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无线充电实验.pdf

无线充电实验.pdf

上传者: tony 2011-05-09 评分1 评论0 下载106 收藏10 阅读量616 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《无线充电实验pdf》,可适用于电信技术领域,主题内容包含口口.总第期文/姜立中看到前面的报道你别以为自己拥有一个无线充电器还遥遥无期自己动手丰衣足食在市场上还没有出售无线充电器之前就先体会一下无线充电实验符等。

2口口8.04总第547期 文/姜立中 看到前面的报道,你别以为自己拥有一个无 线充电器还遥遥无期,自己动手,丰衣足食,在 市场上还没有出售无线充电器之前,就先体会一 下无线充电实验的乐趣吧! 无线电爱好者都可以利用自己手头的电子元 器件来搭建一个简易的无线充电器。下面介绍无 线充电的思路和解决方案。 无线充电器系统由电源电路,高频振荡电路, 高频功率放大电路,发射、接收线圈和高频整流 滤波电路5部分组成,如图1所示,最后给可充电电池充电。 下面分别介绍这几部分: 频率的选择 无线电力传输的原理并不复杂,从原理上,电能、磁能 随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播, 要产生电磁波首先要有电磁振荡,电磁波的频率越高其向 空间辐射能量强度就越大,电磁振荡的频率至少要高于 100kHz,才有足够的电磁辐射。 国产的无线供电发射模块 VOX06MP01的频率大于 200kHz,Powercast(电客)利用900MHz频段,还有10MHz 频段、2.45GHz频段的等。 限于手头的振荡晶体 ,我在无线充 电实验中的晶体振 荡器采用2MHz的石英晶体,在 无振荡晶体时用300kHz振荡电 路。 发射、接收线圈的选择 发射和接收线圈都采用直径 0.5ram左右的漆包线绕 12匝, 线圈直径约为 80ram。 图2 CD4069构成的晶体振荡电路 振荡电路的选择 1.用CMOS电路六反相器 CD4069的晶体振荡电路 CD4069构成的晶体振荡电路如图2所示,图2(a)中 用了CD4069的三个反相器,一个反相器产生振荡,二个反 相器作缓冲。 还有一种振荡电路如图2(b)所示,它与图2(a)的 不同在于石英晶体的接法,在使用中似比图2(a)的接法 更容易起振。 2.用高速CMOS电路四与非门74HC00的晶体振荡 电路 高速CMOS电路做的晶体振荡电路广泛应用于各种电 子电路中,它起振容易,特别在高频段。 74HC00构成的晶体振荡电路如图3所示,它有三种接 法,图3(a)是利用一个门电路构成的晶体振荡电路;图 3(b)是增加一级缓冲;图3(c)是振荡晶体跨接在两个 门电路的输入输出端。 3.多谐振荡器产生振荡 多谐振荡器产生振荡是最简单的电路,构成多谐振荡 器有多种办法 ,常见 的有用 CMOS门电路构成的多谐振荡 图3 74HC00构成的晶体振荡电路 毛l 维普资讯 http://www.cqvip.com vvvvvv.r8dio .corn .cn 图4多谐振荡器电路 器,电路简单而省电,但在实验过程中发现振荡幅度不够, 高频段更甚。 我们选用的是晶体管做的多谐振荡器,用晶体管做多 谐振荡器有两种电路: 第一种是集电极一基极耦合多谐振荡器 ,这种多谐振 荡器在低频段效果还可以,但在高频段就无法应用。因为集 电极一基极耦合多谐振荡器的输出上升沿差,为使输出幅 度稳定,两只晶体三极管工作在饱和状态,因而使电路的最 高工作频率受到限制。 第二种是发射极耦合多谐振荡器,它可以克服第一种 振荡器的缺点,两只晶体三极管工作在非饱和状态,提高了 三极管的开关速度,从而可以得到更高的振荡频率。耦合电 容接在发射极上,能改善输出波形。