可傳輸音頻信號(hào)的簡易無線充電器設(shè)計(jì)

文旭東　彭華雨　任重偉　張建軍石河子大學(xué)理學(xué)院物理系

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可傳輸音頻信號(hào)的簡易無線充電器設(shè)計(jì)

文旭東彭華雨任重偉張建軍
石河子大學(xué)理學(xué)院物理系

無線充電技術(shù)是近年新出現(xiàn)的一種充電方式，其極大的方便性在很多方面有重要的應(yīng)用，所以擴(kuò)展無線充電器的應(yīng)用功能必不可少。基于電磁耦合共振原理設(shè)計(jì)一種充電過程中可同時(shí)進(jìn)行音頻信號(hào)傳輸 的無線充電裝置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、能量同時(shí)傳遞的多功能化。針對(duì)無線充電器的電磁場分布和發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，從工作原理到電路逐步分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此裝置的可行性，為無線充電器的發(fā)展提供一種可行的方案。

無線充電 電磁共振 多功能 信號(hào)傳輸

早在1836年美國科學(xué)家尼古拉·特斯拉發(fā)明了基于電磁耦合共振原理的特斯拉線圈，并利用這種裝置發(fā)射高能電磁波，進(jìn)行能量傳輸實(shí)驗(yàn)。自此無線輸電的概念一直在不時(shí)被提起，諸多科學(xué)家嘗試了多種不同的方法，但一直未能解決能量傳輸過程中的效率過低問題，直到2007年，由MIT的科學(xué)家在電能無線傳輸原理上有了突破性進(jìn)展，他們利用電磁 諧振原理實(shí)現(xiàn)了中距離的電能無線傳輸，在2m多距離內(nèi)將一個(gè)60W的燈泡點(diǎn)亮，且傳輸效率達(dá)到40% 左右。隨后的幾年里，科學(xué)界開始在基于這個(gè)原理的基礎(chǔ)上不斷改良設(shè)計(jì)方案，并成功的提高了傳輸 電磁轉(zhuǎn)換效率。

隨著轉(zhuǎn)換效率的提高，這項(xiàng)技術(shù)逐漸走進(jìn)電子產(chǎn)品中。手機(jī)、電視、電腦等諸多電子電子產(chǎn)品都開始設(shè)計(jì)并使用同一標(biāo)準(zhǔn)的無線充電技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的普及逐漸與無線信號(hào)wi f i有了同等重要的地位。然而這項(xiàng)技術(shù)仍存在一些技術(shù)難題尚未解決，例如目前充電距離短、功率小、充電數(shù)量有限等，不過使用前景非常明朗。在對(duì)現(xiàn)有的無線wi fi和無線充電 技術(shù)進(jìn)行比較分析后，認(rèn)為可以融合兩者優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)短距離的信號(hào)覆蓋及能量傳輸，本文基于這種思路，設(shè)計(jì)了一種基于電磁耦合共振原理，實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸音頻信號(hào)和電磁能量的實(shí)驗(yàn)方設(shè)計(jì)，提供這種方案的可行性。

1　發(fā)射線圈的模型分析

基于亥姆霍茲模型分析線圈軸線磁場分布

此諧振無線輸電裝置包含兩個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)，線圈由多匝漆包線繞成，在電路中充當(dāng)電感。其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量源相連，利用RLC簡諧振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流，通過發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，由于大部分能量由磁場攜帶，可近似看成在周圍形成一定范圍非輻射磁場.接收線圈在磁場變化作用下將磁場的能量轉(zhuǎn)換成電場；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，此時(shí)兩線圈處在諧振狀態(tài)，接收電路中產(chǎn)生的電流最強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。由此看出發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場的分布關(guān)系可以反映在一定距離內(nèi)能量輸送的效率關(guān)系，所以由電流環(huán)與磁偶極子的等效性可到線圈產(chǎn)生磁場的空間分布。

