1、第 1 页三、设计报告正文1、前言无线电能传输装置经过长时间的发展，从 1893 年:特斯拉(NikolaTesla)在芝加哥的哥伦比亚世界博览会展示了他的无线传输的荧光照明灯。到现在的多功能家用电器无线供电膜片，日本东京大学产学研国际中心的樱井贵康教授主持开发出一种家用电器无线供电方式,用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电该特制塑料膜上面印刷有半导体感应线圈,厚度约 1mm、面积约 20cm2、重约 50g,可以贴在桌子、地板、墙壁上,可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。使用前家用电器需要装上可接收电能的感应线圈,然后放到相应位置即可得到无线供电。这都是
2、无线电能传输用途，可以看出无线电能的传输在生活中的应用。本设计就是用来实验无线电能传输的。2、总体方案设计现有的方案有：（1） （2） （3）（1）方案一的驱动电路是由 NE555 构成的多谐振荡器组成，频率最高可达 1MHz，发射，接收线圈采用的等匝双线圈，利用电流谐振来传输电能，接收部分采用的半桥式整流电路，半桥式的效率并不是太高。NE555 驱动电路发射线圈单片机驱动电路 MOS 管驱动电路发射线圈 发射线圈接收线圈 接收线圈 接收电路半桥式整流电路 桥式整流电路 桥式整流电路第 2 页（2）方案二驱动电路用单片机控制电流的开断来实现电流的震荡，接收部分采用的桥式整流电路，用单片机来驱动
3、需要有一定的单片机知识，要会编写程序语言，对队员的要求较高。（3）方案三采用 MOS 管多谐振荡器产生正弦电流，经过线圈传输到接收部分，经过桥式整流电路变成直流电，MOS 管产生的频率比较高，传输效率比较高。所以，由于能力和实际的操作的原因，最后选定方案一。3、单元模块设计：3.1 驱动模块发射电路主要由 NE555 多谐振荡器电路、驱动芯片 IRF540 等组成。其电路如图所示：NE555 组成的多谐振荡器电路为系统提供所需要的震荡波形。NE555 功能强大，其各个引脚功能如下：第 3 页Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点 ) -这个
4、脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于 2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。Pin 3 (输出 ) -当时间周期开始 555 的输出脚位，移至比电源电压少 1.7 伏的高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制 ) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6
5、重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 VCC电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。Pin 7 (放电 ) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 ON 时为LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是 555 个计时器 IC 的正电源电压端。供应电压的范围是 +4.5 伏特(最小值)至+16 伏特(最大值)。3.2 发射接收线圈发射接收线圈采用谐振原理，来发射和接收电能，主要由电容和谐振线圈组成，谐振频率是发射和接收线圈的关键，一个合适的频率，效果也会更好，其次就是品质因数，品质因数越高效果越好
6、。电路图如图所示：第 4 页3.3 整流电路整流电路主要由半桥式整流电路组成和滤波部分部分，通过二极管输入正的电压，电压还是在震荡，通过电容滤波来实现直流电，给 LED 供电，电路图如图:3.4 参数计算发射线圈选用高品质因数的铜线绕城的，这部分电路我们采用改变滑动变阻器来改变谐振频率从而达到发射功率最大。线圈的点感知大小可通过下面的公式计算：L=(N2)Ru0ln(8R/a)-1.75式中:N线圈匝数；U0真空磁导率；R线圈半径；A线圈导线半径；第 5 页谐振电路的固有频率计算公式为：F= LC214、系统调试：调试方法：通过改变滑动变阻器改变频率，使频率达到最合适的大小。负载用滑动变阻器来
7、测量，改变负载的阻值，使在 10cm 处达到 8V0.5A。负载接为 LED 灯时，通过前后移动改变距离，观察小灯泡亮灭。调试内容:(1) ne555 波形(2) 频率第 6 页5、系统功能、指标参数5.1 实现功能实现了距离 10cm 处电压=8V，电流接近 0.5A，LED 灯最远距离 30cm 依然能亮。5.2 测试方法（1）测试线圈间距 10cm 时的传输效率：负载采用可变电阻，保持发射线圈与接收线圈间距离 x =10cm、输入直流电压 U1=15V 时，测量输入、输出电流 I1、I2，以及输出电压U2，计算效率 =U2I2/U1I1 *100（2）测试点亮 LED 灯的最大距离：输入
8、直流电压 U1=15V，输入直流电流不大于 1A，接收端负载为 2 只串联 LED 灯（白色、1W） 。找到 LED 灯熄灭的临界点，用直尺测量出最大距离 x。5.3 实验数据输入电压 输入电流 输出电压 输出电流 效率 距离15V 0.62A 13.63V 0.096A 14 28cm15V 0.54A 14.52V 0.085A 15 27cm15V 0.67A 16.25V 0.064A 9 32cm经分析可得效率大约为 12，输出电流远没有达到设计要求 0.5A，电压达到了设计要求，传输距离也超过了 10cm，大致完成了题目的要求。6、设计总结通过我们的努力，设计的作品终于做完，完成了
9、大部分的要求。在这次设计中主要是线圈的计算和驱动部分的调节比较困难，花费了很多的时间，经过我们的不断努力才有所改善。设计中还存在着很多的问题，有线圈的材质，很可能影响传输效率，采用了半桥式整流电路使效率变的很低。改进方案有：改变线圈的匝数，使传输效率增大。可以试着将半桥式电路改为全桥式电路，来减少电路中的损耗，达到提高效率的目的。第 7 页四、 参考文献1邱关源 ，电路，北京：高等教育出版社 ， 2006：152-186；2康华光 ，电子技术基础模拟部分，北京：高等教育出版社，2008；3陈秉乾、王稼军，电磁学，北京：北京大学出版社，2012：292-300五、 附件1 总电路图第 8 页2、原件清单序号 名称 数量1 可调 NE555 模块 12 1k 电阻 13 10k 电阻 14 103 瓷片电容 25 470uF 电解电容 16 1000uF 电解电容 17 4700uF 电解电容 38 473 瓷片电容 19 104 棕色电容 210 104 瓷片电容 211 铜线 若干12 整流二极管 4007 113 IRF540 114 10uf 电解电容 115 万能板 216 夹子 617 排针 若干18 1W 白色 LED 219 散热片 13、实物图第 9 页第 10 页
