電子設(shè)計大賽實(shí)驗(yàn)報告

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h2014年省大學(xué)生電子設(shè)計競賽實(shí)驗(yàn)報告無線電能傳輸裝置〔F題〕2014年8月15日摘要：本設(shè)計基于磁耦合式諧振蕩電路來進(jìn)展無線電能傳輸，點(diǎn)亮LED燈。由于輸入和輸出都是直流電的形式，因此本系統(tǒng)將分為以下四個局部：第一局部為驅(qū)動電路〔DC-AC〕，為使直流分量轉(zhuǎn)化成交流電并通過耦合線圈將電能傳輸給負(fù)載，采用LC諧振的方式讓回路中電容和電感構(gòu)成一個二階LC諧振電路，驅(qū)動MOS管形成交流電。第二局部為發(fā)射電路〔AC-AC〕，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流并輸給承受電路。第三局部為電能轉(zhuǎn)換電路〔AC-DC〕，輸出的感應(yīng)交流電經(jīng)整流橋橋式整流后流入升壓電路。第四局部為升壓電路〔DC-DC〕，對整流之后的直流進(jìn)展升壓，防止整流后的電壓無法驅(qū)動LED。本設(shè)計分模塊搭建并對各個局部電路進(jìn)展原理分析。在調(diào)試時，采用分模塊調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果修改參數(shù)，最終形成一個完整的穩(wěn)定系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：磁耦合式諧振蕩電路LC振蕩電路橋式整流DC-DC升壓[Abstract]Thedesignisbasedonmagneticresonanceoscillationcircuitcoupledtothewirelesspowertransmission,litLEDlights.Sincetheinputandoutputareintheformofdirectcurrent,sothesystemwillbedividedintothefollowingfourparts:Thefirstpartofthedrivecircuit(DC-AC),isconvertedintoalternatingcurrentsothattheDCponentandthepowertransmissionthroughthecouplingcoiltotheload,usingLCresonantcircuitinamannersothatthecapacitanceandinductanceformasecondorderLCresonantcircuit,theACdriveMOStubeformation.Thesecondpartisthetransmittercircuit(AC-AC),applicationoftheprincipleofelectromagneticinduction,inducedcurrentinthesecondarycoilandlosttoacceptcircuit.Thethirdpartisthepowerconvertercircuit(AC-DC),alternatingcurrentoutputinducedbytheflowintotheboostercircuitbridgerectifierbridgerectifier.Thefourthpartistheboostcircuit(DC-DC),DCrectifiedafterboostingpreventrectifiedvoltagecannotdriveLED.Thedesignofthevariouspartsofsub-modulestructuresandprinciplesofcircuitanalysis.Whendebugging,usingsub-modulesdebug,modifyparametersbaseddebuggingresults,eventuallyformingapletestabilizationsystem.