无线供电电路制作与探讨
两壶居士2012/11/07电气电工 IP:湖北
无线供电电路制作与探讨
近来,看人家搞旋转LED看得眼热,自己也打算搞一个玩耍玩耍。电路初步确定后在供电方式上却犯了难。目前,常用的供电方式有三种:⑴电池供电;⑵电刷送电;⑶无线供电。电池供电只适用于摇摇棒等短时间使用的装置,长时间运行的装置就不合适。比如能显示时间的旋转LED,每次电池用完,重换电池就够烦心了,换了电池还得重新调整日期、时间,那简直可以用“痛苦”二字来形容。第二种方式——电刷,可以工作任意长的时间(如果不停电的话)。不过,电刷总是有磨损的,业余条件下很难找到合适的高质量的电刷,可能还等不到供电局下达停电通知,电刷就先行罢工了;所以我再三考虑,决定用无线供电的方式,尽管无线供电方式要求的技术高一点,能量转换效率低一点,电磁波干扰大一点,那也只好将就一点了。
一个旋转LED究竟需要消耗多大的电能呢?我们来做一个简单的计算。假设我们采用16个高亮度LED,工作时每个LED耗电10mA,单片机的自身耗电较少,暂且忽略不计,则电路所耗电流的最大值为160mA。电压取3.3V。所以总的功耗约0.5W。再考虑稳压电路的损耗,总功率取1W大概够了。下面我们就按这个要求设计电路。
首先找到有关资料,借鉴别人现成的经验,少走点弯路总是不错的。下面图1图2便是比较典型的线路:图1用普通三极管,图2用场效应管。我把这两个电路都试装了一遍。基本上能工作,但不怎么理想。
1.jpg

先说图1。图中X、C4、R3等元件原来的参数标在括号中。按原来参数装好后通电,几乎没有任何反应,只有断开接收部分的负载R5才看到LED发出预示着还有一线希望的微光。后来经过反复调整,改成括号外的数据,电路基本上能正常工作了。次级接收电路中的谐振电容C7很重要,原电路没有它,接收距离很短;加上谐振电容后传输距离大大增加。
实测发射方供电电压18V,电流I1=80mA;接收方接上负载R5后,输出电压为4V。电能传输效率为
1a.jpg
这个效率显然是不够满意的。试验中还发现:不论接收线圈L2是否靠近发射线圈L1,VT2损耗的集电极电流都是80mA不变,这无疑是一个很严重的缺点!
我们再来看图2,看看场效应管能否胜任无线供电这份差事。
2.jpg
按图2搭好电路后接通电源,此时VT1的漏极电流I1仅20mA,将接收线圈L2靠近L1几乎没有什么反应,和图1一样,只有切断SW,断开负载电阻R5后,LED才刚刚发光。
用示波器观察VT1的输入、输出端的波形如图3。
3.jpg
从电压波形来看,失真是相当的大,而且波形的幅度很小。
首先设法增大栅极的波幅,这比较容易,把Vcc1从5V加大到7V!这时漏极电流也随之增到200mA。接收端加上负载R5后U1的电压仅有2V左右,相应的VT1的波形如图4。有没有负载同样不影响VT1漏极电流的大小。看来用场效应管还不如普通三极管!
4.jpg
加上负载后漏极电压波形有了较大改善,栅极电压波形却依然如故。
是不是本人手艺太差才导致这样的结果呢?我们不妨看原资料的实验数据。
据原资料称:按上述电路制作,当发射方的电流电压分别为15V和48mA时,可以给接收方的手机锂电池提供60mA的充电电流,考虑到锂电池的限流电阻还产生了部分压降,设接收端的总电压为5V。按此计算,该电路的输出功率和电能转换效率分别为0.3W和40%。效率勉强说得过去,功率似乎太小了,远远不能满足给旋转LED灯提供电源的要求。
功率和效率上不去的原因究竟何在呢?从图3和图4的波形上看,主要是因为功率管没有工作在开关状态。而导致这种情况的根本原因在于VMOS场效应管的栅极-源极间和漏极-源极间有着很大的极间电容。一般,CGS一般约几百至上千pF,CDS一般约几百pF。难怪我们看到的栅极电压波形的幅度减小,失真变大。
针对上述情况,我对电路作了相应的改动,见图5。
5.jpg
与图2相比,在VMOS场效应管的栅极前面增加了一对互补的射极跟随器,C3从1000p减小到180p,此外Vcc1也略作了调整,从5V增加到6V,其他元件变化不大。
通电后用示波器观察VT3的栅极电压和漏极电压波形,发现波形大为改善,见图6。
6.jpg

