无线电能传输装置

1、目 录1系统方案21.1系统总体思路21.2系统方案论证与选择21.2.1 电源模块论证与选择21.2.2驱动模块论证与选择21.2.3线圈的论证与选择21.2.4整流电路的论证与选择21.3系统总体方案设计32理论分析与计算32.1 TL494应用原理32.2 IR2110原理32.3 无线传输原理42.4 计算公式43电路设计43.1电源模块（图3）4图3 电源模块53.2驱动模块（图4）53.3传输模块（图5）54测试方案与测试结果64.1测试方法与仪器64.2测试数据与结果64.3数据分析与结论7参考文献78无线电能传输装置（F题）1系统方案1.1系统总体思路由题我们设计并制作一个磁耦

2、合谐振式无线电能传输装置，且用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过驱动电路产生交变电流，对发射线圈进行供电，线圈利用磁耦合谐振式原理，将电能无线传输到接收线圈端，最终在接收线圈端产生电流，达到无线电能的传输的要求。经过几天的测试，制作出了传输效率达 38.3%，x的值最大为26 cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置。1.2系统方案论证与选择1.2.1 电源模块论证与选择方案一：利用双电源，直接对电路进行供电。方案二：利用单电源，再接入PWM控制器芯片TL494固定频率的脉冲宽度调制电路，能够有效地将直流电转换为高频脉冲。TL

3、494芯片的功耗低，构成的电路结构简单，调整方便，输出电压脉动小；且IR2110 的电路无需扩展，使电路更加紧凑，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，为获取死区时间，可由基本振荡电路、与门电路构成，为方便我们选用TL494，选择方案二。1.2.2驱动模块论证与选择方案一：利用三极管对无线电能传输装置进行驱动，可以比较经济地进行驱动。 方案二：使用两个IR2110对无线电能传输装置进行驱动，因其15V 下静态功耗仅116mW输出的电源端电压范围1020V,工作频率高，可达500kHz，能够很好地满足线圈进行电能传输的需要。考虑到线圈所需谐振频率较高，而三极管的通断不是那么灵敏，所以选择较为灵敏的场

4、效应管，又考虑到电路的简便，则选择方案二。1.2.3线圈的论证与选择方案一：利用单层同心圆平面绕组，但其输出的频率很高对电容要求过高。方案二：利用多层绕组。考虑到多层绕组的频率相对稳定，它对谐振电容的要求较低，还有它对线圈的磁场干扰较小，并且它的电能传输效率能够达到标准，因此选择方案二。1.2.4整流电路的论证与选择方案一：二极管半波整流。利用二极管的单向导电性，二极管承受反压大，很有可能会烧毁二极管，直流电源输入时，不能构成放电回路，不适用于本电路。方案二：桥式整流。四只整流三极管D14 和负载电阻RL组成。四只整流三极管接成电桥形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和

5、二极管承受反压大的缺点，且成本低，效率高，适用于各种电路。考虑到半波整流对电能的损失，我们选择的损失较小的全波整流，因此选择方案二。1.3系统总体方案设计本系统主要由电源模块，驱动模块、无线传输模块组成。系统总体框图如图1所示。电源TL494IR2110测试电压 线圈开关打到负载档滤波、整流LED灯亮开关拨到发光二极管档图1 系统总体框图电源模块运用单电源供电，利用TL494对电流进行改变，形成脉冲，在这里我们使用了电容对电流进行了限制。驱动模块运用两个IR2110，可以大大减少驱动电源的数目，仅用一组电源即可，满足题目要求。无线传输装置我们用了两扎线圈，在进行电能传输时能够高效率的传输电流，

6、符合题目要求。2理论分析与计算2.1 TL494应用原理TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。它集成了全部的脉宽调制电路，并且可调整死区时间，功率输出管Q1和Q2受控于或非门，当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。2.2 IR2110原理IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬

7、浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9）515V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz。IR2110 内部由低压通道和高压通道两个相互独立的通道组成。逻辑输入端采用滞后为0. 1VDD 的施密特触发器,以提高抗干扰能力和接受缓慢上升的输入信号。而且其输入和栅驱动之间的开通与关断的传播延迟分别为120ns和95ns。2.3 无线传输原理利用共振的原理，合理设置发射装置与接收装置的参数，使得

8、发射线圈与接收线圈以及整个系统都具有相同的谐振频率，并在该谐振频率的电源驱动下系统可达到一种“电谐振”状态，从而实现能量在发射端和接收端高效的传递。如图2，磁耦合谐振式无线电能传输系统主要由电源、能量转换与传输装置（线圈谐振器），能量接收装置三部分组成。图2 无线传输示意图2.4 计算公式计算效率公式： （U1为输入电压，U2为输出电压，I1为输入电流，I2为输出电流）计算频率公式： （L为电感感值，C为电容容值）TL494振荡频率计算： (RT为6脚输出，CT为5脚输出)3电路设计3.1电源模块（图3）电源的转化我们利用TL494，它广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源，在这里我

