無線電能傳輸裝置

1、目 錄1系統(tǒng)方案21.1系統(tǒng)總體思路21.2系統(tǒng)方案論證與選擇21.2.1 電源模塊論證與選擇21.2.2驅(qū)動模塊論證與選擇21.2.3線圈的論證與選擇21.2.4整流電路的論證與選擇21.3系統(tǒng)總體方案設計32理論分析與計算32.1 TL494應用原理32.2 IR2110原理32.3 無線傳輸原理42.4 計算公式43電路設計43.1電源模塊（圖3）4圖3 電源模塊53.2驅(qū)動模塊（圖4）53.3傳輸模塊（圖5）54測試方案與測試結(jié)果64.1測試方法與儀器64.2測試數(shù)據(jù)與結(jié)果64.3數(shù)據(jù)分析與結(jié)論7參考文獻7無線電能傳輸裝置（F題）1系統(tǒng)方案1.1系統(tǒng)總體思路由題我們設計并制作一個磁耦合

2、諧振式無線電能傳輸裝置，且用空心線圈制作了直徑為20cm的發(fā)射和接收線圈；利用信號發(fā)生電路將輸入的直流15V電轉(zhuǎn)化為PWM脈沖信號，通過驅(qū)動電路產(chǎn)生交變電流，對發(fā)射線圈進行供電，線圈利用磁耦合諧振式原理，將電能無線傳輸?shù)浇邮站€圈端，最終在接收線圈端產(chǎn)生電流，達到無線電能的傳輸?shù)囊蟆＝?jīng)過幾天的測試，制作出了傳輸效率達 38.3%，x的值最大為26 cm的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置。1.2系統(tǒng)方案論證與選擇1.2.1 電源模塊論證與選擇方案一：利用雙電源，直接對電路進行供電。方案二：利用單電源，再接入PWM控制器芯片TL494固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，能夠有效地將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖。TL4

3、94芯片的功耗低，構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，輸出電壓脈動??；且IR2110 的電路無需擴展，使電路更加緊湊，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，為獲取死區(qū)時間，可由基本振蕩電路、與門電路構(gòu)成，為方便我們選用TL494，選擇方案二。1.2.2驅(qū)動模塊論證與選擇方案一：利用三極管對無線電能傳輸裝置進行驅(qū)動，可以比較經(jīng)濟地進行驅(qū)動。 方案二：使用兩個IR2110對無線電能傳輸裝置進行驅(qū)動，因其15V 下靜態(tài)功耗僅116mW輸出的電源端電壓范圍1020V,工作頻率高，可達500kHz，能夠很好地滿足線圈進行電能傳輸?shù)男枰?。考慮到線圈所需諧振頻率較高，而三極管的通斷不是那么靈敏，所以選擇較為靈敏的場效

4、應管，又考慮到電路的簡便，則選擇方案二。1.2.3線圈的論證與選擇方案一：利用單層同心圓平面繞組，但其輸出的頻率很高對電容要求過高。方案二：利用多層繞組?？紤]到多層繞組的頻率相對穩(wěn)定，它對諧振電容的要求較低，還有它對線圈的磁場干擾較小，并且它的電能傳輸效率能夠達到標準，因此選擇方案二。1.2.4整流電路的論證與選擇方案一：二極管半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，二極管承受反壓大，很有可能會燒毀二極管，直流電源輸入時，不能構(gòu)成放電回路，不適用于本電路。方案二：橋式整流。四只整流三極管D14 和負載電阻RL組成。四只整流三極管接成電橋形式。橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二

5、極管承受反壓大的缺點，且成本低，效率高，適用于各種電路。考慮到半波整流對電能的損失，我們選擇的損失較小的全波整流，因此選擇方案二。1.3系統(tǒng)總體方案設計本系統(tǒng)主要由電源模塊，驅(qū)動模塊、無線傳輸模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。電源TL494IR2110測試電壓 線圈開關打到負載檔濾波、整流LED燈亮開關撥到發(fā)光二極管檔圖1 系統(tǒng)總體框圖電源模塊運用單電源供電，利用TL494對電流進行改變，形成脈沖，在這里我們使用了電容對電流進行了限制。驅(qū)動模塊運用兩個IR2110，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，僅用一組電源即可，滿足題目要求。無線傳輸裝置我們用了兩扎線圈，在進行電能傳輸時能夠高效率的傳輸電流，符

