電磁感應(yīng)技術(shù)之無(wú)線(xiàn)電傳輸

1、電磁感應(yīng)技術(shù)之無(wú)線(xiàn)電傳輸電磁感應(yīng)技術(shù)之無(wú)線(xiàn)電能傳輸學(xué)院：自動(dòng)化工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化姓名：張建文3 / 14第1章無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)基本概念L1無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的基本原理無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)(Wirelesschargingtechnology；Wirelesschargetechnology),無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)來(lái)源于無(wú)線(xiàn)電力輸送技術(shù)，是借助于電磁場(chǎng)或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。初級(jí)線(xiàn)圈即發(fā)射線(xiàn)圈與交流電源相連，當(dāng)通一交流電后，基于電磁感應(yīng)原理，發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間便會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，然后變化的磁場(chǎng)在接收線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)接收線(xiàn)圈連有負(fù)教時(shí)，負(fù)載便開(kāi)始工作，此時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線(xiàn)傳遞。1.

2、2電磁感應(yīng)式充電的基本原理及應(yīng)用基本原理：在初級(jí)線(xiàn)圈通入一定頻率的交流電源，通過(guò)電磁感應(yīng)原理將會(huì)在次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生一定的電流，從而實(shí)現(xiàn)了將能量從發(fā)射端傳遞到接收端。電磁感應(yīng)式充電的原理圖如下圖:L1電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)充電原理圖電磁感應(yīng)技術(shù)之無(wú)線(xiàn)電傳輸?shù)?章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的整體框圖及總體描述整個(gè)系統(tǒng)的具體框圖如圖2.1所示，整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要包括電源管理模塊、高頻振蕩電路模塊、高頻發(fā)射電路模塊、高頻接收電路模塊、整流轉(zhuǎn)換電路模塊和充電電路即負(fù)教模塊等。結(jié)構(gòu)框圖要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電能的傳輸，只有通過(guò)線(xiàn)圈才能將交流信號(hào)從發(fā)射單元傳遞到接收單元，而且理論證明，頻率越高，傳遞的能量和效率越高。因此，此處通過(guò)

3、使用高頻振蕩電路來(lái)產(chǎn)生所需要的高頻信號(hào)。但高頻振蕩電路產(chǎn)生的只是起信號(hào)作用，無(wú)線(xiàn)充電需要傳遞的是能量，所以還需要將信號(hào)放大即功率放大。高頻功率放大電路目的就是放大傳遞的功率，此處用的是功率管IRF540。通過(guò)IRF540的通斷來(lái)切換直流電源的通斷，由此加在發(fā)射線(xiàn)圈的便是有電源模塊產(chǎn)生的高頻信號(hào)，即能量來(lái)自電源，從而實(shí)現(xiàn)了高頻功率的放大。當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈獲得高頻交流信號(hào)后,發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間便會(huì)建立起一個(gè)變化的磁場(chǎng)，由電磁感應(yīng)原理則次級(jí)高頻接收線(xiàn)圈將產(chǎn)生同樣的高頻信號(hào)。次級(jí)線(xiàn)圈獲得的能量及電壓幅值由電源電壓，高頻振蕩頻率，發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈匝數(shù)，以及發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的距離相對(duì)位置共同來(lái)決定的

4、。次級(jí)獲得的交流信號(hào)是不能直接加到負(fù)載上的，要經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后才能接到負(fù)我上，整流橋必須有快恢復(fù)二極管組成，因?yàn)閭鬟f過(guò)來(lái)的是高頻信號(hào)，普通二極管由于其反向恢復(fù)時(shí)間過(guò)大而不能滿(mǎn)足要求，然后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓獲得穩(wěn)定的電壓輸出，后面接入負(fù)載，電路方可正常的工作。4 / 14電磁感應(yīng)技術(shù)之無(wú)線(xiàn)電傳輸2. 2高頻振蕩電路模塊1.1.1 振蕩器原理在正弦波振蕩電路中，要想能夠產(chǎn)生振蕩，通常需要兩個(gè)條件：一是要有正反饋，通過(guò)正反饋信號(hào)來(lái)取代輸入信號(hào)；二是要有外加的濾波器即選頻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)濾出自己所需要的振蕩頻率來(lái)。通常可以將正弦振蕩電路分解為圖3.2所示的方框圖。上面一個(gè)方框圖為放大電路，下面一個(gè)方框

5、為正反饋網(wǎng)絡(luò)，并且由圖可知反饋極性為正。當(dāng)輸入量X,為零時(shí)，凈輸入量就等于反饋量。工作時(shí)，由于電磁干擾（如合閘通電），電路將產(chǎn)生一個(gè)幅值很小的輸入量，這個(gè)輸入量一般會(huì)含有豐富的正弦信號(hào)。而輸入量會(huì)在選頻網(wǎng)絡(luò)的作用下只留下頻率為fo的正弦信號(hào)通過(guò)，其他信號(hào)則無(wú)法通過(guò)，那么輸出信號(hào)X。T=x,T（x；T）=x°TT雖然是正反饋，但輸出X。不會(huì)無(wú)限制增大的。當(dāng)輸出達(dá)到一定幅值時(shí)，由于晶體管本身的非線(xiàn)性特性，正弦波幅值將會(huì)變化的越來(lái)越小，直到達(dá)到某一特定幅值。因此，X。不會(huì)一直增大的，當(dāng)X。增大到某一數(shù)值時(shí)，電路便達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)輸出量通過(guò)正反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋量作為放大電路的輸入信號(hào)，而輸