[Keywords]MagneticallycoupledharmonicoscillatorcircuitLCoscillatorcircuitbridgerectifierDC-DCboost目錄MACROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h2014年省大學(xué)生電子設(shè)計競賽實(shí)驗(yàn)報告1無線電能傳輸裝置〔F題〕1摘要：本設(shè)計基于1關(guān)鍵詞：1磁耦合式諧振蕩電路LC振蕩電路橋式整流DC-DC升壓11系統(tǒng)方案21.1發(fā)射驅(qū)動電路方案的論證及分析21.2接收電路方案的論證及分析：21.3輸出電路方案的論證和選擇：22系統(tǒng)理論分析與計算22.1電路設(shè)計分析及原理2發(fā)射驅(qū)動電路的設(shè)計分析2接收電路的分析22.1.3輸出電路的分析22.2發(fā)射驅(qū)動回路器件的選擇及參數(shù)計算22.3接收電路回路器件的選擇及參數(shù)計算22.4發(fā)射與接收線圈的選擇及參數(shù)計算23電路與程序設(shè)計23.1電路的設(shè)計2系統(tǒng)總體框圖2發(fā)射驅(qū)動電路字系統(tǒng)框圖與電路原理圖2接收電路系統(tǒng)框圖與電路原理圖2發(fā)射電路原理24測試方案與測試結(jié)果24.1測試方案24.2測試條件與儀器24.3測試過程及分析2測試數(shù)據(jù)2測試結(jié)論2附錄：2發(fā)射局部：2接收局部：2輸出局部：21系統(tǒng)方案題目分析：圖1電能無線傳輸裝置構(gòu)造框圖題目給出的電路功能構(gòu)造框圖如圖1所示，輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流I1≤1A，驅(qū)動電路將流入的直流逆變成交流。交流通過發(fā)射線圈，經(jīng)無線傳輸后在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。經(jīng)過電能變換后，整流后的直流給1W的LED供電，其中輸出直流電壓U2≥8V，輸出直流電流I2=0.5A。系統(tǒng)的輸入輸出皆為直流，但因?yàn)椴坑袩o線傳輸模塊，而無線電能傳輸是基于電磁感應(yīng)原理，即為廣義的AC-AC轉(zhuǎn)換器。所以驅(qū)動電路中必有DC-AC轉(zhuǎn)換器，電能變換電路中必有AC-DC轉(zhuǎn)換器。三個轉(zhuǎn)換器是本設(shè)計的核心。但是考慮到線圈的耦合系數(shù)和電路部的損耗，初始直流輸入15V產(chǎn)生的功率可能不夠，所以得進(jìn)展升壓變換，參加第四個轉(zhuǎn)換器——DC-DC。除此之外，題目還給了兩個最優(yōu)目標(biāo)：在達(dá)成要求的根底上，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率η；在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離*。因此，綜合考慮，我們的方案如下。1.1發(fā)射驅(qū)動電路方案的論證及分析驅(qū)動電路的目的是將直流逆變成交流從而驅(qū)動發(fā)射電路，以下就逆變方式對方案進(jìn)展分析。方案一：選用RC振蕩，采用TI公司生產(chǎn)的NE555芯片構(gòu)成振蕩頻率約為510KHz的信號發(fā)生器，為功放電路提供鼓勵信號，諧振蕩放大器由LC并聯(lián)諧振回路和開關(guān)管IRF840構(gòu)成，將一可調(diào)電容器與固定電容相并聯(lián)來調(diào)節(jié)諧振頻率。我們對此方案進(jìn)展了嘗試制作，發(fā)現(xiàn)該電路回路復(fù)雜，功率較大，效應(yīng)管很容易發(fā)熱且易燒壞，且對振蕩線圈要求較高。方案二：我們設(shè)置了兩個MOS場效應(yīng)管來進(jìn)展電路驅(qū)動。選用繼電器來進(jìn)展啟動，能起到很好的保護(hù)作用。我們在面包板上預(yù)留一些可以直接插獨(dú)石電容的卡槽，一方面與發(fā)射線圈〔電感〕形成LC振蕩電路，另一方面方便我們調(diào)頻，分析在何種情況下傳輸效率最高。綜上：比照兩者，方案二功耗小而且電路簡單，利于我們進(jìn)展制作。1.2接收電路方案的論證及分析：接收電流需要經(jīng)過整流、濾波，現(xiàn)對這局部進(jìn)展分析論證。方案一：由于整流電路構(gòu)造比擬簡單，所以我們可以采用二極管和電容建出模擬的全波整流橋。方案二：采用集成整流橋，配合鋁電解電容進(jìn)展濾波。該方案有比擬成熟的芯片技術(shù)作為根底。因此，我們最終選擇了方案二。1.3輸出電路方案的論證和選擇：輸出電路局部比擬簡單，我們只需用開關(guān)控制點(diǎn)亮兩只1W的LED燈泡即可。另外，經(jīng)過變換得到的電壓可能無法滿足題干要求，因此我們設(shè)計了備用的升壓電路。方案一：選用*L6009芯片進(jìn)展升壓。圖2*L6009芯片升壓模塊方案一中升壓后輸出電壓圍為5V~30V，工作電壓為5V~32V，且外圍簡單,系統(tǒng)設(shè)計方便靈活。方案二：選用LM2577-ADJ芯片進(jìn)展升壓。方案二的輸入電壓圍為3.5V-40V，能按照進(jìn)展電壓放大，將R1換成滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的大小我們能調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，從而控制輸出電壓大小?？