基于磁共振耦合的無線臺燈研究

沈小云

隨著電子設(shè)備的迅速發(fā)展，人們對于無線能量傳輸?shù)难芯繜岢痹僖淮闻d起了?；?，磁共振耦合的無線能量傳輸系統(tǒng)是未來無線能量傳輸?shù)谋厝话l(fā)展趨勢，即利用具有相同諧振頻率的兩個強電磁耦合物體，可以使能量通過無線的方式高效傳輸，并且對于傳輸范圍之內(nèi)的非諧振物體幾乎不存在能量損耗。

臺燈是我們中學(xué)生日常最忠實的伙伴，然而臺燈受電源線的限制，大大地約束了使用的舒適性和自由性，雖然充電臺燈目前已經(jīng)較為普及，但是就像手機一樣，經(jīng)常會忘記充電而影響使用體驗。因此，我嘗試將磁共振耦合的無線能量傳輸方式應(yīng)用到臺燈中 ，實現(xiàn)無線能量臺燈，從而使得臺燈的使用更加便捷。

無線能源臺燈實物調(diào)試

圖1為已經(jīng)搭建完成的實物調(diào)試系統(tǒng)，包括一個信號發(fā)生器、一個放大器、4個線圈，以及作為負載的LED燈。其中信號發(fā)生器負責產(chǎn)生所需要的正弦波信號;放大器負責放大信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波，提高其功率與效率;線圈用于實現(xiàn)能量的無線傳輸;LED燈作為負載，用來指示是否成功實現(xiàn)能量的無線傳輸。

首先利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個幅值為200mV（毫伏）、頻率為13.56MHz（兆赫）的正弦波信號，經(jīng)放大器放大后并聯(lián)接入驅(qū)動線圈兩端，將負載線圈靠近驅(qū)動線圈，調(diào)節(jié)負載線圈的可變電容，使LED燈的亮度達到最大;然后調(diào)節(jié)驅(qū)動線圈的可變電容，再次使LED燈亮度達到最大，此時發(fā)射端的兩個線圈已經(jīng)達到共振狀態(tài)。

加入發(fā)射線圈進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)負載線圈上的可變電容，觀察LED燈是否發(fā)光。當LED燈發(fā)光時，應(yīng)繼續(xù)調(diào)節(jié)可變電容，使其亮度達到最大。然后微調(diào)發(fā)射線圈的可變電容，使LED燈亮度達到最大。此時，圖2中的負載線圈與發(fā)射線圈達到共振狀態(tài)。

最后加入接收線圈，由于此時已經(jīng)有3個線圈達到共振狀態(tài)，故直接調(diào)節(jié)可變電容，觀察LED燈是否發(fā)光。經(jīng)過調(diào)整，觀察到LED燈發(fā)光;微調(diào)各個線圈的可變電容，使亮度達到最大，則說明4個線圈都達到了共振狀態(tài)，如圖3所示，能量通過磁共振耦合的方式實現(xiàn)了無線傳輸。

能量傳輸距離驗證

調(diào)整線圈之間的距離，觀察LED燈亮度的變化情況，并記錄最大傳輸距離。

可以觀察到，在距離小于25厘米時，隨著距離的增加，LED燈的亮度幾乎保持不變;當距離大于25厘米時，隨著距離的增加，LED燈逐漸變暗，最后完全熄滅。當距離達到35厘米時，LED燈即將熄滅。超過此距離后，LED燈無法點亮，故此距離即為最大傳輸距離。

由此，可以得出結(jié)論，相比于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式的無線能量傳輸系統(tǒng)，基于磁共振耦合的無線能量傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離耍更遠，因此也就有了更大的應(yīng)用空間。

能量傳輸方向性驗證

保持線圈中心距離不變，調(diào)整接收端與發(fā)射端線圈軸線的角度，觀察LED燈的亮度變化?？梢杂^察到，在線圈中心距離不變的情況下，當線圈之間軸線呈90度時，LED燈熄滅;當角度小于90度時，LED燈迅速達到最大亮度，并在旋轉(zhuǎn)至兩者軸線完全共線的過程中，LED燈的亮度幾乎不變。

由此，可以得出結(jié)論，基于磁共振耦合的無線能量傳輸系統(tǒng)具有近似全向性的特點。

能量傳輸障礙物影響驗證

在發(fā)射端與接收端之間加入一些非金屬障礙物，如書本、木頭等，觀察LED燈能否正常發(fā)光，并測量其最大傳輸距離是否受到影響。

可以觀察到，加入2厘米厚的木板后，LED燈依然可以正常發(fā)光，且最大傳輸距離仍然為35厘米，故加入的障礙物并未對系統(tǒng)的能量傳輸產(chǎn)生影響。因此，驗證了基于磁共振耦合的無線能量傳輸系統(tǒng)具有不受障礙物影響的特點。（責任編輯：白玉磊 責任校對：司明婧）