6、入量又通過(guò)放大電路維持著輸出量，寫(xiě)成表達(dá)式為X。=AY,=4成。由上式可知正弦波振蕩的平衡條件為AF=將其寫(xiě)成模與相角的形式為AF=1且(pA+(pF=2n冗上面兩式分別為幅值平衡條件和相位平衡條件。為了保證使輸出量在合閘后產(chǎn)生一個(gè)幅值逐漸變大直至達(dá)到穩(wěn)定的正弦信號(hào)，電路的起振條件為|AF卜1振蕩系統(tǒng)會(huì)把除頻率/=人以外的其它輸出量都逐漸衰減為零，因此輸出量為/=人的正弦波。采用有源品振構(gòu)成高頻振蕩器，電路原理圖如下圖所示。在此處先介紹一下有源晶振與無(wú)源晶振區(qū)別。在電子學(xué)上，通常將有晶體管構(gòu)成的電路稱(chēng)為有源電路。而僅有阻容性原件電阻電容等器件組成的電路稱(chēng)為無(wú)源電路。識(shí)別有源晶振與無(wú)源晶振時(shí)，名

7、稱(chēng)上有源晶振稱(chēng)作。scillator而無(wú)源晶振通常稱(chēng)為crytal,拿到起器件后，可以很方便的區(qū)別出來(lái)，無(wú)源晶振通常只有兩個(gè)管腳，需要通過(guò)外接的振蕩電路才能夠產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自己是無(wú)法起振的。有源晶振一般有四個(gè)管腳，是一個(gè)完整的振蕩器。拿到有源晶振時(shí)，將器件的四個(gè)管腳朝下，上而有個(gè)黑點(diǎn)標(biāo)記的為1腳，按逆時(shí)針?lè)较蚩慈?分別為2、3、4管腳。有源晶振使用方法為：一腳懸空，二腳接地，三腳輸出，四腳接電源電壓。圖2.3有源晶振構(gòu)成的高頻振蕩器2.3 高頻功率放大電路模塊11 / 14高頻振蕩器僅僅是一個(gè)信號(hào)作用，能量極小。由于無(wú)線(xiàn)充電器重要的是要傳遞能量，所以需要將高頻功率進(jìn)行放大，高頻功率放大電路模塊

8、是將其轉(zhuǎn)換為具有大量能量的高頻信號(hào)。由于通過(guò)高頻功率放大電路模塊放大后的振蕩輸出是用于能量功率，而不是傳遞信號(hào)，因此對(duì)波形的要求并不是很高。所以，波形的失真并不重要，需要的是輸出信號(hào)要有足夠的振幅。采用功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)進(jìn)行放大。場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)”的英文縮寫(xiě)是MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor,譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。它一般有由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導(dǎo)體三種材料制成。所謂功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是指它能夠在較大的工作電流下(一般是指兒安培到幾十安培)正常工作，專(zhuān)門(mén)用于功率輸出的器件。功率場(chǎng)效

9、應(yīng)管優(yōu)點(diǎn)(1)功率場(chǎng)效應(yīng)管是壓控型電力電子器件，輸入阻抗高，因此所需要的驅(qū)動(dòng)功率很小，很容易被驅(qū)動(dòng)，而且驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。(2)場(chǎng)效應(yīng)管具有較寬的安全工作區(qū)因而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)和二次擊穿現(xiàn)象。它另一個(gè)特點(diǎn)是它同時(shí)具有正的溫度系數(shù)，因而可以并聯(lián)使用而不會(huì)出現(xiàn)電流分配不均的問(wèn)題，解決了實(shí)際應(yīng)用中的大電流問(wèn)題。(3)場(chǎng)效應(yīng)管是多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒(méi)有少數(shù)載流子具有的存儲(chǔ)效應(yīng)，因而與晶體管相比具有較高的開(kāi)關(guān)速率。(4)場(chǎng)效應(yīng)管具有相對(duì)較高的開(kāi)啟電壓，即所謂的閾值電壓，因此具有較高的噪聲容限和抗干擾能力，這給電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試帶來(lái)了很大的方便。l|IITH圖2.4由1RF540構(gòu)成的高頻功率放大電路經(jīng)測(cè)試能夠達(dá)到

10、所需要的效果，因此最終采用該方案作為高頻功率放大電路模塊。其中IRF540參數(shù)如下：漏極通態(tài)電阻：Rds<0.077。漏極擊穿電壓：UdssIOOV柵源電壓：Ugss+20V漏源最大電流：Idss22A門(mén)極開(kāi)啟電壓：UGS4Vdv/dt：9V/ns高頻振蕩的輸入幅值為5V,頻率為2MHz,電源電壓為15V,因此IRF540能夠滿(mǎn)足電路的設(shè)計(jì)要求。2.4 發(fā)射、接收能量電路模塊電能的無(wú)線(xiàn)傳輸是根據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)線(xiàn)充電器的工作原理就是利用的法拉笫電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有變化的電流通過(guò)初級(jí)線(xiàn)圈之后，便會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。而產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在次級(jí)線(xiàn)圈形成電壓，有了電壓之后便會(huì)產(chǎn)生電流，

