描述
近期有同學(xué)詢問，在制作無線充電接收線圈時(shí)，需要應(yīng)用到哪些知識(shí)，注意到哪些問題？下面就線圈電感計(jì)算、導(dǎo)線選擇以及整流方式等內(nèi)容給大家做些介紹。 電感量的計(jì)算 接收線圈串聯(lián)諧振電容可以有效提高接收電路輸出功率。如果電容與接收線圈不匹配，就會(huì)造成輸出功率的急劇下降。下圖實(shí)驗(yàn)反映了接收電路在諧振與非諧振兩種情況下，輸出電流與電壓之間的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)條件為：發(fā)射線圈頻率為640kHz，接收線圈電感量為14.8uH，諧振電容為4.2nF。非諧振時(shí)串聯(lián)電容為9.4nF。在同樣的情況下，測(cè)量整流輸出的直流電壓與電流之間的關(guān)系。如下圖所示：
可以看到，諧振狀態(tài)下，輸出電壓在輸出電流很大范圍內(nèi)，保持緩慢線性下降的過程，取中間一段V-A特性曲線，可以求出輸出電阻大約為2歐姆左右。但是如果串聯(lián)電容不匹配，則輸出電壓隨著輸出電流增加而急劇下降。 接收線圈和串聯(lián)電容不諧振也有特殊用途。巧妙的利用接收線圈的不諧振來控制接收電路的最高輸出功率，則可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)恒功率輸出，這樣便可以將整流輸出直接充電的最簡(jiǎn)單的電能接收電路，在后面有實(shí)驗(yàn)演示。 為了制作合理的接受電路，首先需要配置接收線圈和串聯(lián)諧振電容。對(duì)于制作的線圈的電感量，可以使用公式方法進(jìn)行計(jì)算，也可以使用LCR表進(jìn)行測(cè)量。得到接收線圈電感量之后，便可以根據(jù)LC諧振公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電容的數(shù)值。 可以在網(wǎng)絡(luò)上找到一些空心線圈電感量計(jì)算機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式可以根據(jù)線圈的基本參數(shù)計(jì)算出線圈的大體電感量?？梢愿鶕?jù)這些公式，進(jìn)行線圈的初步設(shè)計(jì)，然后再利用LCR表進(jìn)行測(cè)量修正。
根據(jù)上述公式，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的空心接收線圈進(jìn)行計(jì)算。使用中所使用的發(fā)送線圈，是將多股紗包線繞制成同一平面上的螺旋線。因此線圈的直徑D可以使用線圈的平均直徑；線圈的寬度W就是紗包線的直徑。代入公式經(jīng)過計(jì)算，發(fā)射線圈的電感量應(yīng)該是11.24uH，實(shí)際測(cè)量時(shí)12.64uH ，它們之間很接近。
上面的公式對(duì)應(yīng)線圈的形狀為圓形時(shí)是 有效的。如果線圈的形狀發(fā)生了改變，對(duì)應(yīng)的電感值會(huì)下降。 單股銅線和多股紗包線 由于電能無線發(fā)送頻率很高（640kHz），高頻電流在流經(jīng)導(dǎo)線的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)集膚現(xiàn)象。在很多場(chǎng)合下，需要使用多股紗包線來減少集膚現(xiàn)象引起電能更多的損耗。那么，究竟使用普通的單股漆包線和多股紗包線在接收電能方面包有多大的區(qū)別呢。 下面可以通過實(shí)驗(yàn)來檢查它們之間的差別。為了便于比較，使用兩種直徑接近的導(dǎo)線繞制直徑相同的接收線圈。一種使用25股，0.1mm的紗包線，一種使用之間為0.6mm的漆包線分別進(jìn)行繞制。圖中使用了兩個(gè)相同的信標(biāo)燈罩來繞制接收線圈。
