非接觸式供電系統(tǒng)

1、目錄TOC o 1-5 h z摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 實(shí)驗(yàn)任務(wù)及要求1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 實(shí)驗(yàn)要求1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 非接觸供電系統(tǒng)背景2 HYPERLINK l bookmark14 o

2、 Current Document 無(wú)線傳輸原理3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 微波無(wú)線能量傳輸3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 電磁感應(yīng)式無(wú)線傳輸4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 電磁共振式無(wú)線能量傳輸4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 能量傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成6 HYP

3、ERLINK l bookmark26 o Current Document 耦合諧振系統(tǒng)6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 能量傳輸過(guò)程及其遵循的準(zhǔn)則與方程6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 非接觸供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 高頻振蕩電路設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 設(shè)計(jì)方案9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Docum

4、ent 晶振電路的工作原理11 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 功率放大器設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 功率放大器原理12 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 功率放大器分類12 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 設(shè)計(jì)方案14 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 5.2.4功率放大器電路圖15 HYPERLINK l bookmark4

5、8 o Current Document AC/DC電路方案15 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 耦合線圈17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 線圈電感17 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 線圈互感18 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 傳輸系統(tǒng)的最佳頻率范圍18 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 5.5電路總圖及單元電路19 HYPERLI

6、NK l bookmark60 o Current Document 6方案實(shí)現(xiàn)與測(cè)試21 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 直流電源21 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 高頻晶振振蕩電路21 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 高頻功率放大器22 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 6.4橋式整流電路24 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 6.5實(shí)

7、現(xiàn)非接觸式供電24 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 6.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及說(shuō)明25 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 六總結(jié)與體會(huì)27 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 參考文獻(xiàn)29武漢理工大學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課群設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 摘要非接觸供電是一種能以電氣非接觸方式，將功率從功率輸送機(jī)提供到功率接收機(jī)的供電系統(tǒng)，其中功率輸送組件連接到功率輸送機(jī)以及功率接收組件連接到功率接收機(jī)。功率輸送組件具有用于輸送功率的多個(gè)輸送側(cè)線圈以及用于接通/斷開(kāi)輸送側(cè)線圈的操作的多個(gè)

8、輸送側(cè)開(kāi)關(guān)。功率接收組件具有用于接收功率的多個(gè)接收側(cè)線圈、用于接通/斷開(kāi)接收側(cè)線圈的操作的多個(gè)接收側(cè)開(kāi)關(guān)，另外，具有用于執(zhí)行控制以便操作在實(shí)現(xiàn)最高功率輸送效率的組合中的輸送側(cè)線圈的任何一個(gè)和接收側(cè)線圈的任何一個(gè)的判定電路。非接觸供電系統(tǒng)是一種通過(guò)非機(jī)械接觸的方式進(jìn)行電力和信號(hào)輸送的技術(shù)，主要應(yīng)用于agv、起重機(jī)和ems單軌輸送系統(tǒng)中。非接觸供電系統(tǒng)的工作原理類似于變壓器的初級(jí)/次級(jí)線圈的變壓原理。在變壓器中，初級(jí)和次級(jí)線圈纏繞在一個(gè)封閉的磁鐵上，cps系統(tǒng)將初級(jí)線圈“延伸”為一個(gè)很長(zhǎng)的回路，而次級(jí)線圈則纏繞在一個(gè)開(kāi)放的磁鐵上并且圍繞著初級(jí)線圈，因此可以允許兩個(gè)線圈互相之間進(jìn)行移動(dòng)，并且通過(guò)20

9、khz的高頻傳輸頻率，使傳輸性能達(dá)到最優(yōu)化。關(guān)鍵詞：非接觸供電功率放大器頻率振蕩器.AbstractNon-contactelectricalpowersupplyisanon-contactmethodcan,willprovidepowerfromthepowertransmissionunittothepowersupplysystemreceiver,whichisconnectedtothepowertransmissionpowerconveyorcomponentsandpowercomponentsconnectedtothepowerreceiverreceives.Powe

