无线充电器的设计及制作

2017-12-07 14:40:53 0评

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  摘要

  基于现在中国市场上还没有真正的无线充电的产品,我们利用电磁感应的基本原理结合模拟数字基础理论设计制作了智能无线充电系统。此作品内部应用电流控制型脉宽调制集成电路来驱动场效应管从而产生高频振荡脉冲,通过电磁感应向外界传送能量,通过接收电路把磁场能转化成电能从而实现对用电设备的充电(此作品以手机电池充电为例)。其系统经济实用,市场前景极其广阔。

  无线充电设备的设计与制作

  --无线充电的发射部分

  电子信息工程 09城建电子(2)班 马吉智

  指导老师 花海安

  1 绪论

  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。

  无线充电技术利用了电磁波感应原理,及相关的交流感应技术,在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术,用户只需要将充电设备放在一个“平板”上即可进行充电,这样的充电方式过去曾经出现在手表和剃须刀上,但是当时无法针对大容量锂离子电池进行有效充电。

  无线充电技术此前已经出现,但这项新发明更为方便实用。手机等设备只要贴上接收线圈,放置在“鼠标垫”上的任一位置都可充电,不像以前的一些技术那样需要精确定位。几个设备同时放在垫子上,可以同时进行充电。充电器产生的磁场很弱,能够给设备充电但不会影响附近的信用卡、录像带等利用磁性记录数据的物品。

  1.1研究的目的和意义

  在我们的日常生活中,经常会遇到手机、电脑等电量不足,急需冲电的情况,但是我们不可能随时携带充电器,导致手机充电很麻烦。现在有了无线充电技术就可以在很大的程度上减少这样的麻烦。

  无线供电的设想最早由交流电之父特斯拉在一百多年前就已经由此构想了。他设计在地球和电离层之间建立起8Hz左右的低频共振,再利用环绕地球的电磁波来传输电力,就像无线电通信一样,但后来特斯拉在1908年停止了这项宏大的实验,他所建造的铁塔也因经济困难而被拆除抵债。

  最初由英国一家公司发明了一种新型无线充电器,它看上去就像一块塑料鼠标垫,这个“鼠标垫”里装有密集的小型线圈阵列,可产生磁场,将能量传输给装有专用接收线圈的电子设备,进行充电。接收线圈由磁性合金绕以电线制成,大小和形状都与口香糖相似,可以很方便地贴在电子设备上。将手机等放在垫上就能充电,并能同时给多个设备充电。

  人类对无线供电技术的研究一直在继续,尤其在航天领域里,人们想建立卫星太阳能电站,那么就必须实现高效率的无线供电。进入21世纪以来,无线供电技术开始在民用领域频繁露面,各公司纷纷推出自己的产品。

  无线充电可以解决很多问题。

  第一,它可以改变电子产品充电接口不兼容的情况。

  第二,有很多传感器需要无线充电,还有一些远程的监控的传感器,一样地需要无线充电技术。

  第三,就是植入性医疗器件的充电。

  第四,无线充电技术还可以运用到市政交通方面。

  第五,无线充电技术还可以提高设备的安全性,比如一些在潮湿环境中工作的设备,外露的充电接口是安全隐患。

  1.2国内外研究现状和发展趋势

  无线充电技术引源于无线电力输送技术,利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷,线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振,实现电能高效传输的技术。

  麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。他们利用铜制线圈作为电磁共振器,一团线圈附在传送电力方,另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后,经过电磁场扩散到接受方,电力就实现了无线传导。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验,已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米,但研究者相信,电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源,就可以为整个屋里的电器供电。富士通表示这一系统可以在未来得到广泛应用,例如针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。

  随着科技的发展与社会的进步,人们的需求正日益发生着深远的变化,对科技含量的要求越来越高,关于无线充电的技术已经有过多年的讨论和研究,目前一些知名公司已经推出一些无线充电设备,但有一些地方还不很完善,还需进一步改进。

