非接觸式供電系統(tǒng)

武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群設(shè)計(jì)》報(bào)告書目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 -2-1實(shí)驗(yàn)任務(wù)及要求1.1實(shí)驗(yàn)任務(wù)D功放AC/DC耦合線圈耦合線圈振蕩器充電電路電源D功放AC/DC耦合線圈耦合線圈振蕩器充電電路電源圖1非接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.2實(shí)驗(yàn)要求用仿真軟件對電路進(jìn)行驗(yàn)證，使其滿足以下功能：1) 供電部分輸入36V以下的直流電壓，具有向多臺(tái)電器設(shè)備非接觸供電的功能。2) 在輸出功率≥1W的條件下，轉(zhuǎn)換效率≥15%3) 最大輸出功率≥5W。1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須包括仿真模型。2非接觸供電系統(tǒng)背景非接觸式供電系統(tǒng)CPS（Con-tacklessPowerSupport），是指能量通過無線傳輸，實(shí)現(xiàn)從能量源傳輸?shù)诫娯?fù)載的一個(gè)過程。這個(gè)過程不是傳統(tǒng)的用有線來完成，而是通過無線傳輸來實(shí)現(xiàn)。電線充斥在我們的生活當(dāng)中，錯(cuò)綜復(fù)雜的連接方式，給我們帶來很大的不便。長距離的輸電線路需要大量的空間和金屬?？茖W(xué)家們在尋求一種解決方法，可否利用電磁感應(yīng)原理，通過非接觸式的能量傳輸以達(dá)到供電的目的呢？早在了19世紀(jì)30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)，磁場變化后將在電線周圍產(chǎn)生電流，這就為非接觸式傳輸電能提供了理論可能。1913年，既是航海家又是網(wǎng)球選手的法國人羅蘭-加洛斯就提出能否從地面為空中飛行器提供動(dòng)力。2007年美國麻省理工學(xué)院的研究人員在無線傳輸電力方面取得了新進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔地”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。2008年在Intern公司技術(shù)峰會(huì)上，研究人員聲稱此項(xiàng)技術(shù)可以運(yùn)用到筆記本電腦上，借此擺脫了電線的束縛。如果這項(xiàng)技術(shù)得以應(yīng)用，我們的生活將會(huì)發(fā)生巨大的變化：我們不再需要電線、插座，手機(jī)充電比打開藍(lán)牙還要簡單，只要你處于一定得區(qū)域內(nèi)，手機(jī)就一直可以被充電；同樣筆記本電腦也不用擔(dān)心電池沒電了。甚至，可能沒有電網(wǎng)這個(gè)概念，我們不需要電線了。這極大的鼓舞著人們?nèi)ミM(jìn)行研究無線傳輸能量的具體方法。3無線傳輸原理根據(jù)電能傳輸原理，可將WPT技術(shù)分為三種：射頻或微波WPT、電磁感應(yīng)式WPT、電磁共振式WPT，下面分別予以介紹。3.1微波無線能量傳輸所謂微波WPT，就是以微波(頻率在300MHz-300GHz之間的電磁波)為載體在自由空間無線傳輸電磁能量的技術(shù)。利用微波源將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?，由天線發(fā)射，經(jīng)長距離的傳播后再由天線接收，最后經(jīng)微波整流器等重新轉(zhuǎn)換為電能使用。微波頻率傳輸所具備的“定向、可穿透電離層”等特性，使得該能量傳送方式早在20世紀(jì)60年代初期就受到人們的關(guān)注，并在遠(yuǎn)程甚至超距能量傳輸場合有著重要的應(yīng)用價(jià)值。微波WPT主要用于如微波飛機(jī)、衛(wèi)星太陽能電站等遠(yuǎn)距輸電場合，其中衛(wèi)星太陽能電站作為人類應(yīng)對能源危機(jī)的有效策略已成為美國、日本等國大力發(fā)展的重要航天項(xiàng)目。目前，限制微波WPT技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸在于高效微波整流器件、大功率微波天線以及大功率微波電磁場的生物安全性和生態(tài)環(huán)境的影響問題。然而，由于工作頻率高、系統(tǒng)效率較低，微波WPT并不適合于能量傳輸距離較短的應(yīng)用場合。3.2電磁感應(yīng)式無線傳輸電磁感應(yīng)式WPT是基于電磁感應(yīng)原理，利用原、副邊分離的變壓器，在較近距離條件下進(jìn)行無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)。目前較成熟的無線供電方式均采用該技術(shù)，典型的應(yīng)用包括新西蘭國家地?zé)峁珗@的30kW旅客電動(dòng)運(yùn)輸車、Splashpower公司的無線充電器等?？梢钥闯?，無論是小功率的消費(fèi)類電子產(chǎn)品還是大功率EV無線供電系統(tǒng)，電磁感應(yīng)式WPT技術(shù)都可有效實(shí)現(xiàn)無線供電。然而，電磁感應(yīng)式WPT仍存在一系列問題：傳輸距離較短，距離增大時(shí)效率急劇下降；傳輸效率對非接觸變壓器的原、副邊的錯(cuò)位非常敏感等等。3.3電磁共振式無線能量傳輸電磁共振式WPT，是美國MITSoljai領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在2007年提出的突破性技術(shù)。他們使用兩個(gè)固有諧振頻率相等的銅線圈(為方便表述，稱其為“變壓器”)，在共振激勵(lì)條件下(即激勵(lì)頻率等于線圈的固有諧振頻率)，距離2m處，成功點(diǎn)亮了一個(gè)60W的燈泡，其中變壓器的效率達(dá)到了40%。