双网无线传输装置（通用4篇）
双网无线传输装置 篇1
一、系统设计方案及论证
1.1无线电能发射部分
发射电路作为无线电能传输传输系统中的重要组成部分该部分设计的好坏对总的传输功率也有着十分重要的影响。因此在给系统中设计出一个高效的发射电路也是十分重要的一环。本设计使用门极谐振电路驱动MOS管, 其开关速度快, 属于软开关, 可以实现较低信号, 产生较高电压来驱动MOS管, 利于能量传输, 效率高。
1.2无线电能传输部分
采用两个自谐振线圈。电感线圈的设计和制作方法中我们了解到在高频状况下, 线圈匝间电容和集肤效应将会是导致电阻增加而造成Q值降低, 在空心电感的设计上都是应该考虑的。但这些因素恰恰是引起线圈谐振所必需的, 在谐振耦合中好似加以利用的。另外提到有关线圈电感量计算公式中, 都没有关于线圈所用绕线直径方面的内容, 这就表明了线圈的电感量与线径无关。
但实际上, 线径大小虽然不影响线圈的电感量, 却对线圈性能有影响。也就是说, 线径越细, 线圈的等效串联电阻就越大, Q值就越低, 线圈性能就越差。
1.3无线电能接收部分
无线电能的接受由三大部分组成, 分别是整流电路、滤波电路和稳压电路。整流是为了方便接收线圈将高频率的正弦交流电压转化成我们负载所需要的电压。整流有半波整流和桥式整流。通过实验比较可知, 桥式电流的效率以及对二极管的保护能力相对于其他方案要占优势一些。虽然整流可以将高频的交流电压转化为直流电压, 但是输出电压会由很大的脉动成分, 这样在给谐波进行供电时会受到很大的谐波干扰, 因为我们还需要滤波。
滤波分为有源滤波与无源滤波, 因为本实验是给两个LED灯供电, 没有太高要求, 因此我们采用无源滤波。而无源滤波又分为电容滤波, 电感滤波和复式滤波, 但是电容滤波比较简单, 因此采用无源滤波。在经过了整流和滤波后, 虽然高频交流电变成了直流电并且消除了滤波干扰, 但是输出的电压却不稳定, 为了满足要求, 我们就需要添加稳压器件, 把电压控制在要求的电压值。
1.4 显示处理部分
为了便于观察实验结果, 采取单片机驱动液晶同时进行A/D装换。
二、系统理论分析与计算
2.1无线电能传输理论分析
在本实验中, 我们采用的是谐振耦合式无线电能传输系统。在本实验中就是采用的两个线圈, 当线圈中通交流电时, 线圈周围就会产生随时间变化的电场, 于是空间就会有一系列的电场和磁场效应, 能量从线圈上发射, 变化的磁场与变化的电场一起向外辐射, 就产生了电磁波, 从而就可以达到无线传递能量的目的。
在此无线谐振耦合电路中, 由于电磁耦合无线电能传输的谐振频率都在兆赫兹, 而逆变电路的最高逆变频率只在几百K赫兹, 远远达不到谐振器的工作频率, 因此选用高频振荡电路作为信号源。另外在试验中发现频率一个很小的变化对整个系统的影响都非常大, 由于所涉及振荡电路频率可调的范围有限, 所以用八兆有源晶振搭建的信号源, 通过门极谐振电路来驱动MOS管, 降低前级驱动损耗, 再驱动后极E类射频放大电路。
2.2无线电能传输理论计算
松耦合变压器模块的主要作用就是将能量转换后的高频电源耦合到用户端。松耦合部分 (可分离式变压器) 是能量传输的关键。松耦合系统通过大间隔的耦合电感传输电能, 所以产生很大的漏感, 造成原边电流很大部分通过耦合电感流回电源, 因而效率较低。为了提高效率并减小设备体积, 办法是提高工作频率并使其工作于谐振状态, 这时工作电流近似为正弦波形。设M为耦合装置互感, LP和LS为初级、次级激励电感, 初级磁场发射的高频载流线圈工作角频率为w, 电流有效值为iP, 则松耦合系统次级电路接受线圈的开路电压为Voc:
相应地, 次级线圈的诺顿等效电流Isc为:
次级电路品质因数为QS:
无线供电系统的能量传输能力, 即次级线圈能够获得的最大功率Pm为:
其中, 松耦合变压模块如图1所示。
因此, 增大系统能量传输能力的方法有:增大工作频率f (w) 、增加初级电流iP、增大互感M或减小次级自感LS、增大品质因数QS。由于品质因数不宜过大, 因而有效系统传输能力的方法是增大工作角频率w和初级电流iP。
能量调节模块主要是调节电流, 其主要作用是提高系统能量的传输能力, 实际电路设计时采用多个电容串并联的方法来实现功率补偿调控。