  无线充电技术在小功率的范围内还是可以显示出它的优越性的。比如小型直流用电设备中的通讯仪器仪表、民用无线通讯手机、微型计算机、小型便携式家用电器等。但实施大功率的无线传输来说,就比较困难了。

  目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方面,基本上都还处在理论领域进行研究,在应用领域最近两年才有所突破,但都还停留在实验室阶段。

  无线充电技术目前可通过三种方式实现:电磁感应式(利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电)、电磁耦合共振方式(利用磁耦合共振效应近程无线供电)、微波/激光辐射方式(电力转换成电波以辐射传输供电)。

  1.2.1 电磁感应方式

  电磁感应式是使用最广的一种方式,其原理类似于分离的空心变压器。飞利浦的电动牙刷就是此类应用。目前许多公司都在开发这方面的技术。但电磁感应技术的一个不足就是用以传递能量的变化磁场,会随着两个线圈的距离增加而迅速减小,所以传输距离非常有限。

  目前常见的充电垫也是利用了电磁感应原理,将多个电子产品,如手机、相机、MP3等放到同一个充电垫上,能进行同时充电,而且无需精确定位,原因是充电垫内装有密集的小型线圈阵列,能在各个方向上建立磁场。接收线圈由磁性合金绕以电线制成,它附着于电子设备的充电电池上,充电时置于充电垫磁场中的接收线圈就会产生感应电流,能量就从发射端传输到接收端。由于充电垫产生的磁场很弱,所以不会对附近的信用卡、录像带等利用磁性记录数据的物品造成不受影响。该解决方案提供商包括英国Splash power、美国wild Charge等公司。这种接触式无线电力传输方式的优点是制造成本较低、结构简单、技术可靠,但是传输功率较小、传送距离短,一般只适用于为小型便携式电子设备供电。

  1.2.2电磁耦合共振方式

  07年MIT的一个无线供电的研究成果使世界为之一叹,其背后的原理就是电磁耦合共振。

  在07年,MIT的助理教授马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)和他的研究小组在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈,通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振,从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡,效率为45%。而且,即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器,都不会影响灯泡发光。

  另外还有采用射频点播发射能量的方法。

  美国的Power cast,目前占有射频波段无线能量传输的领先地位。与需要接触的充电垫子不同,Powercast公司推出的无线供电组件,在915Mhz的波段下,可以在一米的范围内给小型电子设备充电,而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。

  1.2.3微波/激光辐射方式

  理论上,无线电波波长越短,其定向性越好,弥散越小,所以,可利用微波或激光形式来实现电能的远程传输, 这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题也有着重要意义。因此,许多国家都没有放弃这方面的研究。

  1968年,美国工程师彼得格拉泽提出了空间太阳能发电(Space Solar Power,SSP)的概念,其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能送回地球。1979年,美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划,建立“SPS太阳能卫星基准系统” , SPS(Solar Power satellite)是太阳能发电卫星, 处在地球约36000km的静止轨道上,那里太阳的能量约为地球上的1.4倍。

  据预测,一个SPS所装载的太阳电池的直流输出功率为IOGW,电池输出的电力通过振荡器变换成微波电力, 从送电的天线向地球表面以微波(2.45GHz)形式无线送电。地球上的接收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成,可接收到5GW的电力。

  目前,SPS的建设方法、天线的放射特性、微波发送装置的姿态控制、宇宙空间的微波传播特性、为确保故障时安全的保安系统等都是亟待解决的技术问题。欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置,已于2003年向当地村庄送电。日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000,2050年进入规模运行。

  1.2.4 优缺点

  无线充电会不会对人体产生伤害呢?麻省理工学院的研究人员表示,身体对电场的反应很强,但身体对磁场的反应则几乎没有,因此这一系统不会影响人体健康。不过,这还只是一种推测,有研究人员对此观点表示担心,在真正应用于生活前,还需要进一步进行试验。

  做为电子类充电产品,充电器本身避免不了辐射,所以无线充电器有辐射是必然的。但是目前无线充电器的功率很小,充电时间较短,所产生的辐射也小,应该不会对人产生较大的伤害。

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