《电子技术应用》

无线充电的电离辐射测量

电子技术应用 作者:朱长江
2015/12/23 10:43:00

       无线充电技术起源于无线电力输送技术。其原理是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的高效传输,尼古拉特斯拉是这项技术的开山鼻祖。

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       本质上无线充电就是应用了我们所熟悉的电磁感应原理,即电流流过线圈会产生磁场,与磁场靠近的线圈会产生感应电流。变压器是利用电磁感应原理的典型设备。只不过变压器的初级线圈和次级线圈是缠绕在同一个铁氧体上的,从而能更好的拴住磁场。如果把铁氧体去掉,让初级线圈和次级线圈直接在空气中进行电磁感应,变压器就可以“摇身一变”,成为无线充电设备的原型了。但是,由于磁场在空气中耗散比较严重,电能传输效率会大打折扣,导致无线充电的成本过高。特斯拉的磁场共振技术有效解决了这个问题,使无线传输距离从几厘米增加到数米。这个距离对汽车等大型用电器已经够用了。这使得去掉用电器的连接线变得指日可待。

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无线充电会产生电磁辐射

       无线充电的优点很明显,但正如一个硬币的正反面,无线充电所产生的大功率电磁辐射,成为阻碍无线充电大规模使用的一大阻碍。说到电磁感应,不得不提工频干扰。我们输送电力用的是交流电,变化的电流会产生变化的磁场,我们的电力传输线就在不断的对外发出电磁波。电磁辐射问题一直是居住在电力线附近小区居民关心的问题,工频干扰这种人为产生的电磁辐射现如今已经充满整个地球了。当您打开示波器,手摸到探头时一个完美的正弦波会出现在屏幕上,而且正弦波的频率正好显示为50HZ。下图示波器屏幕所显示的,正是电力线辐射出的电磁波。

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       工频干扰的50HZ频率不足以让我们担心,大功率的电磁辐射才是我们所害怕的。长时间遭受电力线的磁场辐射会有害健康已是科学界的共识,大功率磁场对身体的损伤就更为严重。但是,无线充电为了提高充电速度,就必须提高电压和频率,产生大功率磁场是不可避免的。手机无线充电这种小功率磁场尚且不必担心,况且它作用距离也就那么几厘米。而对于汽车无线充电这类充电场景,潜在的危险就让“早已看穿一切”的小编有点担心了。

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无线充电需要技术标准的约束

       对于已经实现电力远距离无线传送的特斯拉先生,或许也已经解决了电磁辐射对人类身体的损伤问题。但他老人家已经作古,生前的研究资料也已经被美国FBI保密封存。我们暂时是指望不上了,所以相关协会对无线充电技术提出了比较严格的安全指标和环境标准。毕竟,没有人想“吃着火锅,唱着歌,突然就被电磁辐射了”!这里,小编首先能想到的是以后谁家汽车是无线充电的,就必须在自家车库上贴上下面这个标志。

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       其次,人怕辐射,用电器也怕辐射。当你在为汽车进行无线充电的时候,如果你的车库里正好也有几盏荧光灯,那么别害怕,因为荧光灯会诡异的亮起来。采用磁共振传输方式的无线充电装置,确实能让它周围的荧光灯发光。这与荧光灯的发光原理有关。荧光灯是靠灯管里的气体产生电离而使灯管内表面的荧光粉发光的。无线充电产生的电磁波正是能够让灯管里的气体发生电离,所以特斯拉生前照片里总是拿着一盏发着光的荧光灯。

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       您如果怕被诡异的荧光灯吓到,只需要把荧光灯换成白炽灯就好了。不过,国家已经明令白炽灯泡停产了,剩下的就只能选择led灯。但抱歉的是,似乎Led在电磁场中也不够“坚定”?平时爱做电路实验的小编可以告诉大家,在电磁辐射环境下,断电的led也发生了莫名其妙的闪烁(我想是led灯的导通电压太低的缘故吧)。

       好吧,我们先把诡异的荧光灯用擦车布盖一下,好在为车充电的时候不用拖动沉重的电缆。无需电缆是无线充电走入家庭的最大优势。但无线充电需要发射线圈,也需要一个接收线圈(只有荧光灯这种另类才不需要接收线圈,原理我上面也讲了),任何技术的广泛普及都是需要统一的标准,我们先看看无线充电需要哪些标准和认证吧!

       无线充电行业以前有三大标准组织分别是:WPC、PMA和A4WP。2014年初PMA和A4WP两家开始合作,最后只剩下两大标准组织。

[1] Qi是全球首个推动无线充电技术标准化的组织--无线充电联盟WPC推出的“无线充电”标准。WPC成员中有将近200家科技公司,该标准允许无线充电设 备的最大输出功率不超过5W,一般多为手机厂商所用。目前共有12款汽车提供符合Qi标准的无线充电设备,而共计80种不同型号的智能手机均可适配。此 外,宜家出售的部分型号的组合式书桌以及床头灯内置了Qi标准的无线充电器。
[2] 由Power Matters Alliance推出的PMA标准,是Qi的直接竞争者,主攻快餐市场。目前全美几百家麦当劳和星巴克连锁店中都已经开始向消费者提供符合PMA标准的无线充电器;
[3] 无线充电联盟A4WP推出Rezence标准。它允许多个设备同时充电,而且在设备的位置与角度上较具弹性,其充电能力与时间也较符合消费者期待,最高传 输功率不超过50W。尽管目前还没有适配Rezence标准的电子产品问世,但英特尔表示将在为平板和笔记本电脑研发的下一代微型处理器芯片上集成这一技 术,最早明年将会有大量新产品问世。

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       我们看到,无论采用哪个充电标准,无线充电都存在辐射风险。在这个连wifi辐射都会触动民众敏感神经,导致巨大舆论压力的时代,无线充电要走进千家万户,还真的任重而道远。在电磁辐射被真正“驯服”之前,对无线充电传输效率的评估变的尤为重要。

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测量无线充电的传输效率

       我在上文已经提到,50HZ的工频干扰可以很容易的被示波器捕捉到,那么有没有方法对无线充电产生的辐射进行测量呢?答案是肯定的。目前存在两种方法可以满足我们的要求,一是直接对无线充电产生的电磁辐射进行测量,根据测量结果来评估其对环境危害的大小。二是对无线充电的传输效率进行测量,我们认为丢失的能量减去产生的热能就是散发到周围环境中的辐射能。对于第一种方法比较简单直接,只需拿着测量仪表在无线充电装置周围移动,听到响声或看到报警提示就知道电磁辐射超标了。第二种方法则专注于电能的传输效率,能让我们更好的了解无线充电装置的性能。最近是德科技就推出一款针对其E5072A/ E5061B/ E5063A ENA系列网络分析仪的无线电能传输分析软件。借助该软件,ENA系列网络分析仪能够有效地响应市场对新兴无线充电(又叫无线电能传输,WPT)测试的需求。是德科技也成为唯一一家基于矢量网络分析仪提供WPT分析解决方案的厂商。

总结

       目前公认的对电磁波进行屏蔽的最有效措施是给产生电磁波的物体加个金属罩子。原理小编就不多介绍了,这是门很专业的学问。有金属外墙的楼宇里手机信号往往不好,就是因为存在金属材料对电磁场的屏蔽作用。所以,如果您真的担心电磁辐射,那就可以到铁匠铺里订制一套金丝铠甲,穿在身上,防刀剑又防电磁辐射,_·····

       如果想了解更多的无线充电技术知识,可以关注是德科技高速数字测试技术研讨会http://event.chinaaet.com/Keysight/Roadshow

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