壓器繞組間錯(cuò)位的敏感度減小，長野日本無線公司給出了原、副邊繞組相互垂直的實(shí)驗(yàn)圖片；此外，利用共振模式對激勵(lì)頻率要求的嚴(yán)格性，可通過合理設(shè)置激勵(lì)頻率，向指定電器供電，提高安全性。然而，目前該方向的研究要么過于理論化，要么為實(shí)驗(yàn)研究，缺乏對應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)有定量指導(dǎo)意義的研究成果，但毋庸置疑，電磁共振式WPT因?yàn)槟芰康母咝я詈蠈⒊蔀閃PT技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。綜上所述，與非接觸感應(yīng)式充電技術(shù)相比，磁耦合諧振式無線能量傳輸?shù)膫鬏斁嚯x更有優(yōu)勢；與電磁波形式的無線能量傳輸技術(shù)相比，磁耦合諧振式無線能量傳輸具有無敏感的方向性、無輻射等優(yōu)點(diǎn)。4磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)4.1能量傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成能量傳輸系統(tǒng)包括電源端與負(fù)載端兩部分。電源端包含導(dǎo)線繞制并與電容并聯(lián)的線圈(源線圈)，以及為線圈提供電能的高頻電源；相隔一段距離的接收端包含另一個(gè)導(dǎo)線繞制并與電容并聯(lián)的線圈(接收線圈)，以及消耗線圈電磁能的負(fù)載。4.2耦合諧振系統(tǒng)導(dǎo)線繞制的線圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時(shí)變磁場；與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場，所感應(yīng)的磁場能同樣在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，同時(shí)兩個(gè)諧振體之間不斷地有磁場能交換，因此產(chǎn)生以兩個(gè)線圈為中心以空氣為媒質(zhì)的時(shí)變磁場。兩諧振體內(nèi)電場能與磁場能振蕩交換的同時(shí)諧振體之間也存在著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。4.3能量傳輸過程及其遵循的準(zhǔn)則與方程源線圈通正弦電流，線圈電感周圍產(chǎn)生時(shí)變磁場，同時(shí)向電容充電；接收線圈感應(yīng)磁場，線圈電感產(chǎn)生電動(dòng)勢，同時(shí)向其電容充電。當(dāng)正弦電流的頻率與線圈的諧振頻率相等時(shí)，源線圈電流方向改變的同時(shí)，交變磁場方向改變，接收線圈感生電動(dòng)勢，接收線圈的電容放電。正弦電流的方向周期性變化，接收線圈的電流被逐漸放大，直到接收線圈的電磁能達(dá)到最大。若系統(tǒng)沒有負(fù)載(包括線圈的寄生電阻)消耗能量，源線圈與接收線圈兩側(cè)所包含的能量交替達(dá)到最大值(各時(shí)刻兩線圈包含的能量之和)。若各部系統(tǒng)有負(fù)載消耗能量，源線圈將源源不斷的向負(fù)載線圈傳遞能量，實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸。根據(jù)全電流定律，源線圈周圍產(chǎn)生磁場應(yīng)遵循方程：公式2-1式中J1——源線圈的傳導(dǎo)電流密度；Dt/dt——源線圈的位移電流密度；H1——源線圈周圍產(chǎn)生磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，接收線圈感生電動(dòng)勢應(yīng)遵循方程：公式2-2式中E2——接收線圈感應(yīng)電場強(qiáng)度；B12——源線圈與接收線圈鉸鏈的磁場；μ0——真空磁導(dǎo)率。J2=γE公式2-3公式2-3表示接收線圈中，電場E與電流密度J的關(guān)系。若沒有負(fù)載消耗能量，應(yīng)用矢量磁位計(jì)算源線圈與負(fù)載線圈鉸鏈的電磁能為：W2=∫A12?J2dV公式2-4式中W2——源線圈與接收線圈振蕩交替的磁場能/電場能；A12——源線圈在接收線圈位置產(chǎn)生的矢量磁位。由式2-4得到源線圈與接收線圈之間交替的無功功率為：Q2=dW2/dt=(∫A12?J2dV)/dt=d(i2?Ψ12)/dt公式2-5式中Q2——接收線圈包含的無功功率；Ψ12——源線圈與接收線圈的耦合磁鏈。磁場為單一頻率激勵(lì)源時(shí)，功率表達(dá)式2-5簡化為集中參數(shù)形式：Q=j??M?公式2-6式中ω1——源線圈激勵(lì)的磁場變化角頻率；i1,2——分別為源、接收線圈的電流；線圈的磁場作用可看作是兩線圈之間的互感抗。構(gòu)成耦合諧振系統(tǒng)的分參數(shù)包括：線圈自感、互感、諧振電容、線圈電阻，以及消耗電能的負(fù)載電阻。5非接觸供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)無線供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路五部分組成。非接觸供電系統(tǒng)框架如下圖1所示，最后給可充電電池充電。從無線電路傳輸?shù)脑砩峡?，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。圖2非接觸供電系統(tǒng)框圖非接觸供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路5部分組成，最后給可充電電池充電。從無線電路傳輸?shù)脑砩峡?，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。