《电子技术应用》

高手打造智能无线供电台灯

来源:中国电子DIY 作者:作者:两壶居士
2013/1/16 10:02:55

  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:

  

  

       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:

     

          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:

  

  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。

  

  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。

  发射板元件面

  


  发射板背面

  


  装发射部分的塑料盒

  

  发射板装在右边

  


  发射线圈装在左边

 

  测栅极电压波形

      


  测漏极电压波形

     


  测源极电压波形

     

             做灯罩用的材料

  将4个LED串联后装在散热板上

  

  做好后的灯头正面

  

  灯头背面

  

       台灯正面

  


  台灯侧面

  


  台灯背面

  


  台灯的底座

  


  底座下面是接收线圈

  发射已接电源,空载电流很小,此时只有红色指示灯在闪亮(图片中看不到)。


  把台灯放在发射线圈上方,很亮哦,此时整机电流升到200mA左右,盒子里面的绿色指示灯也亮了。

  

  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。

 

 

  

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