最后我们选用的晶体管 附表 高频整流二极管的主要参数 藿 黧 嚣爨 l FRl07 l000 l 500 l5 快恢复 :极管 2 FRl57 l000 1.5 500 30 快恢复二极管 3 UF4007 l000 l 75 l7 快恢复二极管 4 MBR1545 45 l5 <IOns 400 自特基二极管 5 MBR15100 70 l5 <lOns 200 特基二极管 6 MBR2 0l00 100 20 <l0ns 400 自特基二极管 7 lN5822 40 3 <lOns 190 自特基二极管 8 lN4148 75 150mA 4ns 4.0 硅高速开关::极管 9 lN1553 60 l50mA 8ns 3.0 硅高速开关二极管 l0 lNl555 30 l50mA 8ns 3.0 硅高速开关二极管 多谐振荡器是发射极耦 合多谐振荡器,亦称射 极耦合多谐振荡器 多谐振荡器电路如 图4所示。 高频功率放大电路 由于放大后的振荡 输出是用于能量功率, 而不是信号,波形的失 真并不重要,不但要有 足够的振幅,电路还要简单。这里选用功率场效应管电路和 达林顿管两种电路。 这两种电路仅一级功放就有一定的功率输出,限于手 头的电子元器件,功率场效应管选用IRF540N和BUZ76, 达林顿管选用TIP132和2SC4350。如手头没有上述晶体管, 也可模仿达林顿管内部电路搭建,第一级用中小功率管,第 二级用中大功率管,如用S8050和2SD882、S8050和 2SD652B等。各种电路如图5所示。 高频功率放大电路的负载是初级发射线圈L1,接在集 电极或漏极 (D)电路上。 二极管的选用 如果电源电路用次级为 12V的50Hz交流电源变压器, 可用普通整流二极管。次级接收线圈L2接收的电磁波是高 频电磁波,将高频交变电流整流为直流电流是不能用普通 整流二极管的,将普通整流二极管用于高频电路,不但效率 低下而且会迅速发热烧毁。影响高频整流效率的主要参数 是二极管的反向恢复时间t (Reverse Recovery Time)和 结电容 (junction capacitance),特别是反向恢复时间影响 最大。 附表列出了高频整流二极管的主要参数。 从整流二极管的性能来看,肖特基二极管 (Schottky Barrier Rectifiers)最显著的特点为反向恢复时间极短 (小 图5高频功率放大电路 于10ns),正向导通压降仅0.4V左右, 属一种低功耗、超高速半导体器件。 但它的反向耐压值较低,一般不超过 100V,因此适宜在低压、大电流情况 下工作。 UF4000、FRl00和FRl50系列 快恢复二极管中UF4000系列更适宜 选用。但我们发现应用极为广泛的硅 高速开关二极管 1N4148的反向恢复 时间比肖特基二极管还短,非常适合 于高频整流 ,其主要缺点是整流电流 维普资讯 http://www.cqvip.com 小。若做成桥式整流电 路 ,整 流 电流可 大于 200mA,在小电流的无线 充电实验中绰绰有余。 电源电路 整机的电源电路用 次级为 12V的交流电源 变压器供电。也可用输出 是 12V的开关电源供电。 如选用小巧的电子变压 器供电,可用输出是12V 的电子变压器,电子变压 器自制较困难,外购比较 方便,是为白炽射灯配套 巳口口B.口4总第547期 的,输出应选12V、50W 的规格,价格不超过 10元,但整 流二级管必需选用快恢复二极管,普通整流二极管不能用。 有人介绍可用电子镇流器或电子变压器来改装成无线 供电装置,我也试验过,但未成功,这可能是电子镇流器的 开关频率仅20kHz-60kHz,向空间辐射的电磁波能量太小 所致。如想改装成功,首先要提高振荡频率,可用555等电 路作他激式半桥逆变电路,来得到无线功率输出。 无线充电电路 将上述振荡电路、高频功率放大电路和电源电路配上 发射、接收线圈就可构成无线充电电路。 不同的振荡电路和高频功率放大电路加以组合就有了 以下各种电路: 1.CD4069的晶体振荡电路和功率场效应管组成的无线 充电电路 无线充电实验开始时搭建的电路如图6所示,CD4000 图 7无线充电器 2 毒 系列的CMOS电路的极限电压是 18V,不稳的交流 12V电 压整流滤波后的空载电压可能会超过 18V,所以,CD4069 的电源电压另用稳压二极管提供。CMOS电路所有不用的 输入端应接上适当的逻辑电平 (Vdd或Vss),不得悬空,否 则电路的工作状态将不确定,并且会增加电路的功耗。因 此,CD4069的不用的输入端通过R5接到电源端。 