9、们应用于全桥式开关电源，为了保护芯片我们在4脚接了一个电解电容，在5与6脚我们分别接了变阻器与0.47uf的电容以便调节输出电源的频率。图3 电源模块3.2驱动模块（图4）驱动我们利用了IR2110，它兼有体积小和速度快的优点，它能更好地让场效应管工作，我们在驱动电路末加了两组场效应管构成H桥，能够快速地进行通断，保证在线圈上产生高频交流电。为了保护电路我们在四个场效应管的公共接线上并联了两个0.47uf的电容，防止发热过快，烧坏单个电容，又让电容与线圈形成串联谐振。图4 驱动模块3.3传输模块（图5）在接收信号处我们加上了一个电容用于高频的振荡，产生较平稳连续的电流，由于是高频交变电流,为减

10、少损耗采用多支小电容并联滤波，发送模块与接收模块都由L与C构成串联谐振，才能最大效率的将电能传输。线圈我们使用多层绕组，经测量它的电感值有5mH，那么它应配上1uF电容，则频率可达2.16kHz。图5 传输模块4测试方案与测试结果4.1测试方法与仪器 1、测试方法用万用表、示波器等相关仪器检测电路是否正常。电平是否与理论相符，检测完后，将15V电源接入电路，改变负载电阻大小，以改变输出电流与输出电压，从而改变其传输效率，分别测出一定的负载大小时，输出电流、输出电压以及输入电流大小以便算出电能传输效率，最后找出最大效率时负载电阻的值。不改变输入电压，固定负载电阻到最大效率那一阻值，改变线圈之间的

11、距离多测几次，最后计算出其效率大小，比较效率大小，找出效率变化规律。2、测试仪器本系统测试仪器见表1。表1 无线电能传输系统测试仪器序号名称型号说明1数字万用表UT39A用来检测自制探测仪的硬件焊接和电缆检测的结果以及各模块的工作情况2双踪示波器UT2025C测试探测仪是否能检测到带电电缆3直流稳压电源APS3005S-3D用作电源4指针式万用表MODEL MF 47用来检测探测仪的工作，有时数字表不明显5LCR数字电桥YD2810B用来测试电感4.2测试数据与结果当接收线圈离发射线圈的距离x=10cm，输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2=19.3V

12、，输入电流I1=2.34A，效率=27.5%。无线传输效率测试：输入电压U1=15V，谐振频率F=2.18KHz测试表格见表2、表3。表2电阻R（）输出电流I2（A）输出电压U2（V）输入电流I1（A）效率51.687.42.631.9%101.3512.62.9638.3%151.1516.53.2938.4%201.0019.23.5236.4%250.8420.73.5332.8%91.3811.72.9137.0%111.2813.33.0037.8%131.2014.93.1338.1%141.1515.63.1937.5%161.0916.73.2837.0%表3距离（cm）输出电

13、流I2（A）输出电压U2（V）输入电流I1（A）效率71.0615.32.0752.2%60.9914.31.6856.2%50.9013.11.3359.1%40.7911.51.0060.6%20.618.90.5362.4%10.507.30.3962.4%备注：测试负载R=154.3数据分析与结论 频率达2.18KHz，在输入电压15V，输入电流1A时，线圈间距离10cm情况下，效率能够达到38.3%，线圈间距离越近电能传输的效率越高，效率最高可达62.4%。综上所述，本设计基本达到设计要求。4.4问题分析与结论 1. 自激振荡电路部分有时会不稳定，尤其是当线圈与电容不匹配时，会发生短

14、路，但是在最初设计电路往往忽略了这一点，所以在后期更正和测试阶段电路经常会出现问题。2. 线圈与电容匹配问题，磁耦合谐振无线电能传输基于发射和接收端电感和电容谐振，从而实现无线电能传输，但是在匹配时需要计算好数据，当电容数据不能满足要求时电路不能正常工作。4.5无线电能传输技术存在和需要解决的问题利用无线电能传输方式为手提电脑、手机、MP3播放器以及其他电器设备提供电能就意味着可以自由自在地使用各种电子电器，而不用担心电缆不够长或插头插座不够多，有些电子电器也可以水久地摆脱电池的束缚。这给人们提供极大便利的同时，也可以杜绝因废弃电池带来的环境污染。但是无线电能输电技术在实际应用中也存在着很多胡

15、难和需要解决的问题。主要有以几点：(1)对人身安全和周围环境的影响需要解决。由于无线能量的传输既不像传统的供电方式那样可以在传输路径上得到很好的控制也不像无线通讯那样传送微小的功率。高能量的能量密度势必会对人身安全带来影响，据美国超声协会认定人体所能承受的超声波能晕密度也仅为100mWm2。而另一方面人们对电磁波的承受范围为100mWm2，激光则在功率密度小丁25mWcm才能保证对人体无伤害。所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害，采用电磁波方式传输电能会对通讯设备产生干扰这也是无线屯能传输过程中需要解决的问题。(2)传输效率普遍不高。目前无线电能传输技术整体上传输的效率不高，主要原因是能量的控制比较困难无法真正实现能量点对点的传送在传输的过程中会散射等损耗一部分能量能量转换器的效率不高也是影响整个系统效率的关键田紊。当然随着电子技术不断进步，传输的效率也会逐渐提高。(3)要想把无线技术应用到小型移动设备的电能供应中，需要解决的最大的问题就是接收装置的体积问题。和大功率远距离无线输电系统不一样是小