5.1高頻振蕩電路設(shè)計(jì)5.1.1設(shè)計(jì)方案振蕩電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。振蕩電路有以下兩個(gè)個(gè)過程：充電過程：電場能在增加，磁場能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場能在向電場能轉(zhuǎn)化。放電過程：電場能在減少，磁場能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場能在向磁場能轉(zhuǎn)化。在正弦波振蕩器中，主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。RC振蕩電路由于工作頻率較低，頻率穩(wěn)定度不高，故不予考慮。下面著重比較LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路兩種方案。方案一：采用LC諧振回路產(chǎn)生所需的頻率。優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生任意所需載波，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度比較低，如圖3所示。方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上電源就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，頻率穩(wěn)定。缺點(diǎn)就是不能產(chǎn)生任意頻率的載波，如圖4所示。圖3LC諧振振蕩回路圖4有源晶振振蕩電路方案論證：本設(shè)計(jì)對頻率沒有具體要求，而且無需產(chǎn)生多個(gè)頻率，所以采用方案二。而且具有電路簡單，頻率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。5.1.2晶振電路的工作原理晶振是晶體振蕩器的簡稱。它用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振在數(shù)字電路的基本作用是提供一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻。數(shù)字電路的工作是根據(jù)電路設(shè)計(jì)，在某個(gè)時(shí)刻專門完成特定的任務(wù)，如果沒有一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，整個(gè)數(shù)字電路就會(huì)成為“聾子”，不知道什么時(shí)刻該做什么事情了。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無源晶振兩個(gè)大類。5.2功率放大器設(shè)計(jì)利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過的電流會(huì)等于基極電流的β倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流放大，就完成了功率放大。5.2.1功率放大器原理高頻功率放大器用于發(fā)射級的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收級可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對諧波抑制度要求較高，而對帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。為了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙類、丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域。5.2.2功率放大器分類功率放大器可分為A類放大器、B類放大器、AB類放大器、D類放大器及T類放大器等五大類。A類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近，晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。由于效率比較低現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。B類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波(如圖虛線部分所示)，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是"交越失真"較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V~0.6V之間時(shí)，Q1Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。AB類放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。D類放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)：1．具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。2．體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。3．無裂噪聲接通。4．低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，效率和D類功率放大器相當(dāng)。它和普通D類功率放大器不同的是：1、它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，2、它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上,3、T類功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。