简易无线供电系统.doc

简易无线供电系统（H题）指导老师：王陈宁 査长礼参赛学生：赵刚 蔡佳 石蒙安庆师范学院物理与电气工程学院摘要：无线供电技术（WPT）是一种新型的电能传输技术，它摆脱了传统的供电方式，以射频电路、接收控制电路为核心，以电感线圈实现无线传能，为用电设备提供电力，让电器与电源完全分离，简单实用，成本低廉，使电器在安全性、灵活性、密封性、美观性等方面表现更好，而且无线供电还可以通过所有非金属物质（如水、空气、木材、塑料等）来传递电力，因此可以实现隔物供电。关键词：无线供电 射频电路 接收电路 电感线圈引言：自从1840年电磁感应现象及导线可以传输电能被人们发现至今，传统电能的传输主要是由导线直接接触进行输送的，但是实践表明这种方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花、碳积累、不安全裸露导体等缺点。为解决这些问题，越来越多的研究者对无线供电技术进行了研究。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，更加推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。 本文设计了一种简单实用的无线传能充电器，通过线圈将电能以无线方式传输给电器。只需把电器和接收设备放在供电平台上即可对其进行供电。实验证明，虽然该系统还不能供电于无形之中，但已免去接线的烦恼。相信，在人类的不断探索中，在不就的将来，无线供电技术必能的到广泛的应用，方便人们的生活。目录一 设计任务及要求二 方案论证与设计 1 无线供电技术方案 2 高频振荡电路的选择方案 3 高频功率放大电路的选择方案 4 无线充电电路的选择方案三 系统设计 1 总体设计 2 单元模块设计 （1）各单元模块的功能介绍及功能设计1）高频振荡电路2）高频功率放大电路3）发射、接收线圈4）电源电路（2）电路参数的计算及元器件的选择（3）特殊器件的介绍四 调试五 系统功能、指标参数六 设计总结附录一、设计任务及要求 我们旨在设计一个简易无线供电系统，要求发射输出功率不低于20W,能给充电电池充电，接受电能可以明显电亮40W/220V白炽灯，并要求用LED 灯指示用电设备已通过无线通道获得电能。二、方案论证与设计1、无线供电总方案方案一：采用电磁感应方案。电磁感应方案就是利用变压器原理，通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有三大部分组成，即能量发送端、无接触变压器、能量接收端。当发送线圈中通以交变电流，该电流在将在周围介质中形成一个交变磁场，接收线圈中产生的感应电动势可供电给移动设备或者给电池充电。这种方案的特点是能量接收端和次级线圈相连，可灵活移动，电路简单，易于实现，可用于距离要求不高但又不需要机械和电气连接的场合。方案二：采用电磁波（共振原理）方案。该方案的整个装置必须包含两个线圈，每个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量源相接，它并不向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转换为磁场；当接收装置的固有频率和受到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场道电能的转换，从而实现电能的高效传输。该方案的特点是电磁辐射水平低，系统只对能与其产生频率共振的设备进行电能的传输。方案三：微光方案。采用微光方式传输电能，系统所涉及的关键器件由发射机、波束控制、以及接收整流天线等构成。发射机主要实现能量以电能功率转换为射频功率并且以一种被控制的和低功耗的方式将功率辐射出去。系统的关键因素是波束的控制能力，它体现了系统的安全特性。接收整流天线实现把微波能量转变成直流或交流电能。采用这种方案的特点是能量以光速进行传送，迅速变换传输方向；在真空中传递能量无损耗，微波电能传输的距离很远，频率越高传播的能量越大。综上，由于利用电磁感应实现无线电能的传输电路简单，易于实现，可灵活移动，故我们选择方案一。2、高频振荡电路的选择方案方案一：用CMOS电路六反相器CD4069的晶体振荡电路CD4069构成的两种晶体振荡电路如图（1）所示 图（1）图（1）a用了CD4069的三个反相器，一个反相器产生振荡，另两个反相器用做缓冲。图b与a的不同在于石英晶体的接法，在使用中似比图a的接法更容易起振。 方案二：用高速CMOS电路四与非门74HC00的晶体振荡电路74HC00构成的晶体振荡电路有三种接法，分别如图（2）a、b、c所示 图（2）图a是利用一个门电路构成的晶体振荡电路；图b增加了一级缓冲，图c是振荡晶体跨在两个门电路的输入输出端。利用74HC00这样高速的CMOS电路，起振容易，特别在高频段。方案三：多谐振荡器产生振荡三种多谐振荡器三种电路如图（3）所示 图（3）图b集电极基极耦合多谐振荡器在低频段效果还可以，但在高频段无法应用；图c发射极耦合多谐振荡器克服了集电极基极耦合多谐振荡器的缺点，两只晶体三极管工作在非保护状态，提高了三极管的开关速度，从而可以得到更高的振荡频率。