【正文】 特性曲線況下，接收端電壓越大。表48 不同電容參數(shù)距離特性實驗數(shù)據(jù)線圈1線圈2線圈3傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V000111222333444555777101010131313151515202020根據(jù)以上數(shù)據(jù)，畫出曲線如圖47。如表47所示為實驗所用的線圈及電容參數(shù)。 圖46 不同線圈線徑距離特性曲線 電容參數(shù)對傳輸距離的影響 作為諧振過程中的儲能器件之一，電容的大小表征了儲存能量的能力。 當接收端負載接2只串聯(lián)LED燈（白色、1W），緩緩增加兩線圈距離，當LED燈熄滅時，測量三組線圈此時的距離分別為為38cm、45cm、51cm。從曲線上可以看出，當諧振頻率近似相等的時候，傳輸距離相同的情況下，線徑大的線圈傳輸?shù)哪芰枯^大。 表45 線圈及電容參數(shù)線圈編號線圈線徑（mm）線圈直徑（cm）線圈匝數(shù)電感（μH）諧振電容（nF）諧振頻率（kHz）1424682424823424150當負載接100歐姆的電阻，分別測量三組線圈在不同傳輸距離的接收端電壓，數(shù)據(jù)如下表44。為了證明這一點，設(shè)計了三組線徑不同的線圈。這個數(shù)據(jù)再次證明了大直徑線圈能傳輸較遠的距離。由此可見，大直徑線圈能傳輸較遠的距離，能傳輸較大的能量。表44 不同線圈直徑距離特性實驗數(shù)據(jù)線圈1線圈2線圈3傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V111222333555101071212815151020201225251430301635184020 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，畫出曲線如圖45。 實驗中選用的三種不同直徑的線圈參數(shù)如表43所示，為了排除諧振頻率對傳輸距離的影響，匹配相應(yīng)的電容使諧振頻率近似相等。這個數(shù)據(jù)再次證明了匝數(shù)越多，傳輸距離越遠。測量LED完全熄滅的距離即為最遠亮燈距離x。匝數(shù)越多，傳輸距離越遠。匝數(shù)多的大電感線圈，曲線上升速度緩慢，達到的最高電壓小，曲線的衰減速度緩慢。表42 不同線圈匝數(shù)距離特性實驗數(shù)據(jù)線圈1線圈2線圈3傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V傳輸距離/cm接收端電壓/V33355573177101010151515202020222222252525根據(jù)以上數(shù)據(jù)，畫出曲線如圖44。三組線圈除了線圈匝數(shù)不同，其它都相同。 線圈匝數(shù)對傳輸距離的影響由式（41）可知，線圈的電感大小與線圈匝數(shù)的平方成正比。（a）（b）圖43 實驗實測波形 傳輸距離特性實驗 據(jù)磁耦合諧振式無線電能的傳輸原理，影響電能傳輸距離的最直接因素是系統(tǒng)的諧振頻率，提高諧振頻率可增大電流的變化率，使發(fā)射的磁場變強，傳輸距離變遠。此時PWM波的占空比為30%和70%。圖42 實驗裝置實物圖如圖43為實驗過程中的實測波形圖。如圖42為實驗裝置實物圖。如圖41為實驗裝置的簡圖?？梢娋€圈的電感大小由線徑、半徑、匝數(shù)決定。諧振頻率的大小取決于L和C，即電感和電容的大小。在此系統(tǒng)中，能量是通過發(fā)射線圈和接收線圈的耦合進行傳輸，在傳輸過程中，兩線圈之間耦合的效率決定了傳輸效率，同時也決定了傳輸距離的大小。并且給出了具體的原理圖、實物圖及元器件的選擇分析。單片機使用15MHz的晶振，完全滿足實驗需要。此設(shè)計采用32位k60單片機最小系統(tǒng)。但是為保障兩個開關(guān)管不會同時導(dǎo)通，需設(shè)置死區(qū)時間。 輔助電源電路如圖311為輔助電源電路實物圖。通過調(diào)節(jié)電位器女R1的大小，可改變輸出電壓值，調(diào)節(jié)電位器產(chǎn)生5V電壓。圖39 整流接收電路實物圖 輔助電源電路設(shè)計 輔助電源電路如圖310所示。中間部分是四只二極管整流，左側(cè)連的是接收線圈和諧振電容，即接收部分的L和C。它在市場上較為常見，關(guān)注度很高。圖38 橋式全波整流電路在橋式整流電路中，采用1N5822二極管。在這里選用75N75，它的開關(guān)速度快，內(nèi)阻較小(ON) = 。