由于线圈拾取机构与导轨间的距离总是处于一种随机变化状态, 导致拾取线圈中的感生电动势幅值也不断发生改变。因此, 由其形成的电压源不能直接驱动负载, 必须经过整流、滤波、稳压等环节, 才能以稳恒电压源的形式给负载提供稳定、有效供电。同时为了改善负载性质, 使其在初级侧的反射阻抗呈纯阻性, 提高系统的传输功率和效率, 需在整流前加入一个功率补偿电路。
三、电路设计图
此电路主要是由发射装置, 传输装置以及接收装置所组成。主要有三大部分, 分别是稳压模块, 射频放大电路以及桥式整流电路, 完成给两只串联LED灯供电。
3.1稳压模块
线性稳压器7805能有效的将15V的电压转换为5V供其他模块使用, 且成本低廉, 效果好。
3.2射频放大电路
信号源通过74hc14对信号进行整流, 然后通过门极谐振电路来驱动MOS管, 组成E类射频放大电路, 进行能量发送, 其电路如图2所示。
3.3桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。其中的变压器起变压的作用, 二极管相当于单向导电作用, 四个二极管二二轮流导通与截止使波形完整, 电路如图3示。
四、测试方案及试验结果
为了验证理论设计和实际装置测试值的正确性, 同时也为了论证设计达到指标要求, 对样机进行了实验研究。上为试验数据。
从表中可知理论数据与实际数据有一定差别, 其主要原因:一部分是元器件参数存在的误差, 另一部分在高频情况下, 元器件会产生内部寄生电容, 并且还要考虑导线的电感。并且射频放大模块本身效率不高导致与理论相差较大。
五、设计总结
本次设计, 主要是实现无线能量传输的功能, 并且要达到一定的效率, 整个过程中想过多种方案, 最终确定为E类射频放大电路, 但在调试过程中实验数据和理论数据差别较大, 提高效率是今后努力的方向。
基于谐振耦合的无线电能传输装置 篇2
1系统设计
设计任务:设计一个磁耦合谐振式无线电能传输装置。非接触式无线电能传输式系统的基本结构如图1所示, 其主要由驱动电路、发射模块、传输模快和接收模块4部分组成, 发射模块与接收模块通过磁场耦合相联系。发射电路把电能转换为磁场能量传输到接收电路, 接收电路通过整流稳压给2个串联的LED灯 (白色, 1W) 。
2设计方案
本系统采用耦合式无线供电传输方法, 该方法主要利用两个具有相同频率的谐振电路[1]通过磁场耦合实现能量的传输的。
磁耦合谐振式无线供电传输引入了谐振技术, 使发射线圈和接收线圈在相同的频率下工作, 不仅能使传输能量传输率会大大提高, 其传输距离也会大大增加, 辐射小, 方向性要求不高, 适合中等距离传输, 传输效率较高且不受空间障碍物的影响, 能量传输效果好。
3技术方法的分析与计算
3.1耦合谐振工作原理分析
耦合谐振无线电力传输系统如图1所示, 包括高频放大电路、发射线圈、接收线圈和负载, 其中发射线圈和接收线圈发生耦合谐振, 当发射源的频率与收发线圈的固有频率一致时, 发射回路和接收回路阻抗最大, 收发线圈两端电压最大, 此时系统效率最高。相反如果两者频率不一致时, 即两线圈处于失谐状态, 大部分能量会消耗在线圈上[2]。在磁耦合谐振无线电力传输系统中, 谐振线圈可等效LC并联电路。
回路的阻抗频率响应和相频响应, R值越小, Q值越大, 谐振时的阻抗值就越大, 相角频率变化的程度越急剧, 选频效果越好。
3.1.3谐振时输入电流与回路电流之间的关系
解得L=2.1u H。
3.2无线电能传输线圈选择分析
该装置输入直流电流不大于1A, 发射与接收线圈为空心线圈, 线圈外径均20±2cm。装置采用漆包线圈, 由于交流电的集肤效应, 电流不是满截面地流动, 而是沿外表面进行传送, 因此没有一个线性关系, 不能够根据截面面积直接计算它的载流量。一般铜导线的安全载流量为5-8A/mm2, 因此铜导线的横截面积S的上下范围:
S--铜导线横截面积 (mm2) I--负载电流 (A)
3.3距离与效率的关系
根据毕奥一萨伐尔定律, 稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度为:
首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。设圆线圈的中心为0, 半径为R, 载有电流I。