耦合电容接在发射极上，能改善输出波形。综上分析，我们选择方案一（）3、高频功率放大电路的选择方案方案一：功率场效应管电路电路如图（4）所示场效应管属于电压控制元件，是一种类似于电子管的三极管，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有输入阻抗高，输入功耗小，温度稳定性好，信号放大稳定性好，信号失真小，噪声低等特点，而且其放大特性也比电子三极管好，图（4）功率场效应管电路中三个电阻R1、R2、R3并联接到场效应管的栅极G，前级的高频振荡电路也接到G；原级S直接接地；漏极D接LC振荡电路，其谐振频率和前级的高频振荡频率相同。 图（4）功率场效应管电路方案二：达林顿管电路电路如图（5）所示达林顿管是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管，它具有放大倍数大、驱动能力、强功率大、开关速度快、易于集成等特点。在图（5）的达林顿管构成的功率放大电路中，达林顿电路采用的是同极性接法，即NPN+NPN，前面为三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面为三极管射极跟后面三极管基极相接，三极管的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。 图（5）达林顿管电路综上，由于功率场效应管放大电路能够输出较大的振幅，信号放大稳定性好，信号失真小，并且电路简单，是比较理想的选择方案。4、无线充电电路的选择方案方案一：CD4069的晶体振荡电路和功率场效应管组成的无线充电电路。 电路如图（7）所示 图（7）该充电电路的CD400系列的CMOS电路的极限电压时18v，不稳的的交流12v电压整流滤波后的空载电压可能会超过18v，所以CD4069的电源电压用三端稳压集成电路7805提供。CMOS电路所有不用的输入端接上适当的逻辑电平，晶体振荡接成单门振荡器，振荡输出经二级缓冲后送到功率场效应管的栅极G，开始为保护场效应管，栅极电路上设置偏压和泄漏电路，保证电路稳定工作。方案二：CD4069的晶体振荡电路和达林顿管组成的无线充电电路。此方案采用CMOS电路的晶体振荡电路可直接驱动达林顿管带动负载，达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。总的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。晶体振荡输出与达林顿管的基极之间用电容耦合，如直接耦合会使功率放大电路的直流功耗增大，电容大小的选择，以电源供应电流I1为小，而充电电流I2大为准。电路如图（8）所示 图(8) 综上分析，我们选择方案一三、系统设计1、总体设计无线充电器系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路5部分组成，系统框架如下图（12）所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100KHZ，才有足够的电磁辐射。 图（12）原理，电路图，必要的说明2、单元模块设计（1）各单元模块的功能介绍及电路设计1）高频振荡电路该电路的主要器件为六反相器CD4069芯片，频率2MHZ晶振，以及电阻。其中CD4069芯片的引脚参数以及内部电路如图（13），其中Pin14接入电源，根据用CMOS电路六反相器CD4069的晶体振荡电路图B的原理电路将晶振和电阻与芯片相接，其接好后电路图如图（14），另外CD4069的电源电压应另用稳压二极管提供，电路中所有不用的输入端迎接上适当的逻辑电平，不得悬空，否则电路的工作状态将不确定，而且会增加电路的功耗。 图（13） 图（14）2）高频功率放大电路高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。电路如图（15）所示 3)发射、接收线圈电路流程图如下所示 图（）发射和接收线圈都采用直径05ram左右的漆包线绕12匝，线圈直径约为80r。发射模块的作用是将直流能量高效率地转换为射频功率信号，以便接收电路能够充分利用能量接收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理的模块。为了满足实际应用的需求，需要将接收到的射频信号进行整流、滤波、降压以及稳压处理，处理之后的直流电压方可供其他负载使用。该模块主要包括整流电路以及降压电路电路图如下图所示 发射模块 图（）发射电路中，主振电路采用2 MHz有源晶振作为振荡器。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的丙类放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去，为接收部分提供能量。 接收模块接收电路中，初级线圈发射的能量由次级电感线圈耦合接收后，将接收到的高频电流经转换电路转换为直流电为电池充电4