6、合題目要求。2理論分析與計算2.1 TL494應用原理TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。它集成了全部的脈寬調(diào)制電路，并且可調(diào)整死區(qū)時間，功率輸出管Q1和Q2受控于或非門，當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。2.2 IR2110原理IR2110 采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，DIP14 腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮

7、電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，15V 下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有5V 的偏移量；工作頻率高，可達500kHz。IR2110 內(nèi)部由低壓通道和高壓通道兩個相互獨立的通道組成。邏輯輸入端采用滯后為0. 1VDD 的施密特觸發(fā)器,以提高抗干擾能力和接受緩慢上升的輸入信號。而且其輸入和柵驅(qū)動之間的開通與關斷的傳播延遲分別為120ns和95ns。2.3 無線傳輸原理利用共振的原理，合理設置發(fā)射裝置與接收裝置的參數(shù)，使得發(fā)

8、射線圈與接收線圈以及整個系統(tǒng)都具有相同的諧振頻率，并在該諧振頻率的電源驅(qū)動下系統(tǒng)可達到一種“電諧振”狀態(tài)，從而實現(xiàn)能量在發(fā)射端和接收端高效的傳遞。如圖2，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要由電源、能量轉(zhuǎn)換與傳輸裝置（線圈諧振器），能量接收裝置三部分組成。圖2 無線傳輸示意圖2.4 計算公式計算效率公式： （U1為輸入電壓，U2為輸出電壓，I1為輸入電流，I2為輸出電流）計算頻率公式： （L為電感感值，C為電容容值）TL494振蕩頻率計算： (RT為6腳輸出，CT為5腳輸出)3電路設計3.1電源模塊（圖3）電源的轉(zhuǎn)化我們利用TL494，它廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源，在這里我們

9、應用于全橋式開關電源，為了保護芯片我們在4腳接了一個電解電容，在5與6腳我們分別接了變阻器與0.47uf的電容以便調(diào)節(jié)輸出電源的頻率。圖3 電源模塊3.2驅(qū)動模塊（圖4）驅(qū)動我們利用了IR2110，它兼有體積小和速度快的優(yōu)點，它能更好地讓場效應管工作，我們在驅(qū)動電路末加了兩組場效應管構(gòu)成H橋，能夠快速地進行通斷，保證在線圈上產(chǎn)生高頻交流電。為了保護電路我們在四個場效應管的公共接線上并聯(lián)了兩個0.47uf的電容，防止發(fā)熱過快，燒壞單個電容，又讓電容與線圈形成串聯(lián)諧振。圖4 驅(qū)動模塊3.3傳輸模塊（圖5）在接收信號處我們加上了一個電容用于高頻的振蕩，產(chǎn)生較平穩(wěn)連續(xù)的電流，由于是高頻交變電流,為減少

10、損耗采用多支小電容并聯(lián)濾波，發(fā)送模塊與接收模塊都由L與C構(gòu)成串聯(lián)諧振，才能最大效率的將電能傳輸。線圈我們使用多層繞組，經(jīng)測量它的電感值有5mH，那么它應配上1uF電容，則頻率可達2.16kHz。圖5 傳輸模塊4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方法與儀器 1、測試方法用萬用表、示波器等相關儀器檢測電路是否正常。電平是否與理論相符，檢測完后，將15V電源接入電路，改變負載電阻大小，以改變輸出電流與輸出電壓，從而改變其傳輸效率，分別測出一定的負載大小時，輸出電流、輸出電壓以及輸入電流大小以便算出電能傳輸效率，最后找出最大效率時負載電阻的值。不改變輸入電壓，固定負載電阻到最大效率那一阻值，改變線圈之間的距

