基于電容耦合的非接觸電能傳輸LED燈

文 大連理工大學(xué)附屬高中李宗澤任美桐

LED燈在隧道照明及顯示屏等方面有著廣泛應(yīng)用。目前LED燈采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線、插頭和插座等電連接器供電，易沾灰、易受腐蝕，使用受到限制。若采用非接觸方式供電，這些問題就可以迎刃而解。

電磁感應(yīng)耦合式CPT技術(shù)是目前比較有效、研究廣泛、相對成熟的無線電能傳輸方案。它是一種近距離的無線電能傳輸技術(shù)，根據(jù)傳輸設(shè)備的不同，又可分為電場耦合式和磁場耦合式。

電場耦合式利用平板電容器，通過在電容器一側(cè)的極板上施加高頻電壓，使極板間形成感應(yīng)電場，實現(xiàn)電能在平板電容器間的傳輸。磁場耦合式利用電源側(cè)的線圈產(chǎn)生交變磁場，耦合到負(fù)載側(cè)的線圈，從而將能量傳遞給負(fù)載。

由于磁場耦合會受金屬導(dǎo)體屏蔽的影響，限制了金屬環(huán)境中LED燈的使用，所以我們采用電場耦合非接觸傳輸方式為LED燈提供電源。

一、基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)

基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)如圖1所示。首先對工頻電源進行整流濾波獲得直流電源；然后經(jīng)過高頻逆變器變換成高頻交變電壓，并將該電壓作為兩對平行板電容器的原邊極板的輸入電壓；由于平板電容器的原、副邊極板間的電位差，形成交變感應(yīng)電場，從而形成位移電流，實現(xiàn)電能在電容器極板間的非接觸傳輸；最后通過高頻整流濾波電路為LED燈提供電源。

圖1電容耦合非接觸電能傳輸系統(tǒng)

電容耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的電路拓?fù)鋱D如圖2所示。其中S1-S4為MOSFET開關(guān)，D1-D4為反并聯(lián)二極管，C1-C4為緩沖電容，L1、L2為補償電感，RL為負(fù)載電阻，輸出電流為i0，輸出電壓為u0。電路中的全橋逆變器采用移相PWM控制，S1和S2構(gòu)成超前橋臂，S3和S4構(gòu)成滯后橋臂，每組橋臂的兩個MOSFET開關(guān)管互補導(dǎo)通。

圖2電容耦合非接觸電能傳輸系統(tǒng)電路拓?fù)?/p>

二、LED燈系統(tǒng)設(shè)計

基于電容耦合的非接觸電能傳輸LED燈系統(tǒng)原邊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。其中D1-D4為二極管，構(gòu)成全橋整流電路，將220V工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源；C1為濾波電容。S1-S4為MOSFET開關(guān)，每個MOSFET開關(guān)管兩端并聯(lián)一組二極管電容，用于吸收沖擊電壓。

圖3電容耦合非接觸電能傳輸LED燈系統(tǒng)原邊電路拓?fù)?/p>

副邊電路利用耦合電容，將高頻交變電源耦合到副邊極板。再利用全橋整流濾波電路，將交變電源轉(zhuǎn)換為直流電源。最后經(jīng)振蕩器，產(chǎn)生振蕩電路，用于不同顏色的LED燈閃爍。

三、結(jié)論

電容耦合非接觸電能傳輸技術(shù)利用高頻電場耦合，實現(xiàn)電能在電容間的傳輸?；陔娙蓠詈系姆墙佑|電能傳輸LED燈，能克服采用磁場耦合技術(shù)時金屬屏蔽導(dǎo)致無線電能傳輸效率低下的不足，使非接觸電能LED燈可在金屬、水下等環(huán)境中使用，具有實際意義和獨創(chuàng)性。