5.2.3設(shè)計(jì)方案方案一，采用集成芯片?，F(xiàn)有許多高頻大功率的集成放大器(如AD815)可以用來設(shè)計(jì)高頻功放。集成功放具有穩(wěn)定度高，需要調(diào)整的參數(shù)少的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是效率較低（集成功放一般采用線性放大），不滿足系統(tǒng)對功耗及傳輸距離的要求。方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高頻電路受分布參數(shù)影響大，而且不易調(diào)整，但其電路結(jié)構(gòu)比較靈活，對應(yīng)于不同要求的信號(hào)，可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的放大器以獲得最大的效率，而且輸出功率可以設(shè)計(jì)的較大，價(jià)格也相對低廉。采用功放管，前級的緩沖級，一是控制能量發(fā)射模塊的增益，二是給提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率。方案論證：本題目要求不能采用專用芯片和模塊。能量發(fā)射模塊功率上限為5W，需要較大功率的功放管，故選用方案二。5.2.4功率放大器電路圖圖5采用分立元件的功率放大器5.3AC/DC電路方案AC/DC（AlternatingCurrent/DirectCurrent）其作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流。半波整流電路最為簡單，但是性能較全波整流和橋式整流不好。橋式整流電路與全波整流電路相比，前者電源變壓器五中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡單，且伏安容量小。由此可大致得到以下三種濾波整流電路方案。方案一：采用半波整流濾波電路。半波整流電路是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器B、整流二極管D和負(fù)載電阻RL，組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。如圖6所示。方案二：采用全波整流電路。全波整流電路，可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級線圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線圈分成兩個(gè)對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓e2a、e2b，構(gòu)成e2a、D1、RL與e2b、D2、RL，兩個(gè)通電回路。如圖7所示。圖6半波整流濾波電路圖7全波整流濾波電路方案三：橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。如圖6所示。橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時(shí)，對D1、D3和方向電壓，D1，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、D1、RL、D3通電回路，在RL，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在RL上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。圖8橋式整流電路方案論證：半波整流電路最為簡單，但是性能較全波整流和橋式整流不好。橋式整流電路與全波整流電路相比，前者電源變壓器五中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡單，且伏安容量小。綜此比較，整流電路選擇橋式整流電路。5.4耦合線圈磁耦合諧振式無線能量傳輸是以時(shí)變磁場為媒介，當(dāng)外加激勵(lì)源的頻率與系統(tǒng)的諧振頻率相等時(shí)，諧振體耦合諧振實(shí)現(xiàn)能量傳遞達(dá)到最好狀態(tài)。因此，兩諧振體諧振頻率相同，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合諧振的前提。耦合模理論，不計(jì)損耗情況下，具有相同諧振頻率的諧振體之間可實(shí)現(xiàn)能量的完全交換；當(dāng)κ>>τ時(shí)，即耦合能力遠(yuǎn)大于自身損耗的情況下，具有相同諧振頻率的諧振體之間“強(qiáng)耦合”作用，可實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸。耦合系數(shù)體現(xiàn)了諧振體之間的耦合能力，對實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸起到至關(guān)重要的作用。損耗系數(shù)在能量傳輸系統(tǒng)中的作用絲毫不遜于耦合系數(shù)，二者共同決定了系統(tǒng)的耦合程度。系統(tǒng)中損耗功率增加，則通過磁場從一端耦合到另一端的功率所占比重減小，因此，損耗系數(shù)的減小與耦合系數(shù)的增加均可以增大系統(tǒng)的耦合程度。5.4.1線圈電感從幾何形狀看，線圈的種類繁多，如圓形線圈、方形線圈、環(huán)形線圈等。相對于其他幾何形狀的線圈，圓柱線圈具有的最大優(yōu)勢在于：每單位體積繞線所產(chǎn)生的磁場最大。對于采用密繞的圓柱單層螺旋線圈，導(dǎo)線采用電導(dǎo)率較大的銅芯漆包線，以減小線圈自身電阻。根據(jù)傳輸距離、功率的不同要求，采用不同尺寸的線圈。