10、rtransmissioncomponentsforthetransmissionpowerofatransmissionsideofthecoilaswellasformultipleon/offoperationofthetransmissionsideofthecoilmultipletransmission-sideswitch.Powercomponenthasreceivedmorethanonereceiverforreceivingthepowersideofthecoil,usedforon/offoperationofthereceiversideofmultiplerec

11、eivercoilsideswitch,theotherhasusedtoperformcontroloperationsinordertoachievemaximumpowertransferefficiencycombinationofanyofthedeliverysideofthecoilandthereceivingsideofacoiltodetermineanycircuit.Non-contactpowersupplysystemisanon-mechanicalcontactbywayofpowerandsignaltransmissiontechnology,mainlyu

12、sedagv,cranesandmonorailtransportationsystemems.Non-contactpowersupplysystemworkssimilartothetransformerprimary/secondarycoilofthetransformerprinciple.Inthetransformer,primaryandsecondarywindingswoundonthemagnetinaclosed,cpsprimarycoilsystemextensionforaverylongloop,andthesecondarycoiliswoundinanope

13、nmagnetandaroundtheprimarycoil,itcanallowmovingbetweenthetwocoilstoeachother,andhigh-frequencytransmissionfrequencyby20khz,sothattransmissiontooptimizeperformance.Keywords:non-contactpowersupplyfrequencyoscillatorpoweramplifier武漢理工大學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課群設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 1實(shí)驗(yàn)任務(wù)及要求1.1實(shí)驗(yàn)任務(wù)在不采用專用器件（芯片）的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸供電系統(tǒng)的電路如下圖所示，使其實(shí)

14、現(xiàn)對(duì)小型電器供電或充電等功能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。耦合線圈耦合線圈圖1非接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖ac/dc1.2實(shí)驗(yàn)要求用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證，使其滿足以下功能：1）供電部分輸入36V以下的直流電壓，具有向多臺(tái)電器設(shè)備非接觸供電的功能。2）在輸出功率21W的條件下，轉(zhuǎn)換效率15%3）最大輸出功率25W。1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須包括仿真模型。非接觸供電系統(tǒng)背景非接觸式供電系統(tǒng)CPS(Con-tacklessPowerSupport),是指能量通過(guò)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)從能量源傳輸?shù)诫娯?fù)載的一個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程不是傳統(tǒng)的用有線來(lái)完成，而是通過(guò)無(wú)線傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)。電線充斥在我們的生活當(dāng)中，錯(cuò)綜復(fù)雜的連接方式，給

15、我們帶來(lái)很大的不便。長(zhǎng)距離的輸電線路需要大量的空間和金屬?？茖W(xué)家們?cè)趯で笠环N解決方法，可否利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)非接觸式的能量傳輸以達(dá)到供電的目的呢？早在了19世紀(jì)30年代邁克爾法拉第就發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)變化后將在電線周圍產(chǎn)生電流，這就為非接觸式傳輸電能提供了理論可能。1913年，既是航海家又是網(wǎng)球選手的法國(guó)人羅蘭-加洛斯就提出能否從地面為空中飛行器提供動(dòng)力。年美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在無(wú)線傳輸電力方面取得了新進(jìn)展，他們用兩米外的一個(gè)電源，“隔地”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。年在Intern公司技術(shù)峰會(huì)上，研究人員聲稱此項(xiàng)技術(shù)可以運(yùn)用到筆記本電腦上，借此擺脫了電線的束縛。如果這項(xiàng)技術(shù)得以應(yīng)用，我們的生活

