簡(jiǎn)易無線供電系統(tǒng).doc

簡(jiǎn)易無線供電系統(tǒng)（H題）指導(dǎo)老師：王陳寧 査長(zhǎng)禮參賽學(xué)生：趙剛 蔡佳 石蒙安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院摘要：無線供電技術(shù)（WPT）是一種新型的電能傳輸技術(shù)，它擺脫了傳統(tǒng)的供電方式，以射頻電路、接收控制電路為核心，以電感線圈實(shí)現(xiàn)無線傳能，為用電設(shè)備提供電力，讓電器與電源完全分離，簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉，使電器在安全性、靈活性、密封性、美觀性等方面表現(xiàn)更好，而且無線供電還可以通過所有非金屬物質(zhì)（如水、空氣、木材、塑料等）來傳遞電力，因此可以實(shí)現(xiàn)隔物供電。關(guān)鍵詞：無線供電 射頻電路 接收電路 電感線圈引言：自從1840年電磁感應(yīng)現(xiàn)象及導(dǎo)線可以傳輸電能被人們發(fā)現(xiàn)至今，傳統(tǒng)電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行輸送的，但是實(shí)踐表明這種方式在使用上存在諸如滑動(dòng)磨損、接觸火花、碳積累、不安全裸露導(dǎo)體等缺點(diǎn)。為解決這些問題，越來越多的研究者對(duì)無線供電技術(shù)進(jìn)行了研究。特別是近年來，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與MEMS器件的發(fā)展，更加推動(dòng)了無線供電與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，并在理論研究和實(shí)用化技術(shù)方面取得了初步的成果。 本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的無線傳能充電器，通過線圈將電能以無線方式傳輸給電器。只需把電器和接收設(shè)備放在供電平臺(tái)上即可對(duì)其進(jìn)行供電。實(shí)驗(yàn)證明，雖然該系統(tǒng)還不能供電于無形之中，但已免去接線的煩惱。相信，在人類的不斷探索中，在不就的將來，無線供電技術(shù)必能的到廣泛的應(yīng)用，方便人們的生活。目錄一 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求二 方案論證與設(shè)計(jì) 1 無線供電技術(shù)方案 2 高頻振蕩電路的選擇方案 3 高頻功率放大電路的選擇方案 4 無線充電電路的選擇方案三 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 總體設(shè)計(jì) 2 單元模塊設(shè)計(jì) （1）各單元模塊的功能介紹及功能設(shè)計(jì)1）高頻振蕩電路2）高頻功率放大電路3）發(fā)射、接收線圈4）電源電路（2）電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇（3）特殊器件的介紹四 調(diào)試五 系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)六 設(shè)計(jì)總結(jié)附錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 我們旨在設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易無線供電系統(tǒng)，要求發(fā)射輸出功率不低于20W,能給充電電池充電，接受電能可以明顯電亮40W/220V白熾燈，并要求用LED 燈指示用電設(shè)備已通過無線通道獲得電能。二、方案論證與設(shè)計(jì)1、無線供電總方案方案一：采用電磁感應(yīng)方案。電磁感應(yīng)方案就是利用變壓器原理，通過初、次級(jí)線圈的感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能的傳輸?；谶@種方式的無線電能傳輸系統(tǒng)主要有三大部分組成，即能量發(fā)送端、無接觸變壓器、能量接收端。當(dāng)發(fā)送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質(zhì)中形成一個(gè)交變磁場(chǎng)，接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可供電給移動(dòng)設(shè)備或者給電池充電。這種方案的特點(diǎn)是能量接收端和次級(jí)線圈相連，可靈活移動(dòng)，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可用于距離要求不高但又不需要機(jī)械和電氣連接的場(chǎng)合。方案二：采用電磁波（共振原理）方案。該方案的整個(gè)裝置必須包含兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)。其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量源相接，它并不向外發(fā)射電磁波，在周圍形成一個(gè)非輻射磁場(chǎng)，即將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)；當(dāng)接收裝置的固有頻率和受到的電磁波頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)道電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。該方案的特點(diǎn)是電磁輻射水平低，系統(tǒng)只對(duì)能與其產(chǎn)生頻率共振的設(shè)備進(jìn)行電能的傳輸。方案三：微光方案。采用微光方式傳輸電能，系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵器件由發(fā)射機(jī)、波束控制、以及接收整流天線等構(gòu)成。發(fā)射機(jī)主要實(shí)現(xiàn)能量以電能功率轉(zhuǎn)換為射頻功率并且以一種被控制的和低功耗的方式將功率輻射出去。系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是波束的控制能力，它體現(xiàn)了系統(tǒng)的安全特性。接收整流天線實(shí)現(xiàn)把微波能量轉(zhuǎn)變成直流或交流電能。采用這種方案的特點(diǎn)是能量以光速進(jìn)行傳送，迅速變換傳輸方向；在真空中傳遞能量無損耗，微波電能傳輸?shù)木嚯x很遠(yuǎn)，頻率越高傳播的能量越大。綜上，由于利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靈活移動(dòng)，故我們選擇方案一。2、高頻振蕩電路的選擇方案方案一：用CMOS電路六反相器CD4069的晶體振蕩電路CD4069構(gòu)成的兩種晶體振蕩電路如圖（1）所示 圖（1）圖（1）a用了CD4069的三個(gè)反相器，一個(gè)反相器產(chǎn)生振蕩，另兩個(gè)反相器用做緩沖。圖b與a的不同在于石英晶體的接法，在使用中似比圖a的接法更容易起振。 方案二：用高速CMOS電路四與非門74HC00的晶體振蕩電路74HC00構(gòu)成的晶體振蕩電路有三種接法，分別如圖（2）a、b、c所示 圖（2）圖a是利用一個(gè)門電路構(gòu)成的晶體振蕩電路；圖b增加了一級(jí)緩沖，圖c是振蕩晶體跨在兩個(gè)門電路的輸入輸出端。