由（1）式可知磁場強(qiáng)度隨距離的增加而減弱，并由 （2）和（3）所顯示磁場密度和磁場能量與磁場強(qiáng)度之 間的正比關(guān)系，知磁場的能量和密度同樣隨距離增 大而減弱。由于發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場使接收線圈振動(dòng) 產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而接收線圈也產(chǎn)生一個(gè)同頻率的交 變磁場，在兩個(gè)磁場的共同作用下，發(fā)射線圈與接 收線圈之間形成了一種非輻射磁場，將電能轉(zhuǎn)換成 磁場。處在諧振工作狀態(tài)下的接收端在磁場中接收能 量，從而完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，運(yùn)用赫姆霍茲線 圈原理，設(shè)在理想條件下，兩線圈在間距d范圍內(nèi)工 作在共振狀態(tài)下，此時(shí)的輸電效率為100%，所以兩 線圈之間電流均為I，線圈半徑為R，間距為a（a≤R）， 見圖1不同距離磁場分布。

式中表示一線圈圓心場點(diǎn)到某一場點(diǎn)P 的距離平方，R表示線圈半徑。令p坐標(biāo)為（x，0），則 o2p距離為x-a/2，o1p的距離為x+a/2，由（4）式可計(jì) 算出兩線圈之間和磁場的分布曲線，當(dāng)x=0時(shí)，說明在o處有極值，當(dāng)o1、o2之間距離增大 時(shí)，在中點(diǎn)產(chǎn)生的磁場減弱，在o1、o2之間間距減小時(shí)，中點(diǎn)o處的磁場增強(qiáng)，可見只要距離a在合適范圍內(nèi)，o點(diǎn)附近的磁場是均勻的，所以x=0是中點(diǎn)o處磁場均勻的條件，所以兩線圈中軸上產(chǎn)生的磁感 應(yīng)強(qiáng)度的大小為B=B1+B2。

令x=0，所以間距a=R的情況為o點(diǎn)磁 場均勻條件，當(dāng)a≥R時(shí)，o點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，傳輸效率開始減低。反之，o點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，傳輸效率增加。由于磁場集中分布于兩個(gè)平面線圈形成的柱形空間體內(nèi)部，一方面能量集中分布，即實(shí)現(xiàn)近場能量耦合，漏磁小，根據(jù)能量守恒定律，磁能轉(zhuǎn)化為電能，損失小，從而提高電磁轉(zhuǎn)換效率；另一方面降低電磁噪聲，減少了電磁輻射。

1.1低頻電磁場分布

由于發(fā)射天線及接接收天線采用線圈發(fā)射，所以采用磁偶極子模型進(jìn)行分析。當(dāng)交流電流分布給定時(shí)，可通過推遲計(jì)算輻射場。

因此借用磁偶極子模型可以很好地展示出電磁 場的分布特征，以及通過對(duì)比磁偶極和電偶極輻射功率的數(shù)量級(jí)，得知磁偶極輻射比電偶極小（a/λ）2數(shù)量級(jí)，因此線圈的輻射能力比天線的輻射能力低。 綜合分析上述兩種模型，線圈天線輻射場穩(wěn)定，發(fā)散性小，兩線圈在局域空間中能量傳播均勻，適合近距離范圍進(jìn)行能量傳輸。由于線圈天線的輻射能力低，導(dǎo)致傳輸距離有限，但比較起基于電偶極模型的天線，可以避免能量過多散發(fā)在空間中，所以 采用線圈天線是一種短距離傳輸能量的可行方案。

1.2電路的主要設(shè)計(jì)

發(fā)射電路具有兩種功能，其一是產(chǎn)生交變電流由天線激發(fā)電磁場向外傳播能量，其二是通過外部接入的音頻信號(hào)通過改變方波控制信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。