16、將會(huì)發(fā)生巨大的變化：我們不再需要電線、插座，手機(jī)充電比打開(kāi)藍(lán)牙還要簡(jiǎn)單，只要你處于一定得區(qū)域內(nèi)，手機(jī)就一直可以被充電；同樣筆記本電腦也不用擔(dān)心電池沒(méi)電了。甚至，可能沒(méi)有電網(wǎng)這個(gè)概念，我們不需要電線了。這極大的鼓舞著人們?nèi)ミM(jìn)行研究無(wú)線傳輸能量的具體方法。無(wú)線傳輸原理根據(jù)電能傳輸原理，可將WPT技術(shù)分為三種：射頻或微波WPT、電磁感應(yīng)式WPT、電磁共振式WPT，下面分別予以介紹。微波無(wú)線能量傳輸所謂微波WPT，就是以微波（頻率在300MHZ-300GHZ之間的電磁波）為載體在自由空間無(wú)線傳輸電磁能量的技術(shù)。利用微波源將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?，由天線發(fā)射，經(jīng)長(zhǎng)距離的傳播后再由天線接收，最后經(jīng)微波整流器等重新

17、轉(zhuǎn)換為電能使用。微波頻率傳輸所具備的“定向、可穿透電離層”等特性，使得該能量傳送方式早在20世紀(jì)60年代初期就受到人們的關(guān)注，并在遠(yuǎn)程甚至超距能量傳輸場(chǎng)合有著重要的應(yīng)用價(jià)值。微波WPT主要用于如微波飛機(jī)、衛(wèi)星太陽(yáng)能電站等遠(yuǎn)距輸電場(chǎng)合，其中衛(wèi)星太陽(yáng)能電站作為人類應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的有效策略已成為美國(guó)、日本等國(guó)大力發(fā)展的重要航天項(xiàng)目。目前，限制微波WPT技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸在于高效微波整流器件、大功率微波天線以及大功率微波電磁場(chǎng)的生物安全性和生態(tài)環(huán)境的影響問(wèn)題然而，由于工作頻率高、系統(tǒng)效率較低，微波WPT并不適合于能量傳輸距離較短的應(yīng)用場(chǎng)合。電磁感應(yīng)式無(wú)線傳輸電磁感應(yīng)式WPT是基于電磁感應(yīng)原理，

18、利用原、副邊分離的變壓器，在較近距離條件下進(jìn)行無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)。目前較成熟的無(wú)線供電方式均采用該技術(shù)，典型的應(yīng)用包括新西蘭國(guó)家地?zé)峁珗@的30kW旅客電動(dòng)運(yùn)輸車、Splashpower公司的無(wú)線充電器等?？梢钥闯?，無(wú)論是小功率的消費(fèi)類電子產(chǎn)品還是大功率EV無(wú)線供電系統(tǒng)，電磁感應(yīng)式WPT技術(shù)都可有效實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。然而，電磁感應(yīng)式WPT仍存在一系列問(wèn)題：傳輸距離較短，距離增大時(shí)效率急劇下降；傳輸效率對(duì)非接觸變壓器的原、副邊的錯(cuò)位非常敏感等等。電磁共振式無(wú)線能量傳輸電磁共振式WPT，是美國(guó)MITSoljai領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在2007年提出的突破性技術(shù)。他們使用兩個(gè)固有諧振頻率相等的銅線圈（為方便表述，

19、稱其為“變壓器”），在共振激勵(lì)條件下（即激勵(lì)頻率等于線圈的固有諧振頻率），距離2m處，成功點(diǎn)亮了一個(gè)60W的燈泡，其中變壓器的效率達(dá)到了40%。壓器繞組間錯(cuò)位的敏感度減小，長(zhǎng)野日本無(wú)線公司給出了原、副邊繞組相互垂直的實(shí)驗(yàn)圖片；此外，利用共振模式對(duì)激勵(lì)頻率要求的嚴(yán)格性，可通過(guò)合理設(shè)置激勵(lì)頻率，向指定電器供電，提高安全性。然而，目前該方向的研究要么過(guò)于理論化，要么為實(shí)驗(yàn)研究，缺乏對(duì)應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)有定量指導(dǎo)意義的研究成果，但毋庸置疑，電磁共振式WPT因?yàn)槟芰康母咝я詈蠈⒊蔀閃PT技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。綜上所述，與非接觸感應(yīng)式充電技術(shù)相比，磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸?shù)膫鬏斁嚯x更有優(yōu)勢(shì)；與電磁波形式的無(wú)