線圈的匝數(shù)為13，直徑為8.5cm，高度平均為0.5cm，代入公式可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電感為： L=（0.01DN*N）/（W/D+0.44）=28.85uH 通過手持的LCR表測(cè)量，這兩個(gè)接收線圈的電感與計(jì)算值基本接近。通過LC諧振公式可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的串聯(lián)諧振電容值：
使用5個(gè)100歐姆電阻串聯(lián)成一個(gè)500歐姆的負(fù)載電阻，并聯(lián)在諧振電容上。將接收線圈放置在發(fā)射線圈的中心，啟動(dòng)電源后。使用示波器觀察接收交流信號(hào)以及測(cè)量信號(hào)的有效值。對(duì)比兩種線圈，發(fā)現(xiàn)，使用紗包線和單股線圈對(duì)應(yīng)的接受電壓有效值基本一致，沒有太大區(qū)別。
同樣，使用倍壓整流電路將接收到的交流電壓變換成直流電壓，使用電子負(fù)載作為整流輸出的復(fù)雜。測(cè)量?jī)蓚€(gè)線圈對(duì)應(yīng)的輸出直流電壓與電流曲線。如下圖所示：
可以看出，兩種接收線圈接收電能的效果基本上是一致的，沒有明顯的差別。只是單股線圈對(duì)應(yīng)的整流輸出V-A曲線斜率大一些，對(duì)應(yīng)接收電源的內(nèi)阻略微大一些。 通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明，對(duì)于智能車比賽中所對(duì)應(yīng)的接受能量范圍內(nèi)，使用直徑相同的多股紗包線與單股銅線之間的差別并不大，所以大家可以使用單股銅線完成接收線圈的制作。 整流方式 將接收到的高頻電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓可以使用倍壓整流，或者全波整流方式，不使用半波整流方式。整流所使用的二極管一般使用大電流的肖特基二極管。
使用倍壓整流，可以在同樣的接收線圈下獲得更高的電壓，相比于全波整流，倍壓整流電流只是用2個(gè)肖特基二極管。 下圖顯示了倍壓整流和全波整流輸出電壓與電流之間的關(guān)系。其中每一種整流方式都使用了單股漆包線和多股紗包線兩種線圈做了對(duì)比。
從上述曲線中可以看出，倍壓整流的確可以獲得更大的輸出電壓。但是在輸出電流增加的時(shí)候，電壓的下降比起全波整流來說更大一些。對(duì)應(yīng)的輸出等效內(nèi)阻也大一些。這從另一方面說明，這兩種整流方式將來可能獲得最大輸出功率將會(huì)大體相同。雖然全波整流輸出電壓低一些，但從上述曲線中可以看出它對(duì)應(yīng)的輸出電壓下降并不明顯，對(duì)應(yīng)的電源內(nèi)阻會(huì)更小。 上面實(shí)驗(yàn)中，所使用的線圈的匝數(shù)為9匝，直徑為8.5厘米，高度約0.5厘米。在全波整流的情況下，輸出 滿負(fù)荷電壓大約為12V左右。下面做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，直接將全波整流輸出的電壓加在了充電法拉電容（5F）上，直接使用無線充電電源進(jìn)行充電。居然充電過程非常平穩(wěn)，在10秒左右將可以將電容的電壓充至10V左右。
因此，制作接收電路的時(shí)候，只要線圈設(shè)計(jì)合適（匝數(shù)、直徑、高度），配備合適的串聯(lián)諧振電容，使用全波整流的方式，可以直接對(duì)法拉電容（小于10F）進(jìn)行充電。如果充電速率超過了發(fā)送允許，可以適當(dāng)通過調(diào)整線圈尺寸減少接收電壓。也可以適當(dāng)改變諧振電容，是接收回路偏離諧振一點(diǎn)，這樣也可以限制最高輸出功率。如果方法得當(dāng)，實(shí)際上可以不使用復(fù)雜的恒功率充電方式完成電能的接收。
雖然這種方式不能夠在所有情況下是由，但的確是一種最簡(jiǎn)單的接收電能的方法。 |
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