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無線充電接收線圈詳細制作方案

電子設計 ? 2020-12-01 15:50 ? 次閱讀

近期有同學詢問,在制作無線充電接收線圈時,需要應用到哪些知識,注意到哪些問題?下面就線圈電感計算、導線選擇以及整流方式等內容給大家做些介紹。

電感量的計算

接收線圈串聯諧振電容可以有效提高接收電路輸出功率。如果電容與接收線圈不匹配,就會造成輸出功率的急劇下降。下圖實驗反映了接收電路在諧振與非諧振兩種情況下,輸出電流與電壓之間的關系。

實驗條件為:發射線圈頻率為640kHz,接收線圈電感量為14.8uH,諧振電容為4.2nF。非諧振時串聯電容為9.4nF。在同樣的情況下,測量整流輸出的直流電壓與電流之間的關系。如下圖所示:

可以看到,諧振狀態下,輸出電壓在輸出電流很大范圍內,保持緩慢線性下降的過程,取中間一段V-A特性曲線,可以求出輸出電阻大約為2歐姆左右。但是如果串聯電容不匹配,則輸出電壓隨著輸出電流增加而急劇下降。

接收線圈和串聯電容不諧振也有特殊用途。巧妙的利用接收線圈的不諧振來控制接收電路的最高輸出功率,則可以實現在一定范圍內恒功率輸出,這樣便可以將整流輸出直接充電的最簡單的電能接收電路,在后面有實驗演示。

為了制作合理的接受電路,首先需要配置接收線圈和串聯諧振電容。對于制作的線圈的電感量,可以使用公式方法進行計算,也可以使用LCR表進行測量。得到接收線圈電感量之后,便可以根據LC諧振公式計算出對應的串聯電容的數值。

可以在網絡上找到一些空心線圈電感量計算機經驗公式,這些公式可以根據線圈的基本參數計算出線圈的大體電感量。可以根據這些公式,進行線圈的初步設計,然后再利用LCR表進行測量修正。

根據上述公式,對于實驗中的空心接收線圈進行計算。使用中所使用的發送線圈,是將多股紗包線繞制成同一平面上的螺旋線。因此線圈的直徑D可以使用線圈的平均直徑;線圈的寬度W就是紗包線的直徑。代入公式經過計算,發射線圈的電感量應該是11.24uH,實際測量時12.64uH ,它們之間很接近。

上面的公式對應線圈的形狀為圓形時是 有效的。如果線圈的形狀發生了改變,對應的電感值會下降。

單股銅線和多股紗包線

由于電能無線發送頻率很高(640kHz),高頻電流在流經導線的時候會出現集膚現象。在很多場合下,需要使用多股紗包線來減少集膚現象引起電能更多的損耗。那么,究竟使用普通的單股漆包線和多股紗包線在接收電能方面包有多大的區別呢。

下面可以通過實驗來檢查它們之間的差別。為了便于比較,使用兩種直徑接近的導線繞制直徑相同的接收線圈。一種使用25股,0.1mm的紗包線,一種使用之間為0.6mm的漆包線分別進行繞制。圖中使用了兩個相同的信標燈罩來繞制接收線圈。

線圈的匝數為13,直徑為8.5cm,高度平均為0.5cm,代入公式可以計算出對應的電感為:

L=(0.01DN*N)/(W/D+0.44)=28.85uH

通過手持的LCR表測量,這兩個接收線圈的電感與計算值基本接近。通過LC諧振公式可以計算出對應的串聯諧振電容值:

使用5個100歐姆電阻串聯成一個500歐姆的負載電阻,并聯在諧振電容上。將接收線圈放置在發射線圈的中心,啟動電源后。使用示波器觀察接收交流信號以及測量信號的有效值。對比兩種線圈,發現,使用紗包線和單股線圈對應的接受電壓有效值基本一致,沒有太大區別。

同樣,使用倍壓整流電路將接收到的交流電壓變換成直流電壓,使用電子負載作為整流輸出的復雜。測量兩個線圈對應的輸出直流電壓與電流曲線。如下圖所示:

可以看出,兩種接收線圈接收電能的效果基本上是一致的,沒有明顯的差別。只是單股線圈對應的整流輸出V-A曲線斜率大一些,對應接收電源的內阻略微大一些。

通過這個實驗說明,對于智能車比賽中所對應的接受能量范圍內,使用直徑相同的多股紗包線與單股銅線之間的差別并不大,所以大家可以使用單股銅線完成接收線圈的制作。

整流方式

將接收到的高頻電壓轉換成直流電壓可以使用倍壓整流,或者全波整流方式,不使用半波整流方式。整流所使用的二極管一般使用大電流的肖特基二極管。

使用倍壓整流,可以在同樣的接收線圈下獲得更高的電壓,相比于全波整流,倍壓整流電流只是用2個肖特基二極管。

下圖顯示了倍壓整流和全波整流輸出電壓與電流之間的關系。其中每一種整流方式都使用了單股漆包線和多股紗包線兩種線圈做了對比。

從上述曲線中可以看出,倍壓整流的確可以獲得更大的輸出電壓。但是在輸出電流增加的時候,電壓的下降比起全波整流來說更大一些。對應的輸出等效內阻也大一些。這從另一方面說明,這兩種整流方式將來可能獲得最大輸出功率將會大體相同。雖然全波整流輸出電壓低一些,但從上述曲線中可以看出它對應的輸出電壓下降并不明顯,對應的電源內阻會更小。

上面實驗中,所使用的線圈的匝數為9匝,直徑為8.5厘米,高度約0.5厘米。在全波整流的情況下,輸出 滿負荷電壓大約為12V左右。下面做了一個有趣的實驗,直接將全波整流輸出的電壓加在了充電法拉電容(5F)上,直接使用無線充電電源進行充電。居然充電過程非常平穩,在10秒左右將可以將電容的電壓充至10V左右。

因此,制作接收電路的時候,只要線圈設計合適(匝數、直徑、高度),配備合適的串聯諧振電容,使用全波整流的方式,可以直接對法拉電容(小于10F)進行充電。如果充電速率超過了發送允許,可以適當通過調整線圈尺寸減少接收電壓。也可以適當改變諧振電容,是接收回路偏離諧振一點,這樣也可以限制最高輸出功率。如果方法得當,實際上可以不使用復雜的恒功率充電方式完成電能的接收。

雖然這種方式不能夠在所有情況下是由,但的確是一種最簡單的接收電能的方法。
編輯:hfy

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