紤]到傳輸過程中的損耗和影響耦合系數(shù)的因子過多且無法防止，應(yīng)留有25%的控制余量，所以選用方案二。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1電路設(shè)計分析及原理基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸，實(shí)際上是將磁場作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，通過共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道，從而有效地傳輸能量。共振系統(tǒng)又多個具有一樣本征頻率的物體構(gòu)成，能量只在系統(tǒng)中的物體間傳遞，與系統(tǒng)之外的物體根本沒有能量交換，在到達(dá)共振時，物體振動的幅度到達(dá)最大?；诖艌鲋C振耦合的無線電力傳輸理論的根底是耦合模型理論〔CMT〕。在耦合模型理論中，對于由兩個物體1和2構(gòu)成的共振系統(tǒng)，設(shè)兩個物體的場幅值分別為、，在無鼓勵源的情況時，對一個存在損耗的系統(tǒng)，系統(tǒng)滿足方程〔1〕、〔2〕式中ω1、ω2是各自固有頻率，、是固有損耗率，取決于物體的固有〔吸收、輻射等〕的損失，k是耦合系數(shù)。用矩陣形式表示即為：對于共振系統(tǒng)，具有一樣的共振頻率，可以認(rèn)為ω1=ω2=ω0,==,于是可求解得到B的特征值，即系統(tǒng)的固有頻率可見，由于耦合的關(guān)系使系統(tǒng)的固有頻率分開，之間的差異為2k。假設(shè)t=0時，值，且=0，代入，為簡化計算，當(dāng)k>>時?？梢院雎該p耗，求得在物體1、物體2中所含能量表達(dá)式為可見，兩物體能量的交換最小損失發(fā)生在t=/2k這一時刻。耦合系數(shù)k表達(dá)了系統(tǒng)的兩物體之間傳遞能量的速率，當(dāng)k>>時，在t=/2k這一時刻，除了比擬小的損耗外，能量比擬理想地由物體1完全傳遞到物體2. 發(fā)射驅(qū)動電路的設(shè)計分析發(fā)射驅(qū)動電路如下圖：在電路中我們連入了一個發(fā)光二極管，用來檢測電路是否通路，同時也是一個啟動標(biāo)志。我們采用雙MOS管的組合進(jìn)展驅(qū)動，形成自激振蕩。產(chǎn)生自激振蕩必須同時滿足兩個條件：1、幅度平衡條件|AF|=12、相位平衡條件φA+φF=2nπ〔n=0,1,2,3···〕其中，A指根本放大電路的增益〔開環(huán)增益〕，F(xiàn)指反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)系數(shù)同時起振必須滿足|AF|略大于1。如果振蕩電路滿足起振條件，在接通直流電源后，它的輸出信號將隨時間的推移逐漸增大。當(dāng)輸出信號幅值到達(dá)一定程度后，放大環(huán)節(jié)的非線性器件接近甚至進(jìn)入飽和或截止區(qū)，這時放大電路的增益A將會逐漸下降，直到滿足幅度平衡條件AF=1，輸出信號將不會再增大，從而形成等幅振蕩。這就是利用放大電路中的非線性器件穩(wěn)幅的原理。由于放大電路進(jìn)入非線性區(qū)后，信號幅度才能穩(wěn)定，所以輸出信號必然會產(chǎn)生非線性失真(削波)。為了改善輸出信號的非線性失真，我們在放大電路中設(shè)置非線性負(fù)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際電路中我們參加了兩只二極管，使放大電路未進(jìn)入非線性區(qū)時，電路滿足幅度平衡條件(AF=1)，維持等幅振蕩輸出。另外，我們并入了6只獨(dú)石電容，與線圈形成LC振蕩回路。至此，發(fā)射驅(qū)動局部告一段落。接收電路的分析接收電路如下圖：接收電路包含兩局部，第一局部為為LC振蕩電路局部，用于接收電流。第二局部為橋式整流電路與電容濾波電路。首先我要將交流電化成直流電，這里我們采用橋式整流。橋式整流與半波整流的相比，輸出電壓的脈動小很多。因?yàn)槲覀儗χ绷鞯囊蟛皇呛芨撸栽谡骱笪覀冎恍杓由弦粋€電容進(jìn)展濾波，以減少整流后直流電中的脈動成分。2.1.3輸出電路的分析圖為升壓電路局部LM2577-ADJ開關(guān)電源芯片被整體整合在集成電路中，為反激變換開關(guān)調(diào)節(jié)器和前鋒轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)節(jié)器提供電源并且控制這兩個調(diào)節(jié)器。