晶体振荡接成单门振荡器,振荡输出经二级缓冲后送 到功率场效应管的栅极G,开始为保护场效应管,在场效应 管的栅极电路上设置偏压和泄漏电路,后来,看到电路能稳 定工作,在图7中就放松警惕,把场效应管栅极上的其它元 件都取消了。CD4069的电源也可由三端稳压集成电路7805 提供。图7中晶体振荡器改变了接法,跨接在两个门电路之 间,改变了接法就会有不同的效果。 实验开始时,为了能直接看到效果,在接收线圈L2的 输出端接上整流二极管和滤波电容,整流后的直流电流仅 图6无线充电器 1 点亮发光二极管,见图6,只要能看到发 光二极管发光,就知道实验有了眉目。 振荡电路和高频功率放大电路都能工作, 下一步就要了解能输出多少功率,在接 收线圈L2的输出端上接图7中 (2)的 输出电路,使输出电路能点亮更多的发 光二极管,然后再接上图7中 (3)的充 电电路,再在充电电路中串接电流表测 定I2,了解充电情况,同时在电源供应 端串接电流表测定I1,以了解充电时电 路的效率,也可及时防止功率场效应管 过流过热现象。 本文所提供的元器件数据仅是多次 实验中效果较好的数据,在不同的外界 毛 电I 维普资讯 http://www.cqvip.com i VV'VVVV.r,8dio.COrn .cn 条件下,会有所不同,一 定要反复实验比较,以得 到最好的结果。 影响实验效果的因素 有振荡电路的类型,振荡 输出波形,振荡电路的输 出和高频功率放大电路的 耦合电路,高频功率放大 电路的谐振电容大小,发 射、接收线圈的耦合程度 等。 2.CD4069的晶体振 荡电路和达林顿管组成的 无线充电电路 图8无线充电器3 这种充电电路图如图8所示。 采用CMOS电路的晶体振荡电路可直 接驱动达林顿管带动 负载 ,达林顿管 (Darlington)就是两个三极管接在一起,极 性只认前面的三极管。用法跟三极管一样, 放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。 晶体振荡电路与图7相同,其他实验步 骤也与图6、图7的电路图中的一样,只是 晶体振荡输出与达林顿管的基极之问用电容 耦合,如直接耦合会使功率放大电路的直流 功耗增大,电容大小的选择,以电源供应电 流n小,而充电电流 大为准。 :田 电 图9无线充电器 4 图 10无线充电器5 维普资讯 http://www.cqvip.com 巳口口日 .口4总第547期 在由达林顿管组成的功率放大电路中,随着达林顿管 温度的升高,集电极的电流将急剧增加,以至烧毁达林顿 管,所以在达林顿管的发射极上要接上限流电阻,而功率场 效应管的通态电阻具有正温度系数,所以在源极 (S)电路 图12 图 13 一 般不用接限流电阻。 3.高速CMOS电路741000 的晶体振荡电路和功率场效应管 组成的无线充电电路 按图3所示的高速CMOS电路 74HC00构成的晶体振荡电路与功 率场效应管组成无线充电电路有 三种,如图9、图10和图11。它们 各有相同之处也有不同之处,如 晶体振荡电路的接法、耦合电路 和谐振电容,这些都可不断调整 完善。 在我的实验中,高速CMOS电 路74HC00构成的晶体振荡电路与达林顿管的配合效果并不 好,这里就不列出电路了。 图12为图7中的 (2)的实际装配板,电源电流为48mA 时,接收线圈耦合得到的高频电压整流滤波后直流电压5V, 点亮三只发光二极管。图13为图7(2)电路特写。图14为 图7(3)电源电流I1为62mA,3.7V锂电池充电电流I2为 60mA的实际电路。 4.0D4069的晶体振荡电路和模拟达林顿管组成的无线 充电电路 如手头没有现成的达林顿管,也可模仿达林顿管内部 电路搭建模拟达林顿管。在图15所示电路中,用$8050和 2SD882两只三极管模仿达林顿管内部电路搭建的电路也能 正常工作。读者可以根据自己手头现有的三极管来搭建,除 了要注意三极管的极性外,达林顿管的前级要用中小功率 管,后级用中大功率管,晶体振荡电路还用 CMOS电路 CD4069。 5.射极耦合多谐振荡器和达林顿管组成的无线充电电路 图14 毛 也J田 维普资讯 http://www.cqvip.com 、^ Ⅳ^W .1"8dio.corn .cn 图15无线充电器7 有许多电子爱好者初学电子技术,手头既没有石英振 荡晶体,又没有集成电路,能否做无线充电的实验呢?