當Q1管閉合時，Q2管斷開，選頻網(wǎng)絡(luò)及負載上的電壓為電源電壓Vcc減去Q1管的飽和壓降；當Q1管斷開，Q2管閉合時，選頻網(wǎng)絡(luò)及負載上的電壓為Q2管的飽和壓降。IR2110的輸入為單片機的控制信號，其輸出信號直接控制開關(guān)管。驅(qū)動芯片采用IR2110，IR2110柵極驅(qū)動電壓范圍10~20V,輸出短路電流2A/2A。發(fā)現(xiàn)三種情況傳輸效率基本相同，圓餅圓餅型傳輸效率略高。線圈結(jié)構(gòu)主要有平面螺旋型和空心圓餅型。線圈設(shè)計的好壞直接關(guān)系到裝置的性能與質(zhì)量。圖35 發(fā)射與接收電路原理圖由公式 （31）可以算出諧振頻率的理論值，據(jù)經(jīng)驗，與實際值差別不會太大。 傳輸裝置的硬件線路設(shè)計如圖35為發(fā)射與接收電路原理圖。 橋式全波整流電源利用率高，正負半周均有電流流過[17]，所以采用橋式全波整流電路的效率相比其他兩種電路最高，在體積相同的情況下，功率容量最高，因此其總體性能優(yōu)于單向半波和單向全波整流電路。方案二：單向全波整流就是對交流電的正、負半周電流都加以利用，輸出的脈動電流，是將交流電的負半周也變成正半周方案三：橋式全波整流利用四個二極管，兩兩對接。當開關(guān)頻率調(diào)節(jié)到與諧振頻率相差不多時，LC串聯(lián)回路發(fā)生諧振。當T1管閉合時，T2管斷開，選頻網(wǎng)絡(luò)及負載上的電壓為電源電壓Vcc減去T1管的飽和壓降；當T1管斷開，T2管閉合時，選頻網(wǎng)絡(luò)及負載上的電壓為T2管的飽和壓降。如圖34為發(fā)射電路的初步設(shè)計方案。 比較上述兩種方案，綜合考慮實驗條件和可能性，方案二更簡便，更易實現(xiàn)，較符合實際情況。半橋發(fā)射電路由于只需要兩個開關(guān)管，體積相對較小、結(jié)構(gòu)簡單并且控制較容易。加在開關(guān)管上的驅(qū)動信號相差180176。 方案二：采用D類功率放大電路發(fā)射，其電路原理圖如圖33所示。此設(shè)計電源利用效率高，但是采用四個開關(guān)管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本較高，控制復(fù)雜而且驅(qū)動電路復(fù)雜，導(dǎo)通損耗也相對較大。 圖32 橋式串聯(lián)諧振電路原理圖電路正常工作時需要兩個相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩組開關(guān)管。當設(shè)計發(fā)射電路時，有以下幾種方案：方案一：采用橋式串聯(lián)諧振電路，電路由直流電源Vcc、四個開關(guān)管以及串聯(lián)LC 諧振網(wǎng)絡(luò)組成。單片機可通過按鍵來進行調(diào)節(jié)頻率，尋找諧振點，且通過A/D 對輸入電流進行采樣，并通過液晶屏顯示當前的工作頻率、輸入電流、PWM波占空比等。主電路輸入直流電壓，電能通過發(fā)射裝置發(fā)射出去，接收裝置接收后通過整流電路將電能提供給負載。但因為趨膚效應(yīng)，提高諧振頻率會使增大線圈內(nèi)阻，因此，諧振頻率并不是越大越好。 諧振頻率諧振頻率是磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)中的一個非常重要的指標。即當穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。 電磁感應(yīng)定律在磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，線圈之間的耦合在電磁感應(yīng)原理的基礎(chǔ)之上。設(shè)耦合電感L1和L2的電壓和電流，分別為、和、且方向都為關(guān)聯(lián)參考方向，互感是M，則兩個耦合電感的電壓、電流的關(guān)系為： （21） 耦合系數(shù)定量地描述了兩個耦合線圈的耦合緊疏程度，用k表示，有 （22）k 的大小，與兩個線圈的相互位置、結(jié)構(gòu)以及周圍的磁介質(zhì)有關(guān)系。自感磁通鏈和互感磁通鏈兩部分相加即是耦合線圈中的磁通鏈，耦合線圈的磁通鏈與施感電流呈線性關(guān)系，是各施感電流的磁通鏈疊加得到的結(jié)果。圖21 磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)框圖 磁耦合 一個線圈的電流變化在相鄰的線圈產(chǎn)生感應(yīng)