基于電磁感應(yīng)的無(wú)線供電裝置設(shè)計(jì)

祝佳芳　宋俊蓉　龍劍

摘 要：利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)一套無(wú)線供電裝置，對(duì)裝置的發(fā)射單元電路、耦合線圈與LC振蕩電路以及接收單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)頻率、線圈不同繞制方式的傳輸效果以及工作穩(wěn)定性測(cè)試。利用該裝置，可穩(wěn)定地對(duì)小型直流設(shè)備進(jìn)行無(wú)線供電。

關(guān)鍵詞：無(wú)線供電 高頻振蕩電路 電磁感應(yīng) 線圈

中圖分類(lèi)號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-102-02

1 引言

隨著移動(dòng)設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，傳統(tǒng)的供電方式已不能滿足需求，無(wú)線供電方式開(kāi)始滲透到我們的生活?！盁o(wú)線供電”是指，在不使用物理連接的情況下，利用特殊裝置傳輸電能。至2012年，全球約有上百家設(shè)備商已掌握了構(gòu)建無(wú)線供電系統(tǒng)的方法，無(wú)限傳能技術(shù)擁有著巨大的發(fā)展?jié)撃堋，F(xiàn)階段無(wú)線供電的方式有三種：電磁感應(yīng)式（利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)近程無(wú)線供電）、電磁共振式（利用電磁耦合共振效應(yīng)近程無(wú)線供電）以及電磁波輻射式（電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射方式傳輸供電）。由于電磁共振所需試驗(yàn)線圈太大，目前還處于試驗(yàn)階段。而電磁波輻射方式又存在電路復(fù)雜、成本高的問(wèn)題。因此本裝置采用主流的電磁感應(yīng)式，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低且效果好。

2 無(wú)線供電裝置結(jié)構(gòu)框圖

本裝置主要利用電磁感應(yīng)原理，依靠?jī)蓚€(gè)非接觸的空心耦合線圈，實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸。如圖1所示。裝置主要分為發(fā)射端單元、耦合線圈以及接收單元。發(fā)射單元由220V/50Hz交流電作為電源，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后為NE555供電。利用NE555接成高頻振蕩電路，在發(fā)射線圈中激發(fā)磁場(chǎng)。接收線圈與發(fā)射線圈相互耦合，由變化的磁場(chǎng)而產(chǎn)生交變感應(yīng)電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)整流濾波穩(wěn)壓，便可以給電子設(shè)備供電。

3 無(wú)線供電裝置電路設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射單元電路設(shè)計(jì)

3.1.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路主要由變壓器和整流濾波電路組成。由變壓器將220V/50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為7V/50Hz的交流電。通過(guò)四個(gè)普通二極管1N4007組成的整流橋整成直流，如圖2所示。

3.1.2 高頻振蕩放大電路設(shè)計(jì)

該部分電路主要由穩(wěn)壓電路、高頻振蕩電路與功率放大電路組成。高頻振蕩電路主要是用于產(chǎn)生高頻振蕩電流供下一單元使用。555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，該電路功能靈活、適用范圍廣，只要外圍電路稍作配置，即可構(gòu)成多諧振蕩器。不同型號(hào)的555組成的高頻振蕩電路最高頻率在500kHz～1MHz不等，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。LM7805組成的三端穩(wěn)壓集成電路，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓性能好，輸出電壓可以直接為NE555芯片供電。功率放大則由功率管IRF540N來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3。

3.2 耦合線圈與LC振蕩電路設(shè)計(jì)

4.2 線圈在不同繞制方式傳輸效果測(cè)試

在保持線圈直徑、線圈電感以及測(cè)試距離相同的情況下，用同心圓式線圈代替螺旋式線圈。調(diào)節(jié)匹配的電容，通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得最大的感應(yīng)電壓在6V左右。在同樣情況下，改變兩種方式的傳輸距離，記錄下感應(yīng)電壓，對(duì)比數(shù)據(jù)后可得：同心圓式線圈傳輸效果不如螺旋式。

4.3 工作穩(wěn)定性測(cè)試

利用穩(wěn)壓電路將輸出穩(wěn)壓后，可以點(diǎn)亮LED燈以及直流小彩燈。并且接收端三端穩(wěn)壓電路輸出為5V直流電，通過(guò)USB線可以直接給手機(jī)充電。通過(guò)多次試驗(yàn)證明，該裝置可以持續(xù)穩(wěn)定工作數(shù)小時(shí)以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線供電是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，發(fā)展前景非常寬廣。本裝置成功地實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸；改變了線圈繞制方式，在一定程度上提高了傳輸性能。最大輸出電壓可達(dá)到11V左右，但是電能的最大傳輸距離僅在7cm左右，屬于微距傳輸。通過(guò)試驗(yàn)證明，本裝置具有電路簡(jiǎn)單、安裝方便、性能穩(wěn)定、運(yùn)行效果良好等優(yōu)點(diǎn)。

（資助項(xiàng)目：西南大學(xué)本科生科技創(chuàng)新基金，項(xiàng)目編號(hào)（1215004））

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