回答 是肯定的。 在图16中我们选用的晶体管发射极耦合多谐振荡器和 达林顿管组成无线充电电路,发射极耦合多谐振荡器用两 个小功率三极管组成,按图l6中的元器件数据,振荡频率 约为350kHz,改变电容器C2的大小可 改变振荡频率,C2为560pF时,振荡频 率约为300kHz。虽然继续减小 C2可增 加振荡频率,如C2为82pF时,振荡频 率约为2MHz,但用示波器观察,输出波 形的振幅将大大减小不利直接推动达林 顿管,继续实验时,可以再增加一级放 大来推动末级。 图16中的多谐振荡器没有采用稳压 电源,电源电压的波动虽然对振荡频率 的稳定会产生影响,但无线充电电路对 频率的精确度要求不高,所以就采用最 简单的电路接法。 图16(a)和图16(b)分别接不同 型号的达林顿管,但不同型号的达林顿 管耦合电路和谐振电容也要改变以得到 最大功率输出。 6.射极耦合多谐振荡器和模拟达林 顿管组成的无线充电电路 图17所示的电路是所有无线充电实 验中最为简单的电路,所用元器件也容 易得到,仅最后一级功率放大三极管的 田 l电 耗散功率要大些,其他都 是最普通的元器件。图18 是电源电流I1为61.8mA 时,3.7V锂电池充电电 流I2为50mA的充电电 路。 充电电流的变化 充电电流的变化与 前面提到的影响实验效 果的因素如振荡电路的 类型,振荡输出波形,振 荡电路的输出和高频功 率放大电路的耦合电路, 高频功率放大电路的谐 振电容大小,发射,接收 线圈的耦合程度有关。要增加充电电流,就要在这许多方面 反复实验,有条件的实验者可用示波器观察和测定振荡输 出波形和频率,有时电源电流很大而充电电流很小,主要有 两个原因:一是驱动信号的直流成分太多,直流功耗比例 大,可用电容器隔离;二是输出波形变差,谐波成分多,转 换效率低,可以从改变振荡电路的类型、改变振荡电路元件 图 16无线充电器 8 维普资讯 http://www.cqvip.com 巳口口8 .口4总第547期 文/魏坤 王卫洁 笔者在做2007年大学生电子设计竞赛的本科 组B题 (见文末)时,需要用无线的方式将电能 进行无线传输。当做出这个电路的时候,觉得这 个电路稍加改进便可以作为无线充电器使用,给 一 些不能有电路接口的设备充电,比如防水手电 筒,防水剃须刀等。 在做竞赛时因为这个电路还要进行ASK调 制。但作为一个充电器用就不需要ASK的调制电 路,所以将这个电路简化为图 1所示。市电经过 变压器变压后得到15V交流电压,进行整流滤波 后得到的电压约为21V的直流电压,作为主供电 电压。进行能量传输的电磁场的频率为1MHz,由 L2 12u 发射电路 1SS14 接收电路 3 6V GB 一 块1MHz的有源晶体模块产生,晶体模块用LM3 1 7将2 1V 电压进行稳压后得到5V电压为其供电,从晶体模块输出的 图1电路原理图 1MHz信号电压可以达到4.8Vpp,所以直接用来推动功率 场效应管IRF630进行谐振放大。电感Ll与电容C1的谐振 图17无线充电器9 参数、改变高频功率放大电路的谐振电容大小等方面来考 虑。我们这里介绍的电路并不是很完善,只以简单、易学为 主,如多谐振荡器本身以谐波成分多而著称,转换效率不会 很高,但实验效果还是很明显的。 上述无线充电电路的功率放大三极管在使用中都要加 散热器,以免过热。 无线充电实验的改进 1.提高无线充电效率:精选振荡电路和各级放大电路, 筛选各电路的元器件,减小波形失真。 2.进一步简化电路 不用电源变压器,用电子镇流器或 电子变压器来改装成无线供电装置的实验还可再继续。 3.提高工作频率,减少电磁辐射对人体的影响:提高工 作频率,说起来简单,但实现还会遇到许多困难 ,如 Powercast(电客)利用900MHz频段,器件和电路设计就 不是普通爱好者能胜任的。 以上是我在做了数十个无线充电实验以后的一些粗浅 体会,希望能起到抛砖引玉的作用,大家都动动手,完善无 线充电功能,使无线电力传输能更快地普及。圆 维普资讯 http://www.cqvip.com

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