智能无线供电（转）

好剑者 · 发表于 2013-8-15 00:07:38

无线供电是一个很吸引人的制作课题，许多电子类杂志和论坛上都有关于制作无线供电电路的介绍，这些电路虽各有千秋，但都有一个共同的不足之处，一是传输效率不太理想，二是不论有无接收器在工作，发射部分都一如既往地向外源源不断地发射能量，这是不能令人满意的。
笔者所设计的这个无线供电装置，除了传输效率比较高，它还有一个显著的特点：能自动检测有无接收部分工作，只有检测到确有接收器在工作，它才会连续辐射无线电能，否则就始终只工作在低能耗的检测状态。其工作方框图如图1所示：
file:///C:/Users/zhangdi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

发射部分采用CMOS电路与场效应管的组合，这种组合不仅效率高，而且控制也简单易行。发射线圈采用李兹线和蛛网式绕法，以取得较高的变换效率。电路见图2a：
file:///C:/Users/zhangdi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.jpg
工作原理：
1.发射部分
振荡源由1/4个CD4011和遥控器用的晶体组成晶振电路，实测振荡频率为560kHz，这个频率对收音机的中波段有两处干扰：560kHz和1120kHz。因手边没有更合适的晶体选择，也只好将就了。
4011是一个2输入端与非门，所以电路能否工作还取决于另一个输入端的电位，此输入端的电位由IC2（555电路）的状态决定， IC2输出占空比约等于1/10的方波，所以使高频振荡电路的工作与间歇时间比也等于1/10。
4011的另3个与非门并联起来作为推动级，把振荡与输出级隔离开。为了能在小功率的推动下也能输出足够大的高频功率，输出级选用场效应管IRF634，场效应管是一种电压控制器件，原则上不消耗激励功率，但它的极间输入、输出电容很大，有几百pF，如果直接接到4011的输出端，会因为CMOS门电路的输出电流很小而使波形的上升时间和下降时间变大，而导致效率下降。所以我还在CMOS门电路的后面加了一对互补的三极管，此互补管接成射极输出，具有极小的输出电阻，可以使方波的上升和下降时间大大减小。实践证明，加上了这级电路后效率有了明显提高。而且，使空载和有负载时的电流有显著的区别，这就为无线供电的智能化提供了简单可靠的检测依据。
在没有负载时，也就是说，无线供电的接收部分没有靠近发射线圈时，VT3的源极电流很小，R6上的电压降还不足以使VT4导通，所以IC3的第2脚上没有触发脉冲，第3脚上也没有高电平输出；一旦接收部分靠近了发射线圈，从发射级接收了足够的能量，于是使得VT3的源极电流增加，R6上也产生了足够大的电压，能够推动VT4导通，在VT4的集电极产生了幅度足够的负脉冲，驱动IC3使之输出高电平。此高电平通过VD2再送到晶振的控制端，使其工作在连续振荡状态，这样就完成了负载检测的任务。
我们说这个电路是智能无线供电电路，其原因就是它能自动检测有无负载。没有负载时它工作在间歇状态以节约电能，一旦检测到负载就工作在连续状态，使其正常工作。
图2中，Rp作为检测灵敏度调节；LED为工作状态指示（红灯间歇闪亮为检测状态，绿灯亮为连续工作状态）；SA为维修开关，合上后，红灯连续亮，输出级连续工作，适于维修或弱负载时工作。
2．接收部分
实际上任何一个具有接收线圈的装置都可成为接收电路，这里只是给出其中一例，它可以实测接收部分的功率，也可以调整撤回路的谐振状态，使之灵敏度最高。电路很简单，就不再赘述原理了。电路见图2b：
file:///C:/Users/zhangdi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.jpg
如果不测试接收距离和检测系统的转换效率，也可不装图2b的电路。
零件选择
无线供电的效率与发射级的工作状态有关，同时也与作为发射电磁能量的线圈的质量也有非常密切的关系，所以发射线圈L1我采用36×Φ0.1mm的李兹线，绕在用光盘作骨架的蛛网板上。见图3：
线圈的骨架用光盘制作，为了避免涡流损失，光盘上的金属镀层应当去掉。骨架的内径为66mm，用36股Φ0.1的漆包线绕11匝。图2b中的接收线圈也绕成蛛网式，用24股Φ0.1的多股漆包线绕8匝。
file:///C:/Users/zhangdi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
高频输出级用大功率场效应管，如IRF系列的634、630均可，或其它耐压200V，电流5A，最大损耗功率大于20W以上的VMOS管。使用时需加上面积足够大的散热器。
谐振电容C4要求用绦纶电容，耐压200V以上；C11、C12、C13、C14要求耐压35V以上。定时电容C5、C10要求容量准确，漏电较小，最好用钽电容，如果没有钽电容则应采用耐压25V以上的铝电解。C7、C8、C11、C12要紧靠IC4焊接。
其他元件没有什么特殊要求。

