【導(dǎo)讀】無線供電的設(shè)計(jì)總是能吸引人，本文所設(shè)計(jì)的智能無線供電臺燈，不僅效率高，還能自動檢測有無接收部分工作，只有當(dāng)接收器在工作時(shí)，才會連續(xù)輻射無線電能。文中給出了詳細(xì)的講解，一起來看看這臺智能無線供電臺燈是如何設(shè)計(jì)并制作出來的吧！
許多電子類雜志和論壇上都有關(guān)于制作無線供電電路的介紹，這些電路雖各有千秋，但都有一個(gè)共同的不足之處，一是傳輸效率不太理想、二是不論有無接收器在工作，發(fā)射部分都一如既往地向外源源不斷地發(fā)射能量，這是不能令人滿意的。
本文所設(shè)計(jì)的這個(gè)無線供電裝置，除了傳輸效率比較高，它還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：能自動檢測有無接收部分工作，只有檢測到確有接收器在工作，它才會連續(xù)輻射無線電能，否則就始終只工作在低能耗的檢測狀態(tài)。其工作方框圖如圖1所示：
智能無線供電臺燈工作原理
1.發(fā)射部分
振蕩源由1/4個(gè)CD4011和遙控器用的晶體組成晶振電路，實(shí)測振蕩頻率為560kHz，這個(gè)頻率對收音機(jī)的中波段有兩處干擾：560kHz和1120kHz。因手邊沒有更合適的晶體選擇，也只好將就了。
4011是一個(gè)2輸入端與非門，所以電路能否工作還取決于另一個(gè)輸入端的電位，此輸入端的電位由IC2(555電路)的狀態(tài)決定，IC2輸出占空比約等于1/10的方波，所以使高頻振蕩電路的工作與間歇時(shí)間比也等于1/10。
4011的另3個(gè)與非門并聯(lián)起來作為推動級，把振蕩與輸出級隔離開。為了能在小功率的推動下也能輸出足夠大的高頻功率，輸出級選用場效應(yīng)管IRF634，場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，原則上不消耗激勵功率，但它的極間輸入、輸出電容很大，有幾百pF，如果直接接到4011的輸出端，會因?yàn)镃MOS門電路的輸出電流很小而使波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間變大，而導(dǎo)致效率下降。所以我還在CMOS門電路的后面加了一對互補(bǔ)的三極管，此互補(bǔ)管接成射極輸出，具有極小的輸出電阻，可以使方波的上升和下降時(shí)間大大減小。實(shí)踐證明，加上了這級電路后效率有了明顯提高。而且，使空載和有負(fù)載時(shí)的電流有顯著的區(qū)別，這就為無線供電的智能化提供了簡單可靠的檢測依據(jù)。
在沒有負(fù)載時(shí)，也就是說，無線供電的接收部分沒有靠近發(fā)射線圈時(shí)，VT3的源極電流很小，R6上的電壓降還不足以使VT4導(dǎo)通，所以IC3的第2腳上沒有觸發(fā)脈沖，第3腳上也沒有高電平輸出；一旦接收部分靠近了發(fā)射線圈，從發(fā)射級接收了足夠的能量，于是使得VT3的源極電流增加，R6上也產(chǎn)生了足夠大的電壓，能夠推動VT4導(dǎo)通，在VT4的集電極產(chǎn)生了幅度足夠的負(fù)脈沖，驅(qū)動IC3使之輸出高電平。此高電平通過VD2再送到晶振的控制端，使其工作在連續(xù)振蕩狀態(tài)，這樣就完成了負(fù)載檢測的任務(wù)。
我們說這個(gè)電路是智能無線供電電路，其原因就是它能自動檢測有無負(fù)載。沒有負(fù)載時(shí)它工作在間歇狀態(tài)以節(jié)約電能，一旦檢測到負(fù)載就工作在連續(xù)狀態(tài)，使其正常工作。