20、線能量傳輸技術(shù)相比，磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸具有無(wú)敏感的方向性、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)。磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)能量傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成能量傳輸系統(tǒng)包括電源端與負(fù)載端兩部分。電源端包含導(dǎo)線繞制并與電容并聯(lián)的線圈（源線圈），以及為線圈提供電能的高頻電源；相隔一段距離的接收端包含另一個(gè)導(dǎo)線繞制并與電容并聯(lián)的線圈（接收線圈），以及消耗線圈電磁能的負(fù)載。耦合諧振系統(tǒng)導(dǎo)線繞制的線圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)；與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場(chǎng)，所感應(yīng)的磁場(chǎng)能同樣在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧

21、振頻率在空間自由振蕩，同時(shí)兩個(gè)諧振體之間不斷地有磁場(chǎng)能交換，因此產(chǎn)生以兩個(gè)線圈為中心以空氣為媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)。兩諧振體內(nèi)電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能振蕩交換的同時(shí)諧振體之間也存在著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。能量傳輸過(guò)程及其遵循的準(zhǔn)則與方程源線圈通正弦電流，線圈電感周圍產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，同時(shí)向電容充電；接收線圈感應(yīng)磁場(chǎng)，線圈電感產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)向其電容充電。當(dāng)正弦電流的頻率與線圈的諧振頻率相等時(shí)，源線圈電流方向改變的同時(shí)，交變磁場(chǎng)方向改變，接收線圈感生電動(dòng)勢(shì)，接收線圈的電容放電。正弦電流的方向周期性變化，接收線圈的電流被逐漸放大，直到接收線圈的電磁能達(dá)到最大。若系統(tǒng)沒(méi)有負(fù)載（包括線圈的寄

22、生電阻）消耗能量，源線圈與接收線圈兩側(cè)所包含的能量交替達(dá)到最大值（各時(shí)刻兩線圈包含的能量之和）。若各部系統(tǒng)有負(fù)載消耗能量，源線圈將源源不斷的向負(fù)載線圈傳遞能量，實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸。根據(jù)全電流定律，源線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)應(yīng)遵循方程：BD公式2-1式中J1源線圈的傳導(dǎo)電流密度；Dt/dt源線圈的位移電流密度；H1源線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，接收線圈感生電動(dòng)勢(shì)應(yīng)遵循方程：公式2-2式中E2接收線圈感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度；B12源線圈與接收線圈鉸鏈的磁場(chǎng)；口0一真空磁導(dǎo)率。J2=yE公式2-3公式2-3表示接收線圈中，電場(chǎng)E與電流密度J的關(guān)系。若沒(méi)有負(fù)載消耗能量，應(yīng)用矢量磁位計(jì)算源線圈與負(fù)載線圈鉸鏈的電磁能

23、為:W2=jA12J2dV公式2-4式中W2一一源線圈與接收線圈振蕩交替的磁場(chǎng)能/電場(chǎng)能；A12一一源線圈在接收線圈位置產(chǎn)生的矢量磁位。由式2-4得到源線圈與接收線圈之間交替的無(wú)功功率為：Q2=dW2/dt=(/A12J2dV)/dt=d(i2甲12)/dt公式2-5式中Q2一一接收線圈包含的無(wú)功功率；甲12一源線圈與接收線圈的耦合磁鏈。磁場(chǎng)為單一頻率激勵(lì)源時(shí)，功率表達(dá)式2-5簡(jiǎn)化為集中參數(shù)形式：公式2-6式中31源線圈激勵(lì)的磁場(chǎng)變化角頻率；i1,2分別為源、接收線圈的電流；線圈的磁場(chǎng)作用可看作是兩線圈之間的互感抗。構(gòu)成耦合諧振系統(tǒng)的分參數(shù)包括：線圈自感、互感、諧振電容、線圈電阻，以及消耗電能

24、的負(fù)載電阻。5非接觸供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)無(wú)線供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路五部分組成。非接觸供電系統(tǒng)框架如下圖i所示，最后給可充電電池充電。從無(wú)線電路傳輸?shù)脑砩峡?，電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越咼其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要咼于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。圖2非接觸供電系統(tǒng)框圖非接觸供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路5部分組成，最后給可充電電池充電。從無(wú)線電路傳輸?shù)脑砩峡矗娔?、磁能隨著電場(chǎng)