调试与安装
先调发射部分。输入24V的直流电源，当调试开关处在断开状态时，LED的红灯会以大约1秒的周期闪亮，这说明IC2工作正常。合上图2a中的调试开关SA，使振荡部分连续工作，这时红灯将一直点亮。检查各点的直流工作点是否正常，这时整机电流约50mA，其中VT3的漏极电流约20mA左右。如果24V和9V两点的电压正常，可用示波器检查各关键点的波形。

当各点波形基本正常后，用一个2200pF的绦纶电容（耐压250V）和一个1000pF的可变（可用多连可变并联而成），仔细调整可变使整机电流最小。量出并联的总电容，将一个或数个并联的固定的等效电容替换原来的固定和可变电容，并在线路板上焊好。
断开维修开关SA使振荡器工作于间歇状态；旋转Rp到最大使LED绿灯亮，逐渐将Rp减小，使得LED的绿灯熄灭，红灯刚好闪亮。这时整机电流在10~20mA间摆动。
将接收部分靠近发射线圈，断开接收部分的负载开关SA，则接收器上的指示灯LED会和发射部分的LED同步闪亮。同样，用一个0.01μF左右的固定电容接到谐振线圈的两端，逐步拉开发射线圈和接收线圈的距离，同时适当增减谐振电容的大小使指示灯最亮。调整好后，将电容固定下来，在线路板上焊好。如果用示波器观察谐振回路的波形，应该可以看到与发射线圈频率相同的正弦波。
合上负载开关SA（图2 b），将接收线圈置于发射线圈正上方的5~10mm处，这时发射部分的双色LED的绿灯会自动点亮，说明发射部分己检测到负载，并工作在连续状态。如果再次移去接收线圈，绿灯随即自动熄灭，红灯再次闪动，说明智能部分的检测功能正常。如果检测功能不正常，应仔细调整Rp。
当电路检测到负载时，发射部分的总电流约200~300mA，视负载轻重而变。

无线供电台灯
电路和图2b基本相同，只是将作为假负载的50Ω电阻换成了4只串联的大功率LED。接收线圈用Φ1.2mm或更粗的漆包线做成圆盘状的线圈，其内径为67mm绕8匝，两端各留25cm的引出线，将来就作为小台灯的支架。
找一个光盘，去掉金属镀层，在适当地方钻两个小孔，将绕好的线圈引线穿过光盘上的小孔，并将线圈粘合在光盘上。
将4个1W的LED装在自制的散热器上。
另找一个直径80mm的小光盘（不必去膜）和一个大小适当的塑料瓶盖，作为制作台灯的灯罩的原材料。
制作过程见下面系列图片。

小结
1．从场效应管各点波形来看，输出级的工作状态并不十分理想，尤其是源极电压波形存在高次谐波，这样显然会使电路的转换效率降低。究其原因，应该是因为栅极驱动电压的波形过宽所致。如果使栅极波形改为更窄些的脉冲，使场效应管的导通角更小些，估计效率会得到提高。
2．因制作时间比较仓促，从24V变9V直接采用了7809模拟稳压电路，其效率显然是十分低下的，如果改用开关稳压电源，则可大幅提高驱动部分的效率，使电路在间歇工作状态时更省电。
3．本装置是模拟桌面无线供电系统而设计的，所以发射线圈和接收之间的距离大于12mm，这样也使转换效率有明显下降，因为两线圈距离越大，效率必然越低。
4．无线台灯只是无线供电的一种应用，接收部分也完全可以用于无线充电、水下LED灯或旋转LED图形显示等领域。
5．因为现成的无线供电模块VOX330不容易买到，所以电源采用了24V直流。如果手边有高压无线供电模块，直接采用220V交流电将会更具实用性。