2.1有外接信號(hào)時(shí)振蕩電路

信號(hào)電路輸入端可輸入方波音頻信號(hào)，借助運(yùn)算放大器提升電壓增益，并通過三極管開關(guān)電路輸入至由NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，外來信號(hào)觸發(fā) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整形及輸出脈沖信號(hào)。 LM741是應(yīng)用廣泛的通用型運(yùn)算放大器，兩級(jí)放大便可以達(dá)到較高的電壓增益和很寬的共模和差模輸入電壓范圍。其電路含內(nèi)部補(bǔ)償，所以不容易自激，工作點(diǎn)穩(wěn)定，電路工作環(huán)境適合，所以適用于此電路中。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在外來脈沖的作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)。在暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時(shí)間后，將自動(dòng)返回到穩(wěn)定狀態(tài)，其中暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間便是輸出脈寬。 對(duì)于輸出信號(hào)的脈沖寬度。

2.2無外接信號(hào)接入時(shí)的振蕩電路

振蕩電路利用555定時(shí)器構(gòu)成簡單的多諧振蕩電路，此振蕩電路是一種自激振蕩電路，電路在接通電源后，無需外加相關(guān)觸發(fā)信號(hào)，便能輸出一定頻率和脈寬的矩形信號(hào)，其振蕩器只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路的組成參見多諧振蕩電路。

2.3驅(qū)動(dòng)電路

信號(hào)電路輸出的脈沖信號(hào)還達(dá)不到使全橋MOS 管正常啟動(dòng)的要求，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。此驅(qū)動(dòng)電路與PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方法相同。電路采用TL494 集成電路，其是一款固定頻率的脈沖調(diào)制電路，包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能。電路當(dāng)中20k的可調(diào)電阻用來調(diào)節(jié)頻率，10k電阻來調(diào)節(jié)電壓幅值，在不接音頻信號(hào)時(shí)可以做一款普通的驅(qū)動(dòng)器。R1，R9 是9、10腳的下拉電阻。

2.4功率電路

功率電路是整個(gè)無線充電裝置發(fā)射端的功率輸出部分，它的性能將直接影響到裝置的輸出功率。由于信號(hào)輸入及驅(qū)動(dòng)電路都是基于數(shù)字方波信號(hào)控制，所以采用移相PWM全橋電路作為功率 輸出電路。移相PWM全橋電路工作時(shí)，功率MoS管的變壓器的漏電感L，*和輸出結(jié)電容C（i=4，5，6，7）作為諧振元件，在一個(gè)完整的開關(guān)周期中通過諧振使全橋變換器中的四個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，并在電容 C作用下零電壓關(guān)斷，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管180度 互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)相位。通過調(diào)節(jié)此移相角的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，最終輸出占空比q可調(diào)的正負(fù)半周對(duì)稱的交流方波電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。

3　實(shí)驗(yàn)分析

搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器提供脈沖信號(hào)，直流穩(wěn)定電源為電路板提供電壓，示波器測量相關(guān)波形及電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)電路的發(fā)射線圈、接收線圈采用1mm直徑漆包線繞制，無縫隙單層繞制5 圈，與諧振電容構(gòu)成LC振蕩電路，其中線圈、電容參數(shù)： 發(fā)射線圈電感L1：0。08mH，發(fā)射電路電容 C1：0。57uf。 接收線圈電容L2：0。012mH，接收電路電容C2： 0。57uf。

3.1信號(hào)變化對(duì)接收效率的影響

實(shí)驗(yàn)接收電路是諧振頻率為88KHZ的L、C組成的諧振電路，將信號(hào)頻率控制在88KHZ輸入電路，改變輸入矩形波信號(hào)的占空比，模擬信號(hào)變化狀態(tài)，記錄接收波形及電壓幅值，分析占空比對(duì)接受效率的影響。發(fā)射線圈電壓：0。151V 1V 因?yàn)長C構(gòu)成的發(fā)射、接收線圈固有頻率為89KHZ，在間距不變條件下，微小改變發(fā)射頻率，通過示波器顯示接收線圈感應(yīng)電壓最大在發(fā)射頻率為90KHZ時(shí)，說明兩線圈計(jì)算出的固有頻率存在一定誤差，當(dāng)發(fā)射90KHZ的脈沖矩形波時(shí)，調(diào)整占空比發(fā)生變化，相應(yīng)的感應(yīng)電壓發(fā)生變化。從接收電壓幅值變化規(guī)律可以得出接收到的信號(hào)頻率發(fā)生變化，信號(hào)頻率與兩線圈固有頻率存在差異，導(dǎo)致兩線圈 沒有形成共振。

