非接触供电系统课程设计报告(编辑修改稿)

非接触供电系统课程设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

；相隔一段距离的接收端包含另一个导线绕制并与电容并联的线圈 (接收线圈 )，以及消耗线圈电磁能的负载。 能量传输系统的工作原理 导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该谐振体相隔 一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。 两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。 武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 5 能量传输过程及其遵循的准则与方程 源线圈通正弦电流，线圈电感周围产生时变磁场，同时向电容充电；接收线圈感应磁场，线圈电感产生电动势，同时向其电容充电。 当正弦电流的频率与线圈的谐振频率相等时，源线 圈电流方向改变的同时，交变磁场方向改变，接收线圈感生电动势，接收线圈的电容放电。 正弦电流的方向周期性变化，接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈的电磁能达到最大。 若系统没有负载 (包括线圈的寄生电阻 )消耗能量，源线圈与接收线圈两侧所包含的能量交替达到最大值 (各时刻两线圈包含的能量之和 )；若 根据全电流定律，源线圈周围产生磁场应遵循方程： 式中 源线圈的传导电流密度； 源线圈的位移电流密度； 源线圈周围产生磁场。 根据电磁感应定律，接收线圈感生电动势应遵循方程 : 式中 接收线圈感应电场强度； 源线圈与接收线圈铰链的磁场 同时，接收线圈需满足各向同性介质的本征方程： 公式表示接收线圈中，电场 与电流密度 的关系。 若系统没有负载消耗能量，应用矢量磁位计算源线圈与负载线圈铰链的电磁能为： 式中 源线圈与接收线圈振荡交替的磁场能 /电场能； 源线圈在接收线圈位置产生的矢量磁位。 由上式得到源线圈与接收线圈之间交替的无功功率为： 武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 6 式中 接收线圈包含的无功功率； 源线圈与接收线圈的耦合磁链。 磁场为单一频率激励源时，功率表达式 (25)简化为集中参数形式： (26) 式中 源线圈激励的磁场变化角频率； 分别为源、接收线圈的电流； 2 方案设计与论证 总体方案设计与说明 在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。 图 非接触供电系统框图 非接触 供电系统由电源、振荡器、功率放大 、耦合线圈、 AC/DC 转换电路、充电电路这几个部分组成。 D 功放 AC/DC 耦合线圈 耦合线圈 振荡器 充电电路 电源 武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 7 电源是为了能给敷在提供稳定直流电源的电子装置。 直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 振荡器 是 在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转化成具有一定波形、一定频率和 一定幅度的交变能量的电子电路。 振荡器是将 直流电变换成交流电的器件。 利用选频网络作为负载回路的功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。 磁耦合谐振式无线能量是以时变电磁场为媒介，当外加激励源的频率与系统的谐振频率相同，是实现系统耦合谐振的前提。 通过 AC/DC 转换电路后，电流由原来的交流变为直流。 成 为直流后，要想实现充电，则可以通过有存储电量的元器件作为电路的输出方法。 利用充电电路可以实现充电的功能。 下面选择整体电路中的高频振荡电路与功率放大电路的实施方案进行设计和论证。 高频振荡电路方案的设计与论证 方案一： 采用西勒振荡电路 振荡器接通电源后，由于电路中的 电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个 LC 谐振回路，具有选频作用，当 LC 谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。 虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。 当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即 AF=1，振荡幅度就不再增大了。 于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件。 采用 LC 谐振回路产生所需的频率。 优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低。 武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 8 图 西勒振荡电路 方案二 ： 采用晶体振荡电路 采用有源晶振。 有源晶振只要加上电源 配合合适的外部电路 就可以产生频率稳定的载波。 优点是电路 比较 简单，频率稳定 度高。 缺点就是不能产生任意频率的载波。 图 晶体振荡器 武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 9 方案论证：本设计对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，所以采用方案二。 而且具有电路简单，频率稳定的优点。 功率放大电路方案的设计与论证 方案一，采用集成芯片。 现有许多高频大功率的集成放大器 (如 AD815)可以用来设计高频功放。 集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。 方案二，采用分立元件的功率放大器。 为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择在丙类工作状态下工作 采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。 采用功放管，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给提供足够的驱动功率。 方案论证：本题目要求不能采用专用芯片和模块。 能量发射模块功率上限为5W，需要较大功率的功放管，故选用方案二。 3 设计原理及主要电路参数的计算 电源设计 整流电路 当负载仅需要几十瓦或几百瓦的功率时，常常采用单相整流电路。 整流 电路是利用二极管的单向导电性，把交流电变为脉动直流电的电路。 由图可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。 利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压 U2 的正半周内，二极管 D D3 导通， D D4 截止，在负载 RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反， D D3 截止， D D4 导通，流过负载 RL 的电流方向与正半周一致。 因此，利用变压器的武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 10 一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。 桥式整流的名称只是说明电路连接方法是桥式的接法，桥式整流二极管：大家常用的一般是由 4只单个二极管封装在一起的元件，取名桥式整流二极管 ,整流桥或全桥二极管。 图 桥式整流电路及工作波形 由此可见，在交流电压 V2 的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故 RL 上得到单方向全波脉动的直流电压。 在桥式整流电路中 ，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半。 在V2 的正半周期， D1 和 D3 导通时，可将它们看成短路，这样 D2 和 D4就并联 在 V2 上，其承受的反相峰值电压为： 22VVRM 二极管所能承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即 22VVRM。 流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即 : LLOOD RVRVII 武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 11 滤波电路 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同来实现滤波。 电容 C 对直流开路，对交流阻抗小，所以 C 应该并联在载波两端。 在整流器的输出端并联一个容量很大的滤波电容 C。 图 电容滤波电路 其工作原理为：当接入交流电源后，当电压为正半周期时，电压通过 13，24 向电容 C 充电；当电压为负半周期时，电压通过 23， 14 向电容 C充电。 充电常数为： 可调输出电压三端集成稳压电路及分析 由可调输出电压三端集成稳压器 CW317 组成的稳压电路如图所示。 图 可调输出电压三端集成稳压电路 CRc int武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 12 直流稳压源的输出可以通过调节 R2的大小来实现，通过仿真可以实现输出电压在 0～ 36V 的范围内调节，所以，满足设计要求中供电部分输入 36V 以下的直流电压的要求。 高频振荡器设计 原理说明 晶振是晶体振荡器的简称。 它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共 振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。 在通常工作条件下，普通的晶 振频率绝对精度可达百万分之五十。 高级的精度更高。 有些晶振还可以由外加电 压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（ VCO）。 晶振在数字电路的基本作用是根据电路设计，在某个时刻专门完成特定的任务，如果没有一个时序控制的标准时刻，整个数字电路就会成为“聋子”，不知道什么时刻该做什么事情了。 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。 有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶振，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低 的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。 由于晶体自身的特性致 使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感， 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类。 电路设计 利用非门与晶振设计如下电路图。 前一个逻辑门用来产生震荡，后一个用来产生方波，电阻的作用是：使得反相器工作于线性放大区，负载电容的作用是使武汉理工大学《学科基础课群综合设计》课程设计报告书 13 得晶振的震荡更加稳定。 电路的输出频率只与晶振频率有关，与 R、 C 的数值无关。 图 晶体震荡电路 高频功率放大器设计 原理说明 高频功率放大器用于发射级的末。