5.4.2線圈互感磁耦合諧振式無線能量傳輸是多方位的能量傳輸，諧振體(諧振線圈)之間沒有嚴(yán)格的方向?qū)?yīng)關(guān)系，又線圈互感與線圈的尺寸、方位有關(guān)。同軸平行的線圈之間的互感圖9中線圈模型的互感計(jì)算：式中N1,2——分別為線圈1,2的匝數(shù)；r1,2——分別為線圈1,2的半徑；d——兩線圈兩軸線中心距離。圖9同軸平行的線圈模型5.4.3傳輸系統(tǒng)的最佳頻率范圍兩個(gè)諧振線圈的尺寸完全相同，諧振電容相等，且諧振線圈在同軸線上“強(qiáng)耦合”關(guān)系式：式中μ0——真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7；σ——取銅導(dǎo)線的電導(dǎo)率σ銅=5.998×107S/m。中距離的無線能量傳輸，線圈半徑r與傳輸距離d是同一數(shù)量級的，線圈導(dǎo)線線徑D為是10-3m數(shù)量級。因此，若要“強(qiáng)耦合”(κ>>τ)關(guān)系式成立，則系統(tǒng)的諧振頻率f至少為106Hz上下。另一方面，磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)是以時(shí)變磁場為傳輸媒介，不向外輻射電磁能，所以電磁波長遠(yuǎn)大于傳輸距離(λ>>d)。中距離無線能量傳輸?shù)木嚯x傳輸范圍大體為幾十厘米到幾米，因此能量傳輸系統(tǒng)典型頻率f范圍為0.5~25MHz最好。5.5電路總圖及單元電路無線供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路五部分組成。非接觸供電系統(tǒng)框架如下圖10和圖11所示，最后給可充電電池充電。從無線電路傳輸?shù)脑砩峡?，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。圖10非接觸供電系統(tǒng)電路原理總圖11直流電源設(shè)計(jì)6方案實(shí)現(xiàn)與測試6.1直流電源圖12直流電源波形圖如圖12所示，下面的正弦波為輸入的電流波形，上面的直線為輸出的直流電流。6.2高頻晶振振蕩電路圖13晶振震蕩波形圖由示波器可看出，振蕩器輸出頻率為2.14MHz左右的方波信號(hào)。滿足要求。6.3高頻功率放大器圖14功率放大器波形圖由示波器可看出輸入信號(hào)幅度為5.000V,輸出信號(hào)幅度為7.564V，功率放大器設(shè)計(jì)符合要求。6.4橋式整流電路圖15次級電路、整流電路波形圖6.5實(shí)現(xiàn)非接觸式供電圖16供電電路仿真圖電路中，電能經(jīng)功率放大器放大，由變壓器傳送，經(jīng)整流電路進(jìn)行整流，最終到達(dá)發(fā)光二級管，Vo=2.176V>0.7V,使二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)非接觸式供電.6.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及說明1.供電部分輸入12v的直流電壓，實(shí)現(xiàn)讓兩個(gè)接收部分的發(fā)光二極管發(fā)光，說明具有向多臺(tái)電器設(shè)備非接觸供電的功能，符合預(yù)期目標(biāo)2.如圖16所示，初級：P1=7.289*2.048=14.927w次級：P2=5.153*2.89=14.89w>1w輸出功率：p3=2.89*2.177=6.30w 轉(zhuǎn)換效率：P1/P3=6.30/14.927=42.21%>15%上述數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求。圖17輸入與輸出電壓和電流3.輸出功率最大可達(dá)到Po=2.893*2.177=6.300w>5w，符合設(shè)計(jì)要求圖18最大輸出功率六總結(jié)與體會(huì)本文通過對實(shí)際電路的分析，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，并利用其它電路作為輔助，提出了一種制作非接觸供電系統(tǒng)的有效方法。本次課程設(shè)計(jì)不但對《通信原理》、《微機(jī)原理》、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《電磁場與電磁波》等學(xué)科基礎(chǔ)課的課堂理論知識(shí)做了進(jìn)一步鞏固，而且在此次設(shè)計(jì)鍛煉對學(xué)科基礎(chǔ)課的綜合運(yùn)用能力。我們也遇到了不少的困難和問題，但在同伴們的共同努力下，辛苦的去專研去學(xué)習(xí)，最終都克服了這些困難，使問題得到了解決。其中遇到的問題很多都是在書上不能找到的，所以我們必須自己查找相關(guān)資料，利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)比較辛苦和漫長的過程，你必須從無數(shù)的信息中分離出對你有用的，然后加以整理，最后才學(xué)習(xí)到變?yōu)樽约旱牟⒂玫皆O(shè)計(jì)中的問題去。也正是在這個(gè)查找與整理的過程中，使我們初步學(xué)會(huì)了如何去找到于自己有用的資源。因?yàn)樵谛畔⒏叨劝l(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)，一個(gè)人要想獲得成功，除了自己的努力外，還必須學(xué)會(huì)利用更多其他人的知識(shí)，這樣我們才能快速的掌握知識(shí)和能力。當(dāng)然這個(gè)過程是一個(gè)積累的過程，當(dāng)你做的多了以后你就會(huì)積累相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，會(huì)注意在設(shè)計(jì)的過程中要注意那些問題，那些方法可以使設(shè)計(jì)一次完成而不用再不斷的返工。不像我們剛開始的時(shí)候什么都不知道，真的就是憑著自己上課的一點(diǎn)知識(shí)來做的