【正文】 ............ 32 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 1 摘要 電能的當(dāng)今最主要的能源之一，近年來(lái)興起的非接觸電能傳輸供電技術(shù)解決了傳統(tǒng)接觸式供電的一些弊端。 時(shí)間安排： 時(shí)間安排： 20xx 年 1 月 6 日，布置課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求說(shuō)明。武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 I 《非接觸供電系統(tǒng)》任務(wù)書 題 目 : 非接觸供電系統(tǒng) 初始條件： （ 1）《通信原理》、《微機(jī)原理》、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《電磁場(chǎng)與電磁波》等學(xué)科基礎(chǔ)課的課堂理論知識(shí)； （ 2） PROTEL 等硬件設(shè)計(jì)軟件， EWB、 MULTISIM、 MATLAB 等仿真設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用。 （ 2）在輸出功率≥ 1W 的條件下，轉(zhuǎn)換效率≥ 15% （ 3）最大輸出功率≥ 5W。 20xx 年 1 月 20 日，上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行答辯。電磁感應(yīng)方案就是利用變壓器原理，通過(guò)初、次級(jí)線圈的感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。非接觸供電系統(tǒng)主要應(yīng)用于起重、傳送和物流等領(lǐng)域。 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。 電磁感應(yīng)式無(wú)線能量傳輸 電磁感應(yīng)式 WPT 是基于電磁感應(yīng)原理，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)。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 4 電磁共振式無(wú)線能量傳輸 電磁共振式 WPT，是美國(guó) MIT Solja i 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在 20xx 年提出的突破性技術(shù)。 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)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)。 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)。若系統(tǒng)沒有負(fù)載 (包括線圈的寄生電阻 )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 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： 式中 源線圈的傳導(dǎo)電流密度； 源線圈的位移電流密度； 源線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。 磁場(chǎng)為單一頻率激勵(lì)源時(shí)，功率表達(dá)式 (25)簡(jiǎn)化為集中參數(shù)形式： (26) 式中 源線圈激勵(lì)的磁場(chǎng)變化角頻率； 分別為源、接收線圈的電流； 2 方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案設(shè)計(jì)與說(shuō)明 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)現(xiàn)對(duì)小型電器供電或充電等功能。 振蕩器 是 在無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)化成具有一定波形、一定頻率和 一定幅度的交變能量的電子電路 。 通過(guò) AC/DC 轉(zhuǎn)換電路后，電流由原來(lái)的交流變?yōu)橹绷鳌? 高頻振蕩電路方案的設(shè)計(jì)與論證 方案一： 采用西勒振蕩電路 振蕩器接通電源后，由于電路中的 電流從無(wú)到有變化，將產(chǎn)生脈動(dòng)信號(hào)，因任一脈沖信號(hào)包含有許多不同頻率的諧波，因振蕩器電路中有一個(gè) LC 諧振回路，具有選頻作用，當(dāng) LC 諧振回路的固有頻率與某一諧波頻率相等時(shí)，電路產(chǎn)生諧振。 采用 LC 諧振回路產(chǎn)生所需的頻率。優(yōu)點(diǎn)是電路 比較 簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定 度高 。 功率放大電路方案的設(shè)計(jì)與論證 方案一，采用集成芯片。 為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率，常常選擇在丙類工作狀態(tài)下工作 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。 3 設(shè)計(jì)原理及主要電路參數(shù)的計(jì)算 電源設(shè)計(jì) 整流電路 當(dāng)負(fù)載僅需要幾十瓦或幾百瓦的功率時(shí)，常常采用單相整流電路。因此，利用變壓器的武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 10 一個(gè)副邊繞組和四個(gè)二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓和電流。在V2 的正半周期， D1 和 D3 導(dǎo)通時(shí)，可將它們看成短路，這樣 D2 和 D4就并聯(lián) 在 V2 上，其承受的反相峰值電壓為： 22VVRM? 二極管所能承受的最高反向電壓就是電源電壓的最大值，即 22VVRM? 。 圖 電容濾波電路 其工作原理為：當(dāng)接入交流電源后，當(dāng)電壓為正半周期時(shí)，電壓通過(guò) 13，24 向電容 C 充電；當(dāng)電壓為負(fù)半周期時(shí)，電壓通過(guò) 23， 14 向電容 C充電。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。 晶振在數(shù)字電路的基本作用是根據(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，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。 前一個(gè)邏輯門用來(lái)產(chǎn)生震蕩，后一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生方波，電阻的作用是：使得反相器工作于線性放大區(qū)，負(fù)載電容的作用是使武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 13 得晶振的震蕩更加穩(wěn)定。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。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。即當(dāng)信號(hào)在 ~ 之間時(shí)， Q1 Q2 都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。 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關(guān)狀態(tài)，效率和 D 類功率放大器相當(dāng)。 所謂折線法是把電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進(jìn)行分析和計(jì)算的方法。 對(duì)高頻功率放大器的基本要求是 ,盡可能輸出大功率、高效率，為兼顧兩者，通常選丙類且要求在臨界工作狀態(tài)，其電流流通角 c? 在 600— 900 范圍。 功率放大器集電極的等效電阻為： 集電極 基波電流振幅為： 集電極 電流脈沖的最大振幅為： 集電極 電流脈沖的直流分量為： 電源提供的直流功率為 : 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 16 集電極 的耗散功率為 集電極 的效率為： 已知： 13pA dB? 即 20pA? 則輸入功率： 基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè) ? =10） 得基極輸入的電壓振幅為 基極偏置電路計(jì)算 因 則有 ： 因 E CO EV I R? 則有 諧振回路的計(jì)算 根據(jù)公式 我們?nèi)☆l率 f=， C=，則 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 17 最后電路如圖所示 圖 高頻諧振功放電路 耦合線圈 設(shè)計(jì) 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)。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。 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。 圖 同軸平行的線圈模型 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 19 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 —— 真空磁導(dǎo)率， =4π 107； —— 取銅導(dǎo)線的電導(dǎo)率 銅= 107S/m。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 ~25MHz 最好。經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱單向脈動(dòng)性直流電壓。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 20 電路設(shè)計(jì) 電路圖選用全波整流 圖 全波整流電路 充電電路設(shè)計(jì) 原理說(shuō)明 電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而各種無(wú)線電裝置需要用直流電。 常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類。 濾波電路的原理實(shí)際是 電感和電容 元件基本特性的組合利用。將上述分電路聯(lián)調(diào)在一起得到總電路圖如下圖所示。Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的 SPICE 技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。 用戶可以通過(guò)菜單或工具欄改變主窗口的視圖內(nèi)容。直流電源的輸出可以通過(guò)電調(diào)節(jié)位器的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)仿真可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在 036V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以，滿足設(shè)計(jì)要求中供電部分輸入 36V 以下的直流電壓。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 27 功能驗(yàn)證 （ 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； 圖 向 2 個(gè) LED 供電 圖 向 4 個(gè) LED 供電 由圖可知，對(duì)外供電可以使多個(gè) LED 點(diǎn)亮，電源只用了 12V，小于 36V，滿足該項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了非接觸供電。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 29 5 心得體會(huì)及總結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)將通信工程領(lǐng)域的模電、數(shù)電、通信電子線路以及信號(hào)與系統(tǒng)等學(xué)科中的理論知識(shí)如功率放大器、振蕩器及濾波電路等的基本原理及基本特點(diǎn)得到了應(yīng)用。在查閱過(guò)程中我也了解了許多關(guān)于電子設(shè)計(jì)的方法和技巧。 20 答辯時(shí)態(tài)度謙虛有禮。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 3）其它