25、與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。5.1高頻振蕩電路設(shè)計(jì)5.1.1設(shè)計(jì)方案振蕩電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無(wú)法用線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。振蕩電路有以下兩個(gè)個(gè)過(guò)程：充電過(guò)程：電場(chǎng)能在增加，磁場(chǎng)能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場(chǎng)能在向電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化。放電過(guò)程：電場(chǎng)能在減少，磁場(chǎng)能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場(chǎng)能在向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化。在正弦波振蕩器中，主要有LC振蕩電路、

26、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。RC振蕩電路由于工作頻率較低，頻率穩(wěn)定度不高，故不予考慮。下面武漢理工大學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課群設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)武漢理工大學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課群設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 圖4有源晶振振蕩電路 著重比較LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路兩種方案。方案一:采用LC諧振回路產(chǎn)生所需的頻率。優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生任意所需載波，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度比較低，如圖3所示。方案二:采用有源晶振。有源晶振只要加上電源就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定。缺點(diǎn)就是不能產(chǎn)生任意頻率的載波，如圖4所示。圖3LC諧振振湯回路1Ydrt-2Y汨刖二、扎譏VSE-evP5Viwa|QVDD方案論證：本設(shè)計(jì)對(duì)頻率沒(méi)有具體要求，

27、而且無(wú)需產(chǎn)生多個(gè)頻率，所以采用方案二。而且具有電路簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。晶振電路的工作原理晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱。它用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振在數(shù)字電路的基本作用是提供一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻。數(shù)字電路的工作是根據(jù)電路設(shè)計(jì)，在某個(gè)時(shí)刻專門完成特定的任務(wù)，如果沒(méi)有一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，整個(gè)數(shù)字電路就會(huì)成為“聾子”，不知道什么時(shí)刻該做什么事情了。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系

28、統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一

29、個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無(wú)源晶振兩個(gè)大類。功率放大器設(shè)計(jì)利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的B倍，B是三極管的交流放大倍數(shù),應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的B倍,然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流（或電壓）是原先的B倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流放大，就完成了功率放大。

30、5.2.1功率放大器原理高頻功率放大器用于發(fā)射級(jí)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過(guò)天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收級(jí)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對(duì)諧波抑制度要求較高，而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有

31、直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。為了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙類、丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域。功率放大器分類功率放大器可分為A類放大器、B類放大器、AB類放大器、D類放大器及T類放大器等五大類。A類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近，晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。由于效率比較低現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。B類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器

32、的靜態(tài)點(diǎn)在（VCC，0）處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波（如圖虛線部分所示），所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高（78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是交越失真較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V0.6V之間時(shí)，Q1Q2都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。AB類放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。D類放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息

33、變換成PWM（脈沖寬度調(diào)制）或PDM（脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)：1具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。2體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。3無(wú)裂噪聲接通。4低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，效率和D類功率放大器相當(dāng)。它和普通D類功率放大器不同的是：1、它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，2、它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無(wú)用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，

34、而是散布在很寬的頻帶上,3、T類功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。設(shè)計(jì)方案方案一，采用集成芯片?，F(xiàn)有許多高頻大功率的集成放大器（如AD815）可以用來(lái)設(shè)計(jì)高頻功放。集成功放具有穩(wěn)定度高，需要調(diào)整的參數(shù)少的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是效率較低（集成功放一般采用線性放大），不滿足系統(tǒng)對(duì)功耗及傳輸距離的要求。方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高頻電路受分布參數(shù)影響大，而且不易調(diào)整，但其電路結(jié)構(gòu)比較靈活，對(duì)應(yīng)于不同要求的信號(hào)，可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的放大器以獲得最大的效率，而且輸出功率可以設(shè)計(jì)的較大，價(jià)格也相對(duì)低廉。采用功放管，前級(jí)的緩沖級(jí)，一是控制能量發(fā)射模塊的增益，二是給提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率。方案論證