由公式 (5) 可知, 线圈在P点产生的磁场, 与P点到线圈的距离的三次方成反比, 与线圈的半径成正比。即有如下关系
又上面几个式子可以看出, d B与互感M成一次正比关系。
综上所述, 要提高无线传能的效率, 得要增大耦合线圈的半径, 减小线圈之间的距离以及使电路处于谐振状态。
4测试结果分析
经测试, 输入直流电压U1=15V, 当发射接收线圈距离在35cm左右, 两个LED灯非常亮, 由于LED灯没有接限流电阻, 故不能再将接收线圈进一步靠近, 否则会因为流过灯珠的电流过大而烧毁LED, 增大发射与接收线圈距离, LED灯的亮度逐渐减弱, 当发射与接收线圈距离为60cm时, LED灯光也能保持不灭。经多次测试, 在保持LED灯不灭的条件下, 发射线圈与接收线圈最大距离可达63cm, 输入电流I=0.738A。
5结论
本系统结构简单, 成本低廉, 不仅能使传输能量传输率大大提高, 其传输距离也会大大增加, 辐射小, 方向性要求不高, 适合中等距离传输, 传输效率较高且不受空间障碍物的影响, 能量传输效果好。
参考文献
[1]孙勇.面向自行小车的非接触供电系统的研究与应用[D].南京:南京航空航天大学, 2009:1-3.
双网无线传输装置 篇3
在一些大型场所中, 音频信号需要传送的距离通常达到几百米远, 扩声系统设计中最为关键的问题是解决微弱的音频信号的远距离优质传输。传统的模拟传输方式难以解决信号损耗和电磁干扰及接地干扰等难题[1], 因此, 模拟音频已经无法适应整个扩声系统最基本的要求[2]。随着电子技术和数字化技术的飞速发展, 数字音频已经在音频传输等各个应用领域得到了广泛的应用。采用数字信号进行传输和处理的优点是数字信号对干扰不敏感, 整个系统的信噪比及失真与传输距离无关, 其优良的性能指标是模拟传输所无法比拟的。目前数字音频处理系统中通常需要专用的音频处理芯片和高性能微处理器, 方案成本高。
Δ-Σ调制技术采用较高的采样频率 (远高于奈奎斯特采样频率) 进行信号采样, 采用较低的量化位数实现较高的ADC分辨率 (“以速度换精度”) [3], 同时量化噪声整形技术能将量化噪声推向高频端, 从而大幅地提高信噪比[4], 音频信号的还原可以采用专用的1-bit DAC实现[5]。本次设计方案利用Δ-Σ调制技术可将模拟的音频信号变成高速的比特数据流 (PCM) , 得到的高速比特数据流信号控制发光器件发光, 将数据转换成光信号向外传输。接收端利用太阳能电池实现光信号的检测和提取, 信号经放大、整形后, 通过模拟开关和切比雪夫滤波器后实现音频信号的还原。
1 系统结构及原理
1.1 系统结构
系统主要包含发射装置和接收装置两部分, 其结构框图如图1所示, 发射装置利用Δ-Σ调制器将音频信号转换成高速比特流信号, 驱动红外发光二极管, 将音频信号转换成红外光信号进行发送。接收装置利用太阳能电池接收红外光信号, 信号经放大、整形、滤波等处理后, 经D/A转换后还原成音频信息进行输出, 从而实现音频信号的无线传输。
1.2 工作原理
Δ-Σ调制器的工作原理是采用远大于尼奎斯特采样频率对输入的模拟信号进行采样, 内部包含积分器、量化器和D/A转换器, 实现用低位量化达到高分辨率的目的[6]。采样的模拟信号与上一时刻的采样信号 (反馈信号) 进行差动比较, 同时将产生的差动信号 (±Δ) 进行积分后送入比较器中进行量化输出, 有效的改善了噪声信号比 (SNR) 。接收装置利用太阳能电池作为接收器件, 实现红外光信号的接收, 理想PN结太阳能电池可以用一恒流源 (光生电流) 及一理想二极管的并联来表示。实际上, PN结太阳能电池存在着内阻和漏电阻的影响。当漏电阻小于100Ω后, 对太阳能电池的影响可以忽略不计。
2 信号处理与硬件设计
2.1 发射装置信号处理
图2所示为发射装置电路图, 信号采集电路利用Δ-Σ型调制器AD7400A以10 MSPS进行音频信号采样, 输出和音频信号幅值成对应关系的高速1位数据流。信号发射电路利用AD7400A输出的高速比特流信号作为控制信号控制三极管导通, 将高速比特流电信号转换成红外光信号向外传播。红外发光二极管选用SIR-568ST3F, 该二极管的开关频率可达50MHz, 频率响应特性高。
