羅 陶 發表於 2014-09-10 12:02:01
因不同的類型電子產品需要使用不同的充電器，充電時還要尋找合適的插口和理順接線，筆者利用電磁感應原理，設計了智能無線充電器。該無線充電器具有自動感應充電和充滿電後智能斷電功能，不僅適用於各種不同充電電壓和容量的電子產品，而且能夠對多臺不同的電子產品同時進行充電。作品採用智能無線充電的設計思想，具有使用方便、適用面廣的優點，有較高的推廣應用價值。
1.系統概述
1.1 當前充電模式情況
在電子科技技術高速發展的今天，全球範圍內的手機用戶數量已經達到了33億，再加上MP3、MP4等其他周邊電子產品，平均不到2人就擁有一個需要充電的可攜式電子產品。目前普遍使用的都是數據線插接式充電，這種充電方式數據線接口用久了通常會有觸不良等現象，而且單個充電器適應面不廣，因不同的類型電子產品需要使用不同的充電器，充電時還要尋找合適的插口和理順接線，真可謂費時費力；各種可攜式電子產品的充電是一件令人頭痛的麻煩事。為了改良上面的現象，研發智能無線充電器是很有必要的。
1.2 作品簡介及優點
智能無線充電器利用電磁感應原理，是非接觸充電系統，不再通過導線（充電線）傳輸電能，而是無線傳輸方式充電。沒有充電所用的物理接口，與一般充電器相比，避免了插線或拔電池的麻煩，具有一般充電器的工作原理；作品採用一（充電器）對多（感應負載）充電、智能充電的設計思想；無線充電器對負載充電時，指示燈將由綠燈轉換為七彩燈，手機也正確顯示充電狀態並智能完成充過程（實驗產品為手機）。本充電器可以同時對多個負載充電，可以自動感應是否有負載充電，達到自動充電，充滿電後10秒自動斷電，達到智能化；從而大大方便了用戶。智能無線充電器使用十分方便、一個充電器就可以滿足一個家庭的需要，具有較高的推廣應用價值、成本低廉（與一般充電器價格相差不多）等優點，現在世界上許多大公司（如Sony，Intel，apple，飛利普等）也正在火熱研究中；智能無線充電必將是取代物理直插的發展方向，將肯定受到人們的歡迎和重視。
基於以上思路，充分運用所學電子技術知識，經過老師悉心指導。設計、製作智能無線充電器，它具有如下優點：
（1）成本低廉
電路由脈衝產生部分、功率放大部分，濾波部分、比較部分及發射和接收部分組成，每部分只是幾個小元件組成，製作簡單。
（2）一對多充電
一臺充電器可以對多個負載充，一個家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用，隨著負載的增加，工作效率也會增高，因此可以節約用電同時亦可減少不必要的開銷。
（3）方便性
與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用，接觸不良等現象，老年人也能很方便地使用。
（4）智能化
只要把感應負載往充電器上面放，就可以自動感應充電，通過信息反饋，當感應負載滿電後，自動斷電，實現充電過程智能化。
2.工作原理概述
2.1 系統模塊
無線充電器利用電磁感應原理。通過NE555D晶片產生一個36.7K的脈衝頻率（因為經過調試在36.7K頻率時，效率達到最高），IRFP460功率放大，使發射線圈產生磁場，當接收線圈靠近時，產生感應電流，經過全波整流和穩壓，得到負載 （手機）所需要的充電電壓和電流。發射線圈的電流會隨著感應負載的增加而增大，通過運放把0.33歐的負載電壓23倍放大，再經過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準源Uo比較。充電時，U1大於Uo七彩燈閃亮，表示正在充電；空負載或充滿電時，U1小於Uo，綠燈亮，若10秒鐘後沒有感應負載，自動斷電；按一下復位鍵則充電器重新啟動。 具體電路分析如下：
2.1.1 NE555D脈衝發生器模塊
如圖1，根據T=（R1+Rp）C1，f=1/T，調節Rp使NE555D輸出一個36.7KHZ的脈衝頻率。