11、離多測幾次，最后計算出其效率大小，比較效率大小，找出效率變化規(guī)律。2、測試儀器本系統(tǒng)測試儀器見表1。表1 無線電能傳輸系統(tǒng)測試儀器序號名稱型號說明1數(shù)字萬用表UT39A用來檢測自制探測儀的硬件焊接和電纜檢測的結(jié)果以及各模塊的工作情況2雙蹤示波器UT2025C測試探測儀是否能檢測到帶電電纜3直流穩(wěn)壓電源APS3005S-3D用作電源4指針式萬用表MODEL MF 47用來檢測探測儀的工作，有時數(shù)字表不明顯5LCR數(shù)字電橋YD2810B用來測試電感4.2測試數(shù)據(jù)與結(jié)果當接收線圈離發(fā)射線圈的距離x=10cm，輸入直流電壓U1=15V時，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U2=19.3V，

12、輸入電流I1=2.34A，效率=27.5%。無線傳輸效率測試：輸入電壓U1=15V，諧振頻率F=2.18KHz測試表格見表2、表3。表2電阻R（）輸出電流I2（A）輸出電壓U2（V）輸入電流I1（A）效率51.687.42.631.9%101.3512.62.9638.3%151.1516.53.2938.4%201.0019.23.5236.4%250.8420.73.5332.8%91.3811.72.9137.0%111.2813.33.0037.8%131.2014.93.1338.1%141.1515.63.1937.5%161.0916.73.2837.0%表3距離（cm）輸出電流

13、I2（A）輸出電壓U2（V）輸入電流I1（A）效率71.0615.32.0752.2%60.9914.31.6856.2%50.9013.11.3359.1%40.7911.51.0060.6%20.618.90.5362.4%10.507.30.3962.4%備注：測試負載R=154.3數(shù)據(jù)分析與結(jié)論 頻率達2.18KHz，在輸入電壓15V，輸入電流1A時，線圈間距離10cm情況下，效率能夠達到38.3%，線圈間距離越近電能傳輸?shù)男试礁?，效率最高可達62.4%。綜上所述，本設計基本達到設計要求。4.4問題分析與結(jié)論 1. 自激振蕩電路部分有時會不穩(wěn)定，尤其是當線圈與電容不匹配時，會發(fā)生短路

14、，但是在最初設計電路往往忽略了這一點，所以在后期更正和測試階段電路經(jīng)常會出現(xiàn)問題。2. 線圈與電容匹配問題，磁耦合諧振無線電能傳輸基于發(fā)射和接收端電感和電容諧振，從而實現(xiàn)無線電能傳輸，但是在匹配時需要計算好數(shù)據(jù)，當電容數(shù)據(jù)不能滿足要求時電路不能正常工作。4.5無線電能傳輸技術存在和需要解決的問題利用無線電能傳輸方式為手提電腦、手機、MP3播放器以及其他電器設備提供電能就意味著可以自由自在地使用各種電子電器，而不用擔心電纜不夠長或插頭插座不夠多，有些電子電器也可以水久地擺脫電池的束縛。這給人們提供極大便利的同時，也可以杜絕因廢棄電池帶來的環(huán)境污染。但是無線電能輸電技術在實際應用中也存在著很多胡難

15、和需要解決的問題。主要有以幾點：(1)對人身安全和周圍環(huán)境的影響需要解決。由于無線能量的傳輸既不像傳統(tǒng)的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制也不像無線通訊那樣傳送微小的功率。高能量的能量密度勢必會對人身安全帶來影響，據(jù)美國超聲協(xié)會認定人體所能承受的超聲波能暈密度也僅為100mWm2。而另一方面人們對電磁波的承受范圍為100mWm2，激光則在功率密度小丁25mWcm才能保證對人體無傷害。所以采用無線輸電時要考慮避免對人身的傷害，采用電磁波方式傳輸電能會對通訊設備產(chǎn)生干擾這也是無線屯能傳輸過程中需要解決的問題。(2)傳輸效率普遍不高。目前無線電能傳輸技術整體上傳輸?shù)男什桓?，主要原因是能量的控制比較困難無法真正實現(xiàn)能量點對點的傳送在傳輸?shù)倪^程中會散射等損耗一部分能量能量轉(zhuǎn)換器的效率不高也是影響整個系統(tǒng)效率的關鍵田紊。當然隨著電子技術不斷進步，傳輸?shù)男室矔饾u提高。(3)要想把無線技術應用到小型移動設備的電能供應中，需要解決的最大的問題就是接收裝置的體積問題。和大功率遠距離無線輸電系統(tǒng)不一樣是小