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    特斯拉线圈无线充电模型设计研究

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    《国外电子测量技术杂志》2016年第9期

    摘要:

    在无线电能传输的研究中,广为人知的是发明者尼古拉•特斯拉发明的火花间隙特斯拉线圈,虽然该线圈结构简单原理易懂,但是其大电压、大电流的工作模式会危及使用者的生命安全。针对此问题设计了固态追频特斯拉线圈和固态定频特斯拉线圈,在实现无线电能传输的基础上保障了使用者安全。经实验证明,设计的3种电路无论是否正常工作,都不会产生危及使用者生命的电压电流。其中固态追频特斯拉线圈可以在9V电池供电的情况下点亮节能灯,固态定频特斯拉线圈可以在12V直流电压供电的情况下实现次级线圈尖端放电。

    关键词:

    特斯拉线圈;无线电能传输;固态特斯拉线圈

    1引言

    由于常规的电力传输越来越无法满足人们的日常需求,人们开始把目光投向了无线充电,因此无线充电成为了时下研究的热点。传统的特斯拉线圈[1]是在1891年由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉•特斯拉发明。该种特斯拉线圈为传统的火花间隙特斯拉线圈,其工作原理为利用谐振的方式,使两级线圈振荡升压,让放电终端可获得高频高压的交流电,即用高压谐振进行能量转换的高压发生装置。该种特斯拉线圈的一大弊端是初级线圈必须产生火花间隙,通过火花间隙制造出来的谐振频率传输电能,而产生火花间隙就使得电路中必须有大电压和大电流。使用者在操作火花间隙特斯拉线圈时,稍有错误就会危及生命安全[2]。在科学研究中为了避免使用者受到伤害,国内外使用者会穿上昂贵的特制衣服“法拉第笼”,因为“法拉第笼”可以把使用者接触到的危险电流直接导入大地中。除了上述方法外就是改良特斯拉线圈的电路,国内外中应用最为广泛的电路是固态特斯拉线圈,因为该电路中不会产生大电压和大电流,这也就从设计上保障了使用者的安全。本文设计的3款新型电路就属于固态特斯拉线圈的范畴,相比于一般而言的准连续波双谐振固态特斯拉线圈、连续波双谐振固态特斯拉、固态-真空管特斯拉线圈等固态特斯拉线圈而言,本文设计的特斯拉线圈在保证无线电能传输的基础上,具有更长的工作时间、较低的工作电压电流和简单的电路结构。

    2系统总体设计

    本着取材简单、成本低廉、易于制作及推广的原则,设计了3种电路,主要实现以下功能。1)无线电能传输[3]??梢栽冢梗值缭垂┑绲那榭鱿率迪治尴叩缒艽?,即点亮次级线圈端的节能灯。2)次级线圈尖端火花放电。通过在次级线圈尖端放置铁钉的方式,使得次级线圈尖端放电,从而看到电弧。

    3电路设计

    3.1基本电路设计

    基本电路由一个22kΩ电阻、2N2222A三极管、LED、9V电源、初级线圈和次级线圈组成[4],其电路如图1所示。在该电路中,其工作过程描述如下。接通电路,22kΩ电阻驱动三极管的基极,三极管接通并驱动电流流入初级线圈,其中该电流(集电极)是受到基极电流限制的。集电极电流所创建的磁场驱动初级线圈端,使得次级线圈的电压变大。但是输出端的微小寄生电容会阻碍电压升高,在次级线圈端的电压上升至饱和的同时,初级线圈端电压下降,使得三极管的基极电流下降。二极管可以防止基极电压下降超过0.7V以下,确保三极管的偏置电压。此外该三极管关断,磁场开始减小?;缪乖俅紊仙腿芙油?,重复该循环,实现特斯拉线圈的正常工作[5]。

    3.2拓展电路一(功率增强型的固态追频特斯拉线圈)

    相比于基本电路,拓展电路一在传输功率上有所提升,其供电方式也改为实验室电源供电,高功率MOSFET晶体管2SK2542代替了普通三极管[6],同时也增加了一个MIC4452栅极驱动器,其电路如图2所示。在该电路中,提高了初级线圈的发出功率[7],则相应的次级线圈的接收功率也变大了,进而使得该装置可以传输更高的能量,演示现象时效果更为明显。值得注意的是,因为电路中L和C的值相较于基本电路未改变,使得谐振频率也没有改变。经过计算得知,该电路中的谐振频率在1MHz左右,这就要求电路中的MOSFET晶体管也可以在这样的频率工作,否则电路不会产生振荡。