2.1.2 功率放大及無線發射模塊
主要把NE555D產生的一個36.7KHZ的脈衝功率放大，經發射線圈發射出去。當脈衝為高電平時，Q12柵極為高電平，Q12導通，此時Q8飽和，Uceq電壓只有0.67V，經D10-4148後Q1柵極電壓為0，Q1截止。當脈衝為低電平時，Q8、Q12同時截止，電流直接由R16 D10 Q1，Q1導通。整個過程中Q1與Q12均以一開一關的形式工作。電路如圖2：
2.1.3 感應線圈模塊
如圖3，當感應線圈靠近發射線圈時，就會產生感應電流，經過全波整流後，根據不同的電子產品的充電電壓，可選擇不同的穩壓二極體穩壓，再經三極體Q100放大電流後供給不同電子產品充電。
2.1.4 充電檢測模塊
當有感應負載時，R20（0.33歐）電阻上的電壓會增大，經運放U2A放大A=1+R5/R6=23倍後，電壓變化明顯，再經過1N4148整流濾波，得電壓U1與基準源U。比較，此時U1＞U。，運放輸出Ui為高電平，七彩燈閃爍；當感應負載充滿電（或沒有感應到負載），此時U1＜U。，運放輸出Ui為低電平，綠燈亮。
2.1.5 智能斷電模塊
（1）當開關S2斷開時，整充電器處於智能充電過程。充電器啟動時，繼電器K1閉合，同時K2為斷開狀態。當有感應負載時，七彩燈閃爍，Ui為高電平，此時Q5飽和，電壓Uceq為0.67V，低於Q2+Q4的導通電壓之和（1.34V），Q2與Q4構成達林頓，同時截止，繼器K1吸合；當感應負載充滿電（或無感應負載）時，綠燈亮，即Ui為低電平，此時Q3截止，電容C5與R9構成RC充電電路，當電容充電電壓到達Q2與Q4的導通電壓時，Q2導通，使Q4飽和，此時繼電器工作電壓只有0.67V，繼電器斷開，整個電路處於完全斷電狀態。斷電後，繼電器K2閉合，此時C5與R13構成RC放電電路，給C5快速放電。當按一下輕觸復位開關時，充電器重新啟動。當感應負載充滿電（或無感應負載）時，電容C5充電，其電壓為Ut
由公式Ut=12*（1-e-t/R9C5）得：t=-R9C5ln（1-Ut/12）
其中C5=100UF，R9=1MΩ，Ut=1.34V，
經計算得斷電時間：t=10S
實現了10秒自動斷電。在綠燈亮的10秒內只要有感應負載，則Ui為高電平，Q3飽和，電容C5放電。整個充電過程實現智能化斷電。
（2）當S2閉合時，整個充電電路處於手動斷電過程。
2.1.6 流程圖
具體工作流程如圖7所示：
2.2 系統實現
系統實物圖如圖8、圖9、圖10所示。
3.主要技術指標
該作品主要技術指標如表1所示
4.元件清單
本系統所採用的主要元件清單如表2所示：
經統計得：
元器件總價格 $=17.18（元）。
5.作品擴展
通過研究，我們發現無線電磁感應充電的應用領域十分廣泛，除了應用於最基本的手機、MP3、MP4、筆記本電腦，數位相機等便攜設備充電外，還可以應用在醫療、工業領域中，特別對於那些完全密封式的設備有著更重要的意義；如果把發射線圈裝進滑鼠墊裡面，便可實現滑鼠無線供電。其實除了感應充電以外，還可以通過改變脈衝頻率實現驅蚊趕鼠等功能。
6.結束語
本設計把目前電子類課程所學的專業知識真正應用到實踐中，由於作品架構設計合理，電路功能實現較好，性能優良、穩定，較好地達到了預期設計要求的各項指標。
附：儀器設備清單
函數信號發生器
數字萬用表
模擬萬用表
失真度測量儀
數字示波器
穩壓電源
超高頻毫伏表
參考文獻
［1］徐守時。信號與系統［M］。合肥：中國科學技術大學出版社，2003.
［2］張桂芬。電子技術基礎［M］。北京：人民郵電出版社，2005.
［3］趙樹傑，趙建勳。信號檢測與估計理論［M］。北京：清華大學出版社，2005.
作者簡介：
羅陶（1981—），男，廣東機電職業技術學院助教，主要研究方向：電子與通信。
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