微距條件下的無線傳能的實現(xiàn)

1 引言

　　無線通信傳送的都是微弱的信息,而不是功率較大的/能量。因此許多使用極為方便的便攜式的移動產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個性化
的線纜使得不同產(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴,移動終端設(shè)備就可以獲得真正的自由。也易于實現(xiàn)密封和防水。這個目標必須要求能量也像信息一樣實現(xiàn)無線傳輸。

　　能量的傳送和信號的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送的想法早已有之，但因為一直無法突破效率這個瓶頸，使它一直不能進入實用領(lǐng)域。

　　目前，這個瓶頸仍然沒有實質(zhì)性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴格要求(不跟無線通信比)，比如在數(shù)cm(本文稱微距)的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡單的設(shè)備實現(xiàn)微距條件下的無線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用，當今社會隨處可見的移動電子設(shè)備將有可能面臨一次新的變革。

　　2 工作原理

　　將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現(xiàn)電能的無線饋送?；痉桨溉鐖D1所示。

　　本無線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。

　　2.1 電能發(fā)送部分

　　如圖2,無線電能發(fā)送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流(如汽車電源)，由繼電器J選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流(電池BT1)連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

　　圖2無線電能發(fā)送單元電路圖

　　無線充電模塊

　　當有交流供電時，整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合，發(fā)送電路單元便工作于交流供電方式，此時直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開，同時LED1(綠色)發(fā)光顯示這一狀態(tài)。

　　經(jīng)繼電器J選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線圈L1供電，此外，經(jīng)IC1(78L12)降壓后為集成電路IC2供電，為保證J的動作不影響發(fā)送電路的穩(wěn)定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。

　　電能的無線傳送實際上是通過發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現(xiàn)的，這里L1與L2構(gòu)成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實驗選擇1.6MHz較為合適。

　　IC1為CMOS六非門CD4069,這里只用了三個非門，由F1,F2構(gòu)成方波振蕩器，產(chǎn)生約1.6MHz的方波，經(jīng)F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關(guān)狀態(tài)(丁類)，以保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致?？蓪4定為100pF,R1待調(diào)。為此將R1暫定為3K,并串入可調(diào)電阻RP1。在諧振狀態(tài)，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。

　　由此可見，這一部分實際上是個變頻器，它將50Hz的正弦轉(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。

　　2.2 電能接收與充電控制部分

　　正常情況下，接收線圈L2與發(fā)射線圈L1相距不過幾cm,且接近同軸，此時可獲得較高的傳輸效率。

　　電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。

　　L2感應(yīng)得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V(空載)。經(jīng)橋式整流(由4只1N4148高頻開關(guān)二極管構(gòu)成)和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。

　　由R4,RP2和TL431構(gòu)成精密參考電壓4.15V(鋰離子電池的充電終止電壓)經(jīng)R12接到運放IC的同相輸入端3。當IC2的反相輸入端2低于4.15V時(充電過程中)，IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩(wěn)定電壓(LED的正向?qū)ň哂蟹€(wěn)壓特性)，Q5與R6、R7便據(jù)此構(gòu)成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。

　　圖3無線電能接收器電路圖

　　當電池充滿(略大于4.15V)時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導通，點亮LED3作為充滿狀態(tài)指示。

　　兩種充電模式由R6、R7決定。這個非序列值可以在E24序列電阻的標稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。

　　如果作為產(chǎn)品設(shè)計，這部分電路應(yīng)當盡可能微型化(電流表電壓表只是在實驗品中調(diào)試時用，產(chǎn)品中不需要)，最好成為電池的附屬電路。