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无线能量传输

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    关于无线能量传输的效率,距离,影响因素等

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     摘要 随着电子产品的快速发展,越来越多的电源连接线开始困扰人们的生活,为改善传统导线电路电能传输的弊端,给出了一种基于近距离无线电能传输原理的传输系统,而电磁谐振耦合无线电能传输技术正可以很好解决对距离有较高要求的这类问题。 本设计主要包括发射模块、传输模块和接收模块三大部分。首先由有源晶振产生1MHZ的方波,通过驱动IR2110及MOS管提高了交流信号,加强后的信号源经发送线圈通过磁耦合谐振感应到接收线圈,再经过半波整流和滤波后得到稳定直流电压,带动负载工作,即实现了无线电能的传输。在本实验中,我们采用单片机STC89C52控制液晶屏LC1602来显示负载短的的实时电压和电流值。 关键字:无线电能 有源晶振 驱动电路 谐振 半波整流 Abstract In this paper, With the rapid development of electronic products, more and more power cables on people's lives, to improve the disadvantages of traditional power transmission conductor circuit, presents a transmission system based on can close radio transmission principle, and the electromagnetic resonance coupling can radio transmission technology is very good to solve this kind of problem have higher request for the distance. This design mainly includes the transmitting module, transmission module and receiving module three parts. First 1 MHZ square wave generated by the active crystals, driven by IR2110 and MOS tube improve the signal communication, strengthen the signal source approved by the sending coil magnetic coupling resonant induction to the receiving coil, and after a half-wave rectifier and filter get steady dc voltage, drive the work load, which can realize the radio transmission. In this experiment, we adopt LC1602 STC89C52 MCU LCD screen to display the real-time voltage and current value of load short. Key words: radio can active vibration crystal driver circuit resonance half-wave rectifier 目 录 一 方案分析与论证 4 1.1 系统分析 4 1.2方案的论证 4 (1)信号源发生电路 5 方案一 NE555振荡电路,电路复杂,产生的频率较小。 5 方案二 1MHZ有源晶振,电路简单,频率较大能够满足实验要求的电磁谐振耦合距离。 5 二 原理分析计算与电路的设计 6 2.1信号源的产生电路 6 2.2 降压电路 7 2.3 驱动电路 7 2.4 功率放大电路 7 2.5 传输模块 9 谐振耦合无线电能传输系统示意图如图所示,能量传输系统包括发射端和接受端,发射端和接受端谐振频率一致。发射端与功率放大电路连接,接收端与整流滤波电路连接。 9 2.6接收模块 10 三 软件设计 11 四 实际测量 13 五 总结 14 一 方案分析与论证 1.1 系统分析 本课题是基于电磁感应设计无线电能传输装置,该装置是一种近距离 无线电能传输系统,采用磁耦合谐振式无线电能传输。本系统可以分为发射、传输和接收三大模块,整体框图如图1所示。 图1 系统结构框图 其中发送模块由信号产生电路、驱动电路和功率放大电路组成。传输 模块由发送线圈、接受线圈组成,介质为空气;接收模块由整流电路,变压电路、负载电路组成。 1.2方案的论证 本设计要求保持发射线圈与接收线圈间的距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时,接收端输出直流电流I2=0.5A,输出直流电压U2≥8 V,并在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)。在保持LED灯不灭的条件下,尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。同时尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。为了达到实验目的,我们需对电路、元器件进行对比分析。 (1)信号源发生电路 方案一 NE555振荡电路,电路复杂,产生的频率较小。 方案二 1MHZ有源晶振,电路简单,频率较大能够满足实验要求的电磁谐振耦合距离。 综上,选用方案二 (2)驱动电路 方案一 采用BN7960.驱动电路输出信号时有一定的时间,且容易发热。 方案二 IR2110可靠性高、大电压、高速、不需要对供电电源进行隔离。因此采用2110作为驱动芯片,便于实际电路的简易性。 (3)整流、滤波电路 方案一 半波整流电路,电路结构简单,使用元件少但整流效率低,输出电压脉动大,适用于要求不高的场合 。 方案二:桥式整流电,与半波整流相比输出电压提高,脉动成分减小。 基于节能和稳定,选择方案二。 (4)显示模块 方案一 采用LED数码管显示。数码管显示控制简单,调试也方便,但是显示方式单一,有些字符信息难以显示。 方案二 采用液晶模块LCD1602显示。可以显示数字,字符等,显示内容丰富。 综上,选用LCD1602显示系统。 二 原理分析计算与电路的设计 本设计电路的硬件组成为有源晶振、7805降压、IR2110驱动、双MOS管发大功率、桥式电路接电容滤波整流 2.1信号源的产生电路 有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件。有源晶振如图所示 图2 引脚图 有源晶振通常的用法:1脚悬空,2脚接地,3脚接输出,4脚接电压。 2.2 降压电路 用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。本系统采用的15V直流电源经7805后输出5V的电压,起到稳压和降压的作用。 2.3 驱动电路 MOS管需要选取驱动电流较大工作频率较高的驱动电路。本系统选择了IR2110,具有独立的低端和高端输入通道;工作频率高,可达500kHz;开通、关断延迟小。经过实验发现频率可工作在2MHZ。 2.4 功率放大电路 功率放大电路是驱动电路的俩路输出各连接一个MOS管组成, 反相器使俩个MOS管连续工作在开、断的工作状态,由于电路中使用的无源晶振频率很高,哦那个做断开、闭合的频率也很高导致其很容易发烫,因此我们要给MOS管加散热片来降低温度。 图3功率放大电路 2.5 传输模块 谐振耦合无线电能传输系统示意图如图所示,能量传输系统包括发射端和接受端,发射端和接受端谐振频率一致。发射端与功率放大电路连接,接收端与整流滤波电路连接。 图4无线能量传输示意图 接收线圈和发射线圈我们采用电磁谐振耦合电路,电感电容连接图如下: 图5电感电容连接图 上述电路满足相互耦合的一介微分方程: 2.6接收模块 接收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理的模块。为了满足实际应用的需求, 需要将接收到的交流信号进行整流、滤波处理, 处理之后的直流电压方可供其负载使用。该模块主要包括整流电路以及变压电路。 整流电路 由于接受线圈接受的电压为交流电且电压比较小,所以要经过整流滤波电路整流滤波。 图6 桥式整流电路 三 软件设计 由于实验对输入输出的电压、电流的大小有一定的要求,所以我们设计了显示电路来显示负载端的实时电压、电流的大小。程序流程图如图 图7 显示电路流程图 通过按键控制输入到模数转换器TLC2543的模拟量,经过单片机处理在显示屏上显示出对应的电压电流值。其仿真图如图所示 图8 仿真图 四 实际测量 在测量中存在能量的损失,其效率公式为 根据实际电路,我们测量了一组输出电压和两个线圈距离的关系数据并用 matlab绘制出其关系曲线。 表1 负载电压和两个线圈距离关系 距离 6 7 8 9 10 11 12 13 14 负载电压 0.28 0.21 0.17 0.20 0.155 0.145 0.121 0.091 0.075 图9 负载电压和两个线圈距离关系图 五 总结 本次设计是基于磁耦合无线电能传输,是21世纪科研的主要研究课题。在设计中本系统采用了有源晶振来产生信号,IR2110作为驱动芯片,经过放大电路进行功率放大,通过发射线圈和接收线圈进行无线电信号传输,负载(进行检测,实现了在较短距离内的无线电能传输。

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