35、：本題目要求不能采用專用芯片和模塊。能量發(fā)射模塊功率上限為5W,需要較大功率的功放管，故選用方案二。524功率放大器電路圖15V4血-F圖5采用分立元件的功率放大器AC/DC電路方案AC/DC(AlternatingCurrent/DirectCurrent)其作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過(guò)程，整流電路主要由整流二極管組成。其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流。半波整流電路最為簡(jiǎn)單，但是性能較全波整流和橋式整流不好。橋式整流電路與全波整流電

36、路相比，前者電源變壓器五中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且伏安容量小。由此可大致得到以下三種濾波整流電路方案。方案一：采用半波整流濾波電路。半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B、整流二極管D和負(fù)載電阻RL,組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2,D再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。如圖6所示。方案二：采用全波整流電路。全波整流電路，可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級(jí)線圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線圈分成兩個(gè)對(duì)稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓e2a、e2b，構(gòu)成e2a、DI、RL與e2b、d|、RL：兩個(gè)通電回路。如圖7所示。C二D2WKJL

37、圖6半波整流濾波電路圖7全波整流濾波電路i,jCt町口乩方案二：橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。如圖6所示。橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，D1,D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓,通電回路，在RL，2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、D1、RLDj.DiD4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通;，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì):寸DikD3加反向、D3D2、，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在RL上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。圖8橋式整

38、流電路方案論證：半波整流電路最為簡(jiǎn)單，但是性能較全波整流和橋式整流不好。橋式整流電路與全波整流電路相比，前者電源變壓器五中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且伏安容量小。綜此比較，整流電路選擇橋式整流電路。耦合線圈磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸是以時(shí)變磁場(chǎng)為媒介，當(dāng)外加激勵(lì)源的頻率與系統(tǒng)的諧振頻率相等時(shí)，諧振體耦合諧振實(shí)現(xiàn)能量傳遞達(dá)到最好狀態(tài)。因此，兩諧振體諧振頻率相同，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合諧振的前提。耦合模理論，不計(jì)損耗情況下，具有相同諧振頻率的諧振體之間可實(shí)現(xiàn)能量的完全交換；當(dāng)KT時(shí)，即耦合能力遠(yuǎn)大于自身?yè)p耗的情況下，具有相同諧振頻率的諧振體之間“強(qiáng)耦合”作用，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸。耦合系數(shù)體現(xiàn)了諧振體之間的耦合能力，

39、對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸起到至關(guān)重要的作用。損耗系數(shù)在能量傳輸系統(tǒng)中的作用絲毫不遜于耦合系數(shù)，二者共同決定了系統(tǒng)的耦合程度。系統(tǒng)中損耗功率增加，則通過(guò)磁場(chǎng)從一端耦合到另一端的功率所占比重減小，因此，損耗系數(shù)的減小與耦合系數(shù)的增加均可以增大系統(tǒng)的耦合程度。5.4.1線圈電感從幾何形狀看，線圈的種類繁多，如圓形線圈、方形線圈、環(huán)形線圈等。相對(duì)于其他幾何形狀的線圈，圓柱線圈具有的最大優(yōu)勢(shì)在于：每單位體積繞線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)最大。對(duì)于采用密繞的圓柱單層螺旋線圈，導(dǎo)線采用電導(dǎo)率較大的銅芯漆包線，以減小線圈自身電阻。根據(jù)傳輸距離、功率的不同要求，采用不同尺寸的線圈。5.4.2線圈互感磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸是多方位