圖2中，Rp作為檢測靈敏度調(diào)節(jié)；LED為工作狀態(tài)指示(紅燈間歇閃亮為檢測狀態(tài)，綠燈亮為連續(xù)工作狀態(tài))；SA為維修開關(guān)，合上后，紅燈連續(xù)亮，輸出級連續(xù)工作，適于維修或弱負(fù)載時(shí)工作。
2.接收部分
實(shí)際上任何一個(gè)具有接收線圈的裝置都可成為接收電路，這里只是給出其中一例，它可以實(shí)測接收部分的功率，也可以調(diào)整撤回路的諧振狀態(tài)，使之靈敏度最高。電路很簡單，就不再贅述原理了。電路見圖2b：
如果不測試接收距離和檢測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，也可不裝圖2b的電路。
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3.零件選擇
無線供電的效率與發(fā)射級的工作狀態(tài)有關(guān)，同時(shí)也與作為發(fā)射電磁能量的線圈的質(zhì)量也有非常密切的關(guān)系，所以發(fā)射線圈L1我采用36×Φ0.1mm的李茲線，繞在用光盤作骨架的蛛網(wǎng)板上。見下圖：
線圈的骨架用光盤制作，為了避免渦流損失，光盤上的金屬鍍層應(yīng)當(dāng)去掉。骨架的內(nèi)徑為66mm，用36股Φ0.1的漆包線繞11匝。圖2b中的接收線圈也繞成蛛網(wǎng)式，用24股Φ0.1的多股漆包線繞8匝。
高頻輸出級用大功率場效應(yīng)管，如IRF系列的634、630均可，或其它耐壓200V，電流5A，最大損耗功率大于20W以上的VMOS管。使用時(shí)需加上面積足夠大的散熱器。
諧振電容C4要求用絳綸電容，耐壓200V以上；C11、C12、C13、C14要求耐壓35V以上。定時(shí)電容C5、C10要求容量準(zhǔn)確，漏電較小，最好用鉭電容，如果沒有鉭電容則應(yīng)采用耐壓25V以上的鋁電解。C7、C8、C11、C12要緊靠IC4焊接。
其他元件沒有什么特殊要求。
4.調(diào)試與安裝
先調(diào)發(fā)射部分。輸入24V的直流電源，當(dāng)調(diào)試開關(guān)處在斷開狀態(tài)時(shí)，LED的紅燈會以大約1秒的周期閃亮，這說明IC2工作正常。合上圖2a中的調(diào)試開關(guān)SA，使振蕩部分連續(xù)工作，這時(shí)紅燈將一直點(diǎn)亮。檢查各點(diǎn)的直流工作點(diǎn)是否正常，這時(shí)整機(jī)電流約50mA，其中VT3的漏極電流約20mA左右。如果24V和9V兩點(diǎn)的電壓正常，可用示波器檢查各關(guān)鍵點(diǎn)的波形。
當(dāng)各點(diǎn)波形基本正常后，用一個(gè)2200pF的絳綸電容(耐壓250V)和一個(gè)1000pF的可變(可用多連可變并聯(lián)而成)，仔細(xì)調(diào)整可變使整機(jī)電流最小。量出并聯(lián)的總電容，將一個(gè)或數(shù)個(gè)并聯(lián)的固定的等效電容替換原來的固定和可變電容，并在線路板上焊好。
斷開維修開關(guān)SA使振蕩器工作于間歇狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)Rp到最大使LED綠燈亮，逐漸將Rp減小，使得LED的綠燈熄滅，紅燈剛好閃亮。這時(shí)整機(jī)電流在10~20mA間擺動。
將接收部分靠近發(fā)射線圈，斷開接收部分的負(fù)載開關(guān)SA，則接收器上的指示燈LED會和發(fā)射部分的LED同步閃亮。同樣，用一個(gè)0.01μF左右的固定電容接到諧振線圈的兩端，逐步拉開發(fā)射線圈和接收線圈的距離，同時(shí)適當(dāng)增減諧振電容的大小使指示燈最亮。調(diào)整好后，將電容固定下來，在線路板上焊好。如果用示波器觀察諧振回路的波形，應(yīng)該可以看到與發(fā)射線圈頻率相同的正弦波。