随着波形的改善,电路的工作效率也获得极大的提高。当不加任何负载时(L2远离L1),I1仅24mA;L2与L1紧耦合时,I1一下增加到300mA。同时负载电阻R5上获得了12V的电压,折合功率为2.8W!电能转换效率为:
6a.jpg
这个结果,应该说是很满意了。2.8W的功率供给旋转LED灯使用已是绰绰有余,效率达到62.7%还有什么可抱怨的呢?(L1和L2之间的距离拉开后功率和效率都会有些变化),只是还有点美中不足的是:L2和L1之间的距离对U2的影响极大,有时两者间的距离只稍须变动了一点点(不到1毫米),U2就从12V左右一下子跌到6~7V,也就是说U2的稳定性还有待提高。我估计是因为整个电路是装在面包板上的试验电路,元件引脚和连接导线都比较长,因此产生了寄生振荡而引起的,这要待重新设计印刷电路板才能见分晓。不过,稳定地输出11V左右的电压是不成问题的。
为了更适合于旋转LED灯的供电,缩小安装空间,我把线圈的外形从圆筒状改成了圆盘状,见图7。
7.jpg
圆盘线圈的内径为7.2mm,外径为8.2mm,用Φ0.5左右的漆包线绕8匝。图5电路中的C4、C9的容量也分别改为5600pF和9100pF。
同时接收方的整流电路也用4只1N4148接成桥式整流。见图8。
8.jpg
线圈经改动后,无负载时VMOS管的静态电流小于30mA;最大输出功率增加到3.84W,相应的漏极电流为0.4A,效率下降到56%(最大功率时)。如果断开接收方的51欧负载,两线圈相隔150mm还能点亮LED灯。
接下来,我又试了不同工作频率对电路的影响。
换用1MHz的晶体,经调试后,同时将C4和C9分别换成1200pF和2400pF。无负载时,I1静态电流仅6mA。当L1与L2距离最近时,U2可达12V左右。适当拉开距离使U2为10V,这时对应的I1为0.2A,电能转换效率为66%。断开负载,两线圈相距200mm还能点燃LED。关于其他频率……嗯,我有点累了,以后有机会再继续实验吧。
最后,根据我的制作体会,给对此有兴趣的爱好者几点忠告:
1. L1、L2一定要配上大小合适的谐振电容,谐振的好坏直接影响传输距离、输出功率和转换效率。这项工作最好有示波器监视,避免谐振在高次谐波的频率上(参见图8)。谐振电容一定要用质量好的,要求电容器量稳定,耐压大于Vcc2的3倍以上。比如可以用绦纶电容,聚乙烯电容等。建议不要用瓷介电容。 9.jpg
2. 虽说传输能量时,波形不是很重要。但是失真太大就会使功率管工作在线性区,而非工作在开关状态,这样将使电能的转换效率大幅度下降。例如:图3、图4的波形就很差,工作在这种波形下,电路的效率一定是低下的。图9所示的波形就比较理想,这种波形表示功率管大部分时间工作在饱和区和截止区,过渡状态占用的时间很少,所以效率肯定不会差到哪里去。
3. IC1(CD4069)的一个反相器用作晶振,剩余的5个反相器都并联起来,以增加带负载能力。
4. CD4069的供电电源Vcc1最好能够调整,所以我采用LM317作为稳压。它的输入就用Vcc2(15~18V),输出根据需要调到5~7V。如果减小Vcc1时I1立马下降,那就说明Vcc1偏小;反之,如果增加Vcc1,I1不再增加,则说明Vcc1已经足够了。
5. 输出功率显然与Vcc2的大小有关,Vcc2的值越大,电流I1就越大,负载电阻R5所得到的功率也越大,但这些都受VMOS场效应管的功率和耐压的制约。
6. 无线供电电路的工作频率不可太高,频率越高对VMOS管的要求也就越高,目前高频特性满足这种要求的VMOS管还不容易找到。所以我们通常选择电路的工作频率为200kHz~1MHz为宜。
7. 频率越低,Vcc2的电压越高,就要求L1的电感量越大。所以当我们大幅度改变工作频率或工作电压时就得考虑改变L1的电感量来适应。
8. 场效应管和谐振电容的耐压至少要大于电源电压(Vcc2)的3倍以上,尤其是当Vcc2选得很高时,更得注意。
9. 输出功率最大时一般并不是效率最高,往往当两线圈相距3~5mm时效率可达到最大,这和实际使用的情况倒是比较吻合。
10. 如果和找到性能更好的器件,我倒很想提高工作频率。一来频率越高,辐射能力肯定越强。还有一个好处就是线圈匝数也会相应减小,如果少到5匝以下,甚至只需2~3匝,那就可以把发射和接收线圈都做在PCB上,至少可以在接收端如此。如果能这样就太妙了。
暂且就想到这几点,余下的条条款款等各位来补充了。
+100  科创币    金坷居士    2012/11/07 非常详细
+10  科创币    xiefeng    2012/12/13
+25  科创币    潘哥是神    2012/12/29 高质量发帖
来自:电气工程 / 电气电工
9
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~~空空如也
金坷居士
12年2个月前 IP:未同步
468364
回 楼主(两壶居士) 的帖子
写的非常详细啊 赞一个