40、的能量傳輸，諧振體（諧振線圈）之間沒(méi)有嚴(yán)格的方向?qū)?yīng)關(guān)系，又線圈互感與線圈的尺寸、方位有關(guān)。同軸平行的線圈之間的互感圖9中線圈模型的互感計(jì)算:式中N1,2分別為線圈1,2的匝數(shù)；r1,2分別為線圈1,2的半徑；d兩線圈兩軸線中心距離。圖9同軸平行的線圈模型5.4.3傳輸系統(tǒng)的最佳頻率范圍兩個(gè)諧振線圈的尺寸完全相同，諧振電容相等，且諧振線圈在同軸線上“強(qiáng)耦合”關(guān)系式：式中口0真空磁導(dǎo)率，口0=4nX10-7；。取銅導(dǎo)線的電導(dǎo)率。銅=5.998X107S/m。中距離的無(wú)線能量傳輸，線圈半徑r與傳輸距離d是同一數(shù)量級(jí)的，線圈導(dǎo)線線徑D為是10-3m數(shù)量級(jí)。因此，若要“強(qiáng)耦合”（kt）關(guān)系式成立，則系

41、統(tǒng)的諧振頻率f至少為106Hz上下。另一方面，磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)是以時(shí)變磁場(chǎng)為傳輸媒介，不向外輻射電磁能，所以電磁波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于傳輸距離（入d）。中距離無(wú)線能量傳輸?shù)木嚯x傳輸范圍大體為幾十厘米到幾米，因此能量傳輸系統(tǒng)典型頻率f范圍為0.525MHz最好。5.5電路總圖及單元電路無(wú)線供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路五部分組成。非接觸供電系統(tǒng)框架如下圖10和圖11所示，最后給可充電電池充電。從無(wú)線電路傳輸?shù)脑砩峡?，電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度

42、就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。 圖11直流電源設(shè)計(jì)武漢理工大學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課群設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 6方案實(shí)現(xiàn)與測(cè)試6.1直流電源O&cillocope-XSC1圖12直流電源波形圖如圖12所示，下面的正弦波為輸入的電流波形，上面的直線為輸出的直流電流。6.2高頻晶振振蕩電路-VEJDX12HC9_1.5MHzYnncmrvh00OmilIi丈ope-XSC1ChErnel_AChin5.000V5.OODVO.OODV口13閩T2FTime352.725ue353.18U473.85nsTimebas亡Scaie:1Cham亡IAScale:5V/brvrrc.mvV0

43、圖13晶振震蕩波形圖由示波器可看出，振蕩器輸出頻率為2.14MHz左右的方波信號(hào)。滿足要求。6.3咼頻功率放大器十T-5UIRFJ40NR&R4R3十t-su二IRFJ40N,R3Rfi4JJUJHO：X5C1X5C1毎一Hllq.軒一圖14功率放大器波形圖由示波器可看出輸入信號(hào)幅度為5.000V,輸出信號(hào)幅度為7.564V,功率放大器設(shè)計(jì)符合要求。6.4橋式整流電路Oscilloscope-XSC2圖15次級(jí)電路、整流電路波形圖65實(shí)現(xiàn)非接觸式供電XMMiXMM1LED1D1圖16供電電路仿真圖電路中，電能經(jīng)功率放大器放大，由變壓器傳送，經(jīng)整流電路進(jìn)行整流，最終到達(dá)發(fā)光二級(jí)管，Vo=2.17

44、6V0.7V,使二極管發(fā)光，實(shí)現(xiàn)非接觸式供電.6.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及說(shuō)明供電部分輸入12v的直流電壓，實(shí)現(xiàn)讓兩個(gè)接收部分的發(fā)光二極管發(fā)光，說(shuō)明具有向多臺(tái)電器設(shè)備非接觸供電的功能，符合預(yù)期目標(biāo)如圖16所示，初級(jí)：P1=7.289*2.048=14.927w次級(jí)：P2=5.153*2.89=14.89w1w輸出功率：p3=2.89*2.177=6.30w轉(zhuǎn)換效率：P1/P3=6.30/14.927=42.21%15%上述數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求。2.3SAZiilflBrXMM3DQSH1MQHG-43IU1.5MHZ:HEfis:i&呂DZ卄1Q3卄1N4001L=-lXKM2.4卄LED1L?tlLED20圖17輸入與輸出電壓和電流輸出功率最大可達(dá)到Po=2.893*2.177=6.300w5w，符合設(shè)計(jì)要求D3D3-D1-4-1N40011N40011N4001D2D21N40Q11N4OQ11N40Q1