无线传能装置 摘要: 无线电能传输系统由驱动源、线圈、以及接受电路组成。无线传能技术是以高频振荡源作为系统的驱动源,将直流形式的能量转换成高频形式的能量,且自身作为能量传输过程中的能量源,再经电感线圈实现能量之间的相互转换,最后能量由接收电路传递给负载电路的过程。其设计关键为适应源线圈参数以及整个传输系统的阻抗特性,并且在特定频率下实现系统工作的软开关过程。 先由NE555与IRF3205组合形成高频振荡电路 无线传能系统方案从分析入手,详细讨论了整个系统的硬件电路的功能实现,并给出较为合理的解决方案。为了便于控制的实现和功能的扩展,设计了NE555振荡电路、IFR3205开关电路、IF2101驱动电路、整流电路、滤波电路, 通过比较法和模糊控制技术及软硬件的配合,实现了整个电路的设计。创新点 关键字:驱动源 线圈 一、引言 为了满足题目所设要求,设计一种简单实用的无线传能装置,通过线圈将电能以无线方式传输给灯泡。本无线传能装置由能量发送单元与能量接收单元两大部分组成,可以在10cm范围内对灯泡进行充电。 二、方案设计 2.1理论分析 为实现无线电能传输系统,主要是利用电磁感应原理,是初级线圈与次级线圈构成一个可分离的耦合变压器,电能以非接触的方式传送到负载设备。电能磁能是电场与磁场的周期性变化以电磁波的形式向空间传播。 本设计的关键点之一是利用线圈耦合的方式进行能量传递,使接收单元接收到足够的能量,以保证后续电源的能量供给。二是如何提高充电电路的能量利用效率,在满足充电电路正常工作的前提下尽可能采用低功耗。 2.2.1主振荡电路: 方案一:使用有源晶振,若载频为2MHz,载频较高,与之谐振电容可能非常小,由于分布电容的影响,调试困难。并且虽然可以产生稳定的工作频率,但频率不可调,很难产生谐振。 方案二:采用NE555做产生波形电路,调节555的变阻器大小可以在一定范围内改变输出方波的频率及占空比,当LC振荡电路改变时调节变阻器大小即可以产生相应频率的波形,与LC电路形成谐振。所以选择(方案二)。 2.2.2功率放大电路: 方案一:采用大功率开关三极管作为功放元件,但管耗较大,需要大面积的散热片,成本较高。 方案二:采用场效应管作为功放元件,功耗小于三极管,驱动频率小,使用方便。直接使用NE555的输出就可以直接驱动。所以选择(方案二)。 三、理论分析与设计 3.1系统框图 系统包括能量发送单元和能量接收单元两部分。能量发送单元主要由高频功率放大电路,晶体振荡电路以及耦合线圈四部分组成,能量接收单元主要由整流滤波电路,能量转换部分组成。D为两线圈之间的距离。系统总体图如图 3.2单元电路设计 3.2.1电源电路 本项目使用了24V与5V电源分别给场效应管即NE555供电,采用变压器变电后使用7812与7912,稳压源模块产生24V点然后再经7805电源稳压产生5V电。并且一定要注意两电源共地。 3.2.2信号产生电路 采用NE555构成振荡频率约为200KHZ的信号发生器,为功放电路提供激励信号。调节555的变阻器大小可以再一定范围内改变输出方波的频率及占空比,调节得到所需要的频率。 3.3功放驱动电路 谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF3205 构成。功放驱动电路主要用于放大前级振荡电路产生的振荡信号,从而将更高的振荡信号送入下级高频功率发大电路。 3.4LC谐振电路设计 能量发送单元射频输出端采用发射线圈(电感)和电容并连连构成谐振回路。为了提高能量接收单元获取更大电压,是能够在更远距离工作,能量接收单元采用并联谐振回路。当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时,功率放大器发生谐振,此时线圈中的电压和电流达最大值,从而产生最大的交变电磁场。当接收端线圈与发射线圈靠近时,在接收线圈中产生感生电压,当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振,电压达最大值。所以,发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时,具有最好的能量传输效果。线圈传递能量效率较高,传送间距越大。 3.5接受端充电控制电路设计 电能经过线圈接收后,高频交流电压经过IN4007整流管进行全波整流,2200u的电容滤波,再用3.3V稳压二极管惊醒稳压,输出直流电为灯泡提供较稳定的工作电压。 四、电路程序与设计 4.1测试方案 4.1.1硬件测试 首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功,然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能。经测试,我们的驱动源模块、功率放大模块、以及线圈转换模块均工作正常。 4.2 测试条件与仪器 输出0-30v和3A电源 带宽40M数字示波器 4位半数字万用表 4.3 测试结果与分析 经过测试,系统各部分均工作正常。电流设置可以做到步进100MA,10MA以及1MA的步进值。在输出电流100MA~700MA时,误差可以控制在1%以内。在大电流工作时,误差小于2%。同时系统具有过压保护功能和开路工作模式,具有测试电源负载变化率功能。 4.3.1测试结果 4.3.2 测试分析与结论 五、测试方案与测试结果 六、设计总结
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