3.2距離與效率的關(guān)系

因?yàn)橄嚓P(guān)涉及變量過多，采用控制變量法進(jìn)行測定。設(shè)定發(fā)射功率、發(fā)射頻率、發(fā)射線圈位置、發(fā)射線圈兩端電壓條件不變，改變接收線圈與發(fā)射線圈之間的距離。其中，實(shí)驗(yàn)通過20V、10A的電源及功率電路為實(shí)驗(yàn)電路提供20V穩(wěn)壓的工作環(huán)境，發(fā)射頻率固定在90KHZ，占空比q=50%。固定發(fā)射端位置，使接收電路距接收線圈由近至遠(yuǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測量，實(shí)驗(yàn)中通過測量發(fā)射電路輸入電壓V1、電流A1以及接收線圈產(chǎn)生的接收電壓V2、電流A2，分析其在一定距離的傳遞效率，并通過對(duì)不同位置的測定，了解距離D與功率的關(guān)系。

從數(shù)據(jù)可以看出效率與傳輸距離之間的關(guān)系整體成比例下降關(guān)系，其中在兩線圈距離8cm左右出現(xiàn)波峰是由于間距2~8cm時(shí)，兩線圈內(nèi)部電流較大，可以看做挨得很近的電感，兩電感之間的相互作用，導(dǎo)致感應(yīng)電壓小于理論值，當(dāng)兩線圈距離大于7。2cm 時(shí)，電感作用開始減弱，在8cm左右減小為0，此時(shí)感應(yīng)電壓趨近理論值。整體符合理論效率與距離之間的變化關(guān)系。

4　總結(jié)

隨著無線充電技術(shù)的成熟，無線充電技術(shù)開始慢慢走近我們的生活，將使我們的生活變得更加便捷。本文所設(shè)計(jì)作品目的將信號(hào)傳輸與能量傳輸兩種概念進(jìn)行合并，設(shè)計(jì)一款多功能的無線充電裝置，其即可發(fā)射能量，也可發(fā)射信號(hào)。此設(shè)計(jì)借助低頻信號(hào)周期長，脈沖寬度大的特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無中繼線圈條件下15cm范圍的能量及信號(hào)輸送。但由于采用PWM控制方式，占空比的變化導(dǎo)致傳輸效率的變化，所以進(jìn)行此種信號(hào)傳遞方式時(shí)，占空比的跨度不可過大，否則容易導(dǎo)致效率過低。此技術(shù)可應(yīng)用在電力交通方向的無線充電領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收兩方之間的信號(hào)交流，同時(shí)根據(jù)信號(hào)之間交流的結(jié)果，達(dá)到對(duì)能量傳遞的控制。隨著對(duì)裝置的改進(jìn)，進(jìn)一步提高傳輸效率，提高輸電功率，增加傳輸距離將是日后在此作品主要的研究方向。

［1］ 傅文珍，張波，丘東元，王偉.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（18）

［2］ 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.113-114.

［3］王曉靜.基于RFID技術(shù)的無線充電系統(tǒng)研究［D］北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文20080220.

［4］郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué)（第三版）［M］.北京高等教育出版社，2008：163-165，169-171.

［5］劉金華.數(shù)字電子技術(shù)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2010：247-249，253-254.

［6］李琪.PWM全橋軟開關(guān)直流變換器的研究［D］ 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2006，2.

［7］曾翔.基于磁耦合共振的無線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科 學(xué)版），2010，23（5）.

［8］張波，張青.兩個(gè)負(fù)載接收線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)特性分析［J］華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（1O）.

［9］ 羅斌，生茂棠，吳仕闖，張鳴.磁諧振耦合式單中繼線圈無線功率接力傳輸系統(tǒng)的建模與分析［J］中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（21）

［10］ 顧小剛.小功率無線充電器的研制［D］蘇州大學(xué)，2012.