合上負(fù)載開關(guān)SA(圖2b)，將接收線圈置于發(fā)射線圈正上方的5~10mm處，這時(shí)發(fā)射部分的雙色LED的綠燈會自動點(diǎn)亮，說明發(fā)射部分己檢測到負(fù)載，并工作在連續(xù)狀態(tài)。如果再次移去接收線圈，綠燈隨即自動熄滅，紅燈再次閃動，說明智能部分的檢測功能正常。如果檢測功能不正常，應(yīng)仔細(xì)調(diào)整Rp。
當(dāng)電路檢測到負(fù)載時(shí)，發(fā)射部分的總電流約200~300mA，視負(fù)載輕重而變。
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5、無線供電臺燈
電路和圖2b基本相同，只是將作為假負(fù)載的50Ω電阻換成了4只串聯(lián)的大功率LED。接收線圈用Φ1.2mm或更粗的漆包線做成圓盤狀的線圈，其內(nèi)徑為67mm繞8匝，兩端各留25cm的引出線，將來就作為小臺燈的支架。
找一個(gè)光盤，去掉金屬鍍層，在適當(dāng)?shù)胤姐@兩個(gè)小孔，將繞好的線圈引線穿過光盤上的小孔，并將線圈粘合在光盤上。
將4個(gè)1W的LED裝在自制的散熱器上。
另找一個(gè)直徑80mm的小光盤(不必去膜)和一個(gè)大小適當(dāng)?shù)乃芰掀可w，作為制作臺燈的燈罩的原材料。
制作過程見下面系列圖片。
發(fā)射板元件面。
發(fā)射板背面。
裝發(fā)射部分的塑料盒。
發(fā)射板裝在右邊。
發(fā)射線圈裝在左邊。
測柵極電壓波形。
測漏極電壓波形。
測源極電壓波形。
做燈罩用的材料。
將4個(gè)LED串聯(lián)后裝在散熱板上。
做好后的燈頭正面。
燈頭背面。
臺燈正面。
臺燈側(cè)面。
臺燈背面。
臺燈的底座。
底座下面是接收線圈。
把臺燈放在發(fā)射線圈上方，很亮哦，此時(shí)整機(jī)電流升到200mA左右，盒子里面的綠色指示燈也亮了。
DIY智能無線供電臺燈小結(jié)
1.從場效應(yīng)管各點(diǎn)波形來看，輸出級的工作狀態(tài)并不十分理想，尤其是源極電壓波形存在高次諧波，這樣顯然會使電路的轉(zhuǎn)換效率降低。究其原因，應(yīng)該是因?yàn)闁艠O驅(qū)動電壓的波形過寬所致。如果使柵極波形改為更窄些的脈沖，使場效應(yīng)管的導(dǎo)通角更小些，估計(jì)效率會得到提高。
2.因制作時(shí)間比較倉促，從24V變9V直接采用了7809模擬穩(wěn)壓電路，其效率顯然是十分低下的，如果改用開關(guān)穩(wěn)壓電源，則可大幅提高驅(qū)動部分的效率，使電路在間歇工作狀態(tài)時(shí)更省電。
3.本裝置是模擬桌面無線供電系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，所以發(fā)射線圈和接收之間的距離大于12mm，這樣也使轉(zhuǎn)換效率有明顯下降，因?yàn)閮删€圈距離越大，效率必然越低。
4.無線臺燈只是無線供電的一種應(yīng)用，接收部分也可以用于無線充電、水下LED燈或旋轉(zhuǎn)LED圖形顯示等領(lǐng)域。
5.因?yàn)楝F(xiàn)成的無線供電模塊VOX330不容易買到，所以電源采用了24V直流。如果手邊有高壓無線供電模塊，直接采用220V交流電將會更具實(shí)用性。
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