11、有了電流便可以充電，通過(guò)初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈感應(yīng)產(chǎn)生電流，從而將能量從傳輸段轉(zhuǎn)移到接收端。簡(jiǎn)單地說(shuō)，無(wú)線(xiàn)充電器內(nèi)的發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈（相當(dāng)于實(shí)際應(yīng)用設(shè)備中的接收線(xiàn)圈）構(gòu)成了一個(gè)沒(méi)有鐵芯的變壓器，通過(guò)電磁感應(yīng)將供電段電源輸出的能量以無(wú)需電線(xiàn)的方式傳遞給負(fù)載設(shè)備。圖2.5發(fā)射線(xiàn)圈和接受線(xiàn)圈2.5 電源供電模塊為了給整個(gè)系統(tǒng)供電，就設(shè)計(jì)了電源供電電路。在整個(gè)系統(tǒng)中，電源供電電路有兩方面的作用，第一個(gè)作用是發(fā)射線(xiàn)圈耦合到次級(jí)線(xiàn)圈的能量來(lái)自于電源管理模塊，第二個(gè)作用是為2M的有源晶振提供電源。因?yàn)?，?jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，電源為發(fā)射線(xiàn)圈提供的電壓越高，則初級(jí)線(xiàn)圈耦合到次級(jí)線(xiàn)圈的能量越大，效率也相對(duì)提高了一部分。因此電源

12、的第一個(gè)作用要求電源電壓越大越好。但是由于2M晶振的電源電壓為5V,因此，電源的第二個(gè)作用決定了電源供電模塊還要有一路5V的電壓輸出。鑒于這兩方面的作用，同時(shí)考慮到成本和手頭現(xiàn)有的材料，決定設(shè)計(jì)的電源供電模塊如下圖所示，一路輸出電壓15V,另一路輸出為5V。線(xiàn)圈的供電電壓需要+15V的電源，可以用一片LM7815對(duì)變壓器的次級(jí)輸出進(jìn)行穩(wěn)壓得到。晶振部分需要的供電電壓為+5V的電源，可以用一片LM7805芯片穩(wěn)壓得到。為了減少集成塊的功耗，LM7805輸入直接來(lái)自于LM7815的輸出而不是變壓器的輸出。同時(shí)為了減少線(xiàn)圈的干擾，LM7805的輸出要加濾波電容。O圖2.6電源供電原理圖2.6 整流輸

13、出電路模塊無(wú)線(xiàn)充電器的接收模塊所接受的信號(hào)為高頻交流信號(hào)，因此需要通過(guò)一定的整流電路將其轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，然后供給負(fù)載使用。在普通的電源電路中，一般可以使用普通二極管來(lái)構(gòu)成整流橋，但在該電路中，整流二極管必須選用快恢復(fù)二極管，普通的二極管不能用。鑒于手頭的資料，此處選用1N4148來(lái)構(gòu)成整流橋。電路圖如下：圖2.7整流輸出電路原理圖第三章測(cè)試3.1電源模塊電源供電模塊首先通過(guò)一變壓器變壓將220V交流電降壓為18V的交流電，在通過(guò)二極管全橋整流電路整流并在整流橋的輸出端加上以電解電容濾波。整流出來(lái)的直流電再作為7815的輸入電壓。（經(jīng)查閱lm7815的資料可知其Vin范圍是17.5V<Vi

14、n<30V）經(jīng)過(guò)7815后出來(lái)的15V電壓再作為lm7805的輸入電壓（參閱lm7805的pdf資料可知Vin的輸入范圍是7.5V<Vin<20V）o圖3.1電源供電模塊3.2高頻振蕩器及功率放大模塊采用的有源品振頻率為2mhz,輸出波形如下圖:輸出信號(hào)加到irf540功率管上后功率管Vgs與Vds波形:電磁感應(yīng)技術(shù)之無(wú)線(xiàn)電傳輸分析波形可知當(dāng)高頻信號(hào)為2nl時(shí)，輸出的脈沖T為500ns,從波形來(lái)看，irf540的開(kāi)通時(shí)間Ton為100ns的樣子，關(guān)斷時(shí)間Toff時(shí)間為175ns樣子。(而經(jīng)查資料可知Td(on)為1620ns,Tr為65100ns,Td(off)為4770ns,Tf為2870ns)經(jīng)過(guò)將參數(shù)對(duì)比，可知此頻率時(shí)功率管irf540不能正常工作。為了使irf540能正常開(kāi)通關(guān)斷，要想辦法降低頻率因此在原來(lái)電路的基礎(chǔ)上加上了cd4520,CD4520為二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，將其作為一分頻器來(lái)使用?？梢詫?duì)高頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)2、4、8、16倍分頻，而且