2.2 接收装置信号处理
由于发射端发射频率较高, 当传输距离较远时, 太阳能电池接收的信号微弱, 如果直接利用, 信号几乎淹没在噪声中。因此设计了信号前级放大电路, 通过电容隔离直流噪声, 对信号进行2级放大后输出。放大后的信号经过CMOS单刀双掷开关AD849后, 将发射端发射的高速比特流信号还原成模拟信号, 实现音频信号的复现。为了滤除Δ-Σ调制过程中产生的高频噪声, 需要对还原的模拟信号进行滤波。为了保证噪声衰减效果, 要求滤波器的阶数高于调制器阶数。由于切比雪夫滤波器有较好的通带特性和较大的阻带衰减, 当采用相同的滤波器阶数时, 切比雪夫响应比巴特沃兹或贝塞尔响应更能提供陡峭的滚降。滤波器利用运算放大器AD8646设计成一个四阶切比雪夫滤波器, 该运算放大器支持轨到轨输入和输出、单电源工作, 具有良好的低噪声性能, 完整的具电路如图3所示。
3 实验数据
为了验证方案的实际效果, 对装置进行了实验调试, 图4-a) 所示为DS1052E示波器采集的发射装置波形图, 通道1 (CH1) 为原始音频信号, 通道2 (C H 2) 为Δ-Σ调制器采集后得到的高速比特流信号。图4-b) 所示为DS1052E示波器采集的接收装置波形图, 通道1 (CH1) 为太阳能电池输出的高速比特流信号, 通道2 (CH2) 为经模拟开关输出后得到的还原音频信号, 实验数据表明该方案可以实现音频信号的无线传输。
4 结论
针对有线音频传输存在的信号传输损耗问题, 将二阶1位Δ-Σ调制器应用于音频信号的采集中, 将音频信号转换成高速比特流信号。为了方便实现发送和接收的方向对准, 采用太阳能电池板进行信号的接收, 设计了四阶切比雪夫滤波器, 有效的抑制了高频噪声。实验数据表明:装置具有噪声小、效率高、低电流功耗等特点, 值得推广和借鉴。
摘要：本文针对有线音频传输的存在信号损耗和干扰问题, 提出一种基于Δ-Σ调制技术的无线音频数字传输方案, 方案利用Δ-Σ调制器对音频信号进行采集, 将采集得到的高速比特流数据通过红外光的形式向外无线传输。同时为了增加接收面积, 方便解决发送、接收的对准问题, 利用太阳能电池对光信号进行检测和提取, 光电转换后得到的接收信号经模拟开关和切比雪夫滤波器后完成音频信号的还原。实验数据表明, 该方案结构简单, 成本低, 同时信号失真小。
关键词：无线音频,Δ-Σ调制,高速比特流,太阳能电池,切比雪夫滤波
参考文献
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[5]陈国平, 简献忠, 肖儿良.1.5 bit数模转换单元电路设计[J].微计算机信息, 2010, 6 (12) :184-186
双网无线传输装置 篇4
摆脱有形输电介质的束缚,实现电力的无线传输这一设想并不是一个新的研究课题。早在上世纪初,Nikola Tesla就曾耗费大量的时间与精力研究包括无线传输在内的各种长距离电力传输技术,虽然由于技术、资金等各方面的问题导致最终实验失败,却给后人留下了许多有价值的参考信息。2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展,他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输,成功地在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮[1]。电能的无线传输再一次被人们所关注。
利用传统的电磁感应原理进行无线传输的技术已为人所熟知,并且在一些场合得到应用,然而利用这种方法,传输距离比较短,传输的功率也很小[1];曾有人想过利用已经普及的无线网络进行电力传输,事实上这也是不可取的,利用这种全向型的天线进行发射传送,尽管发射功率可以达到数十千瓦,然而每台接收机接收到的能量甚微,效率太低,很不实用。
基于磁场谐振耦合的无线电力传输,实际上是将磁场作为传输的介质,通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道,从而有效地传输能量。利用这种方式进行能量传输,不但可以提高传输的功率与效率,同时可以将传输的距离提高到几米而不会受到空间障碍物的影响。