    3.3拓展电路二(固态定频特斯拉线圈)

    拓展电路二中,该电路由原来的固态追频特斯拉线圈改为固态定频特斯拉线圈。该电路相比于拓展电路一又增大了发射功率,使得使用者可以在次级线圈端引出电弧。该电路由施密特振荡电路、初级线圈和次级线圈组成[8],详细电路如图3所示。由图3可知,5V电压由U1产生,该电压为低功耗比较器和运放电路供电。12V电压由电感L1和电容过滤而成,该电压驱动U4的MOSFET栅极,此时MOSFET栅极电容中的电流会迅速达到峰值,使得电路中的噪声对振荡器电路的影响增大[9]。因此要注意地线的分布,确保振荡电路中的地线不是通过电源电路提供的。固态定频特斯拉线圈的一大特点是需要调节电路中的发射频率,使其和谐振频率相吻合,只有这样才可以实现无线电能传输和次级线圈尖端放电。经过计算此电路中的谐振频率约为1MHz。其中,U2是一个施密特触发器的振荡电路,可以通过POT1电位器调节电路中的频率为1MHz。振荡器输出电路中把从电容C7输出的电压转变成锯齿波,该信号与POT2创建的直流电压相比较,产生一个占空比可调的PWM波。此PWM通过U4栅极驱动器控制Q1到Q4的MOSFET晶体管打开/关闭。当MOSFET打开时,初级线圈的电流改变[10],当MOSFET关断时,电路中的能量会转换成一个大电压加在初级线圈,从而使次级线圈获得大电压,同时次级线圈会产生电弧。特别说明,该电路为直流电源供电。

    4实物测试及达到的技术指标

    在根据本文设计的电路图实际焊接后,进过测试,实现了9V电源如供电下无线电能传输和尖端火花放电,实物图4所示。在对比测试中,在同等距离点亮节能灯的条件下,火花间隙特斯拉输入电压为220V交流电,输入电流为23A,固态追频特斯拉线圈输入电压为12V,输入电流为0.32A,固态定频特斯拉线圈输入电压为32V,输入电流为6A。实验表明,固态追频特斯拉线圈在相同条件下具有更高的安全性,印证了实验设计初衷。

    5结论

    经过实验表明,本文设计的3款新颖特拉线圈解决了传统火花间隙特斯拉线圈安全性过低的问题。经过数据对比发现,固态追频特斯拉线圈更容易保持在谐振频率下传输电能,这也就大大提高了传输效率,节省了电能损耗。特别是固态追频的特斯拉线圈固有的电路特性,减少了设置谐振频率的步骤,简化了操作难度,使得小功率无线传输电能成为可能。虽然本文设计的特斯拉线圈有着如此多的优点,但是是否能应用于实际生活中在很大程度上还取决于传输效率。在以后的研究中,会根据传输效率问题做进一步探讨,继续挖掘新型电路的潜力。

    参考文献:

    [1]张自成,杨汉武,张建德,等.紧凑型Tesla变压器的参数测量[J].国防科技大学学报,2008(4):15-16.

    [2]孙跃,王智慧,戴欣.非接触电能传输系统的频率稳定性研究[J].电工技术学报,2005,20(11):56-59.

    [3]孙文军,芮国胜,张嵩,等.基于自激振荡系统的混沌稳健检测模型[J].仪器仪表学报,2015,36(12):2657-2665.

    [4]唐旭英.双耦合谐振回路选频特性仿真研究[J].国外电子测量技术,2015,34(3):42-45.

    [5]黄文婷,郑婧,黄海,等.电力变压器振动信号分离方法研究[J].电子测量与仪器学报,2016,30(1):111-117.

    [7]屠张杰,卜雄洙,徐淼淼.电磁耦合式无线供电在金属轴环境中的涡流损耗分析[J].电子测量技术,2016,39(3):38-41.

    [9]曾祥耀,饶玉凡.空心双谐振脉冲变压器的仿真研究[J].广东电力,2010(5):14-15.

    [10]邹华昌,乔江,宋浩谊.开关电源的缓冲电路设计[J].微电子学,2008(2):25-26.

    作者:王毅伟 郭颖 单位:辽宁石油化工大学信息与控制工程学院

    国外电子测量技术杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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