LM2577-ADJ需要最少的外部器件，那些調(diào)節(jié)器有非常高的效率而且易于使用，被列在數(shù)據(jù)表上的是根底電感和反激變換開關(guān)調(diào)節(jié)器一起的被設(shè)計用來和那些轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器相互工作。在芯片中有一個3.0ANPN開關(guān)及其有關(guān)保護(hù)電路，組成的電流和熱限制，鎖定和饋線線路(設(shè)備)。其他特點(diǎn)包括52千赫的振動，不需要外部的頻振元件,一個in-rush電流減少時的軟啟動方式，啟動電流模式控制,有效阻止輸入電壓和輸出負(fù)載電涌。特性：1.需要很少的外部組件。2.NPN輸出轉(zhuǎn)換3.0A，能避開65V電壓。3.輸入電壓圍寬度：3.5V-40V搜索。4.為改善瞬態(tài)電流型操作而響應(yīng)、線、電流限制條例5.52千赫部振蕩器.6.Soft-start功能,減少in-rush起動電流.7.輸出電流限制開關(guān)保護(hù)、低、停工、熱關(guān)機(jī).2.2發(fā)射驅(qū)動回路器件的選擇及參數(shù)計算驅(qū)動電路局部核心為MOS場效應(yīng)管，按照題目要求，輸入電壓為15V電流為1A，因此我們選用型號為IRFZ44N的MOS管，該MOS管55V49A94W0.0175歐姆，完全符合電路的參數(shù)要求。為了配置自激振蕩電路，我們最后選擇了47mH的磁環(huán)電感。實(shí)際電路中R1、R2為10W100歐的繞線電阻，因?yàn)槔@線電阻可以過大電流該局部我們一共插了8個電容，選擇了47nF,100nF的電容來使調(diào)諧電容可調(diào)，配合發(fā)射線圈調(diào)整發(fā)射頻率。2.3接收電路回路器件的選擇及參數(shù)計算接收電路局部核心為橋式整流電路，因?yàn)橐蟮妮敵鲭妷罕仨毚笥诘扔? V、直流0.5A，因此選擇適宜反向耐壓的整流二極管是關(guān)鍵，經(jīng)過資料查閱，我們最終選擇了1N5819肖特基整流二極管，其主要參數(shù)為反向耐壓40V，額定正向電流1A，完全符合整流要求。對于濾波局部，我們選用耐壓值500V100pF的獨(dú)石電容。2.4發(fā)射與接收線圈的選擇及參數(shù)計算按照報告2.1為使系統(tǒng)工作效率最大化，發(fā)射與接收局部工作頻率必須盡可能的吻合，。首先必須保證發(fā)射、接收線圈電感大小一致，于是我們選用1.2mm的漆包線，按照題目要求繞成外徑為20cm的圓環(huán)，匝數(shù)保證嚴(yán)格的各15匝，最后用數(shù)字電表測得該線圈電感大小L為110uH.3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計系統(tǒng)總體框圖發(fā)射驅(qū)動電路字系統(tǒng)框圖與電路原理圖如流程圖所示，發(fā)射局部分為四個模塊。原本在設(shè)計過程中，我們參加了繼電器，如下列圖所示：繼電器在該電路的作用是仿真啟動低電壓。在實(shí)際制作過程中，考慮到繼電器功率較大、連接上有難度，所以該局部在實(shí)際電路中未得到表達(dá)接收電路系統(tǒng)框圖與電路原理圖e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，e2為負(fù)半周時，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Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。發(fā)射電路原理發(fā)射局部由兩個放大電路組成的二級放大組成，芯片為LM2577-ADJ,芯片4腳和地之間集成一個開關(guān)管，芯片部有產(chǎn)生方波的模塊，來控制這個開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷。1．當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通的時候，輸入的電流就通過電感，開關(guān)管，給電感充電。2.然后開關(guān)關(guān)斷，電感就會通過續(xù)流二極管5821給負(fù)載供電，通輸入也通過電感和二極管供電。電感和輸入通過疊加的作用就實(shí)現(xiàn)了升壓。3.然后輸出電壓通R1R2的比例電阻的分壓反應(yīng)給芯片，芯片通過計算來調(diào)節(jié)輸出方波的占空比，從而是輸出電壓穩(wěn)定在適宜的圍。經(jīng)過升壓電路后，我們直接連入LED，點(diǎn)亮小燈泡。4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案我們在面包板上預(yù)留了一些電容的插槽，通過這種方式來改變電容大小