sono di dimensioni generose e quindi assorbono molto calore. Si può anche provare a utilizzare un saldatore normale, i terminali della bobina sono accessibili sulla parte laterale, attraverso le aperture dei nuclei di ferrite. Il regolatore di tensione IC1 dispone di una piazzola per il raffreddamento nella parte inferiore, che funge anche da collegamento di massa. E’ essenziale che questa piazzola venga saldata sul PCB. Se si utilizza della pasta saldante e una stazione saldante ad aria calda, l’integrato scivolerà leggermente quando la pasta diventa liquida; quando ciò avviene, sarete sicuri che il dissipatore di calore è stato saldato correttamente. Con un saldatore normale, è virtualmente impossibile sapere se questa piazzola è stata correttamente saldata, per cui l’esito dell’operazione non potrebbe essere accertato con sicurezza. Successivamente si può passare alla parte inferiore del PCB. Poichè non è possibile inserire nel forno a rifusione un PCB SMD doppia faccia senza adottare particolari misure, la parte inferiore di ogni scheda deve essere assemblata manualmente, utilizzando una stazione saldante ad aria calda o un normale saldatore. Anche in questo caso ci sono dei componenti che devono essere montati solo sulla scheda del trasmettitore, e saranno pertanto omessi sulla scheda ricevitore. Una volta completato il montaggio di tutti i componenti SMD, è arrivato il momento di saldare sul PCB gli ultimi componenti: il fusibile F1, i condensatori elettrolitici C2 e C3, i condensatori C8-C11, il pulsante S1, le due strip di terminali K1 e K2 e il jumper J3. Controllate l’assemblaggio con le immagini riportate nelle Figure 6a, 6b e 7a, 7b, verificando che tutto sia stato correttamente montato. A questo punto è arrivato finalmente il momento di eseguire i primi test.

Figura 6a: parte superiore della scheda trasmettitore

Figura 6b: parte inferiore della scheda trasmettitore

Figura 7a: parte superiore della scheda ricevitore

Figura 7b: parte inferiore della scheda ricevitore

Collaudo

Collegate le bobine speciali con substrato di ferrite ai connettori K2 delle due schede. Collegate il connettore K1 della scheda trasmettitore a una sorgente di alimentazione (ad esempio, l’adattatore di un portatile), e collegate il connettore K1 della scheda ricevitore a un carico. Tenete presente che la tensione di uscita è all’incirca pari alla tensione di alimentazione del trasmettitore. Partite con un carico relativamente modesto, come ad esempio una resistenza di potenza da 47 Ω/10 W. Impostate il jumper J3 di entrambe le schede sulla posizione Enable. Ponete poi le bobine una sopra l’altra, con i dischi di ferrite posti all’esterno, come indicato in Figura 8. Per separare le due bobine potete utilizzare un piccolo spessore di legno oppure di plastica spesso circa 5 mm. L’efficienza del trasferimento di potenza si mantiene sufficientemente alta fino a circa 1 cm di separazione; superata questa distanza, l’efficienza e la tensione di uscita calano sensibilmente. A questo punto potete attivare l’alimentazione: il led D7 dovrebbe accendersi. Se ciò non avviene, premete il pulsante S1. Se il led si spegne nuovamente dopo aver premuto S1, la soglia per la limitazione della corrente è probabilmente impostata a un valore troppo basso. E’ possibile regolarla agendo sul potenziometro P1. Se il led D7 si accende, e tutto sembra essere corretto, controllate la tensione presente sulla resistenza utilizzata come carico. Una volta appurato che il convertitore sta operando correttamente, è possibile incrementare il valore del carico. Per non correre il rischio di dover sostituire i transistor MOSFET, è consigliabile mantenere il carico al di sotto dei 50 W. La posizione del potenziometro P1, utilizzato per la limitazione della corrente, dipende dalla quantità di potenza che si vuole trasferire. L’approccio più sicuro è quello di impostare la soglia di protezione appena sopra il livello di potenza desiderato.

Figura 8: ambiente di test approntato nei laboratori Elektor Labs. Il carico elettrico è composto da cinque resistenze di potenza collegate in parallelo

Conclusioni

Questo progetto è inteso per essere utilizzato a fini sperimentali, impratichendosi con l’utilizzo e l’applicazione del trasferimento di energia wireless con livelli di potenza relativamente bassi. Proprio per questo motivo non è stata qui proposta alcuna applicazione pratica del progetto: lasciamo questo compito alla fantasia dei lettori.

Web link

Articolo originale in inglese al link: Wireless Power Converter

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