提个建议 MOS的驱动电压5V明显不够
我以前做过类似东西 4MHz 推540效率不高 输入电流随负载几乎不变

另外,提示楼主:
高频下标准方波很难实现 不如试试MOS栅极电容谐振技术 虽然MOS栅极是正弦波 但是因为谐振充放电快 损耗比方波还小 只是高频设备的常用伎俩
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两壶居士作者
12年2个月前 IP:未同步
468376
回 1楼(金坷居士) 的帖子
谢谢你的忠告.这是原来制作的东西,现在驱动部分的电压已提高到9V,功率可达10W以上.
另,驱动的波形准备改用窄脉冲,使末级的工作状态接近D类.这样效率可能会有较大的提高.
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warmonkey
12年2个月前 IP:未同步
468388
我试过类似的电路,效果并不怎么好。建议使用ZVS模态,根据负载控制开通时间
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sanjinluo
12年1个月前 IP:未同步
478279
耦合方式建议改为电磁谐振传能,这样可能效率更高,楼主可以看一下时下比较火的无线充电知识,
最快捷的就是去XXXXXX看看他们无线充电的应用指南
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xiefeng
12年1个月前 IP:未同步
478905
回 楼主(两壶居士) 的帖子
很详细,非常的不错
在08年的无线电杂志里边好像有报道过这种
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1731397850
12年1个月前 IP:未同步
482431
松下发布了一个芯片  可以直接使用 很方便,这个 只能存在于实验室 体积太大了
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金坷居士
12年0个月前 IP:未同步
482786
回 楼主(两壶居士) 的帖子
我突然想起来了 我今年6月分左右做过一个实验,是DR驱动自绕交流高压包,一端接地,另一端对空喷壶
然后我拿了一个电视高压包,磁芯绕了5匝的样子,接了个手电筒小灯泡
我准备试试能不能再把高压降回低压 当我把高压包负极接地后准备拿着高压包正极帽靠近自绕高压包在空气中喷壶那一端时,奇迹出现了,间隔数十厘米的电视机高压包居然带动小灯泡工作了! 然后我试了试拿远一点 还能工作 远了似乎有方向性 近的时候没有 两个高压包任何一个去了地线都会导致不工作
这个很让我费解 准无线供电啊

谁能解释下?
+1
科创币
wenrui
2013-01-01
这么神奇啊 具体数据有么
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两壶居士作者
12年0个月前 IP:未同步
483735
回 7楼(金坷居士) 的帖子
高压放电时,也就同时产生了电磁波,可能另一个高压包就充当了接收器,产生谐振.于是就有了类似无线供电的情形.这种解释不知对否?
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