利用74HC00這樣高速的CMOS電路，起振容易，特別在高頻段。方案三：多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩三種多諧振蕩器三種電路如圖（3）所示 圖（3）圖b集電極基極耦合多諧振蕩器在低頻段效果還可以，但在高頻段無法應(yīng)用；圖c發(fā)射極耦合多諧振蕩器克服了集電極基極耦合多諧振蕩器的缺點(diǎn)，兩只晶體三極管工作在非保護(hù)狀態(tài)，提高了三極管的開關(guān)速度，從而可以得到更高的振蕩頻率。耦合電容接在發(fā)射極上，能改善輸出波形。綜上分析，我們選擇方案一（）3、高頻功率放大電路的選擇方案方案一：功率場(chǎng)效應(yīng)管電路電路如圖（4）所示場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制元件，是一種類似于電子管的三極管，與雙極型晶體管相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗高，輸入功耗小，溫度穩(wěn)定性好，信號(hào)放大穩(wěn)定性好，信號(hào)失真小，噪聲低等特點(diǎn)，而且其放大特性也比電子三極管好，圖（4）功率場(chǎng)效應(yīng)管電路中三個(gè)電阻R1、R2、R3并聯(lián)接到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G，前級(jí)的高頻振蕩電路也接到G；原級(jí)S直接接地；漏極D接LC振蕩電路，其諧振頻率和前級(jí)的高頻振蕩頻率相同。 圖（4）功率場(chǎng)效應(yīng)管電路方案二：達(dá)林頓管電路電路如圖（5）所示達(dá)林頓管是兩個(gè)三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管，它具有放大倍數(shù)大、驅(qū)動(dòng)能力、強(qiáng)功率大、開關(guān)速度快、易于集成等特點(diǎn)。在圖（5）的達(dá)林頓管構(gòu)成的功率放大電路中，達(dá)林頓電路采用的是同極性接法，即NPN+NPN，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，三極管的放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積。 圖（5）達(dá)林頓管電路綜上，由于功率場(chǎng)效應(yīng)管放大電路能夠輸出較大的振幅，信號(hào)放大穩(wěn)定性好，信號(hào)失真小，并且電路簡(jiǎn)單，是比較理想的選擇方案。4、無線充電電路的選擇方案方案一：CD4069的晶體振蕩電路和功率場(chǎng)效應(yīng)管組成的無線充電電路。 電路如圖（7）所示 圖（7）該充電電路的CD400系列的CMOS電路的極限電壓時(shí)18v，不穩(wěn)的的交流12v電壓整流濾波后的空載電壓可能會(huì)超過18v，所以CD4069的電源電壓用三端穩(wěn)壓集成電路7805提供。CMOS電路所有不用的輸入端接上適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖剑w振蕩接成單門振蕩器，振蕩輸出經(jīng)二級(jí)緩沖后送到功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G，開始為保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管，柵極電路上設(shè)置偏壓和泄漏電路，保證電路穩(wěn)定工作。方案二：CD4069的晶體振蕩電路和達(dá)林頓管組成的無線充電電路。此方案采用CMOS電路的晶體振蕩電路可直接驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管帶動(dòng)負(fù)載，達(dá)林頓管就是兩個(gè)三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管?？偟姆糯蟊稊?shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積。晶體振蕩輸出與達(dá)林頓管的基極之間用電容耦合，如直接耦合會(huì)使功率放大電路的直流功耗增大，電容大小的選擇，以電源供應(yīng)電流I1為小，而充電電流I2大為準(zhǔn)。電路如圖（8）所示 圖(8) 綜上分析，我們選擇方案一三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、總體設(shè)計(jì)無線充電器系統(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，系統(tǒng)框架如下圖（12）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(chǎng)與磁場(chǎng)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（12）原理，電路圖，必要的說明2、單元模塊設(shè)計(jì)（1）各單元模塊的功能介紹及電路設(shè)計(jì)1）高頻振蕩電路該電路的主要器件為六反相器CD4069芯片，頻率2MHZ晶振，以及電阻。其中CD4069芯片的引腳參數(shù)以及內(nèi)部電路如圖（13），其中Pin14接入電源，根據(jù)用CMOS電路六反相器CD4069的晶體振蕩電路圖B的原理電路將晶振和電阻與芯片相接，其接好后電路圖如圖（14），另外CD4069的電源電壓應(yīng)另用穩(wěn)壓二極管提供，電路中所有不用的輸入端迎接上適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖?，不得懸空，否則電路的工作狀態(tài)將不確定，而且會(huì)增加電路的功耗。 圖（13） 圖（14）2）高頻功率放大電路高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，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)的接收機(jī)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。電路如圖（15）所示 3)發(fā)射、接收線圈電路流程圖如下所示 圖（）發(fā)射和接收線圈都采用直徑05ram左右的漆包線繞12匝，線圈直徑約為80r。發(fā)射模塊的作用是將直流能量高效率地轉(zhuǎn)換為射頻功率信號(hào)，以便接收電路能夠充分利用能量接收模塊是在接收到前級(jí)的能量后對(duì)其進(jìn)行處理的模塊。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，需要將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行整流、濾波、降壓以及穩(wěn)壓處理，處理之后的直流電壓方可供其他負(fù)載使用。該模塊主要包括整流電路以及降壓電路電路圖如下圖所示 發(fā)射模塊 圖（）發(fā)射電路中，主振電路采用2 MHz有源晶振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管13003及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去，為接收部分提供能量。 接收模塊接收電路中，初級(jí)線圈發(fā)射的能量由次級(jí)電感線圈耦合接收后，將接收到的高頻電流經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電4