2 基于磁场谐振耦合的无线电力传输
2.1 工作原理
共振系统由多个具有相同本征频率的物体构成,能量只在系统中的物体间传递,与系统之外的物体基本没有能量交换,在达到共振时,物体振动的幅度达到最大。
基于磁场谐振耦合的无线电力传输的理论基础是耦合模型理论(CMT)。在耦合模型理论中,对于由两个物体1和2构成的共振系统,设两个物体的场幅值分别为a1(t)和a2(t),在无激励源的情况时,对一个存在损耗的系统,系统满足方程[2,3]:
式中,ω1、ω2是各自的固有频率,Γ1、Γ2是固有损耗率,取决于物体的固有(吸收,辐射等)的损失,k是耦合系数。用矩阵形式表示即为:
对于共振系统,具有相同的共振频率,可以认为ω1=ω2=ω0,Γ1=Γ2=Γ,于是可求解得到B的特征值,即系统的固有频率
可见,由于耦合的关系使系统的固有频率分开,之间的差别为2k。
假设t=0时,已知a1(0)值,且a2(0)=0,
代入ejωt,为简化计算,当k>>Γ时,可以忽略损耗,求得在物体1、物体2中所含能量表达式为
可见,两物体能量的交换最小损失发生在t=π/2 k这一时刻。耦合系数k体现了系统的两物体之间传递能量的速率,当k>>Γ时,在t=π/2k这一时刻,除了比较小的损耗外,能量比较理想地由物体1完全传递到物体2。
2.2 实验模型
基于磁场谐振耦合的无线电力传输装置系统模型如图2所示。
其中,高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成,高频振荡电路产生与发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号,经功率放大电路将信号功率放大,通过一个线圈将能量感应到发射装置中。发射与接收装置实为两个具有相同结构的天线。发射天线中感应得到的交变电流,在其周围产生相同频率的交变磁场,从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流,由于接收天线的本征频率与电流频率相同,从而发生自谐振,两线圈之间通过磁场建立耦合关系,能量由发射装置源源不断传递到接收装置,为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈,两线圈应同轴。
2.3 电路模型
为方便说明,在以下的分析中,认为发射、接收装置在建立联系之后,均达到自谐振状态,同时只考虑线路的集中参数,并不计算杂散参数对电路的影响。其等效的电路模型如图3所示。
图中Us为发射线圈感应得到电压,RtRr为发射、接收线圈等效电阻,LtLr为发射、接收线圈等效电感,Ll为单环线圈等效电感,CtCr为发射、接收线圈等效电容,RL为负载电阻,d为两天线线圈之间的距离。
设发射线圈中电流为It,在近场区,圆环轴线上距离环中心d处,发射线圈电流产生的磁场近似为:
由此在接收线圈感应产生的电压为
设负载等效到接收线圈上的电阻为R′L,负载得到功率
以上式中,μ0为真空磁导率,f为电流频率,N为环形线圈匝数,r为线圈半径。
将式(7)、(8)代入,可以得到发射线圈与接收线圈之间传输效率为:
3 实验分析
由以上分析可知,当在负载与传输距离一定的情况下,增加天线线圈半径、匝数及电流频率可以有效地提高传输的效率。
先通过一组实验进行量的分析。线圈半径r=10 cm,线径a=1.4 mm,圈数N=2,外加电容C=10 n F.
对于环天线,线路损耗电阻为[4]
辐射电阻为[5]
线路中,N匝线圈电感值为[5]
其中,σ为电导率,铜σ=5.8×107S/m,λ为电磁波波长。可以计算得到,
可见,辐射电阻相对损耗电阻很小可以忽略,则有Rt=Rr=Rrad+Rl≈Rl,若设RL=10Ω,则Rr+R′L≈R′L,此时效率表达式可进一步简化为
可以得到效率与距离的关系曲线,如图4所示。
从图中可以看出,在10cm之后,随着距离的增加,效率会迅速下降,在30cm之后几乎接收不到能量。在实验中,分别在距离为5cm、10cm、15cm、20 cm、25 cm、30 cm处测量,得到效率如下表所示。
从实验数据可知,实验结果基本符合理论值,比理论值略低,主要是在理论计算时忽略了电阻损耗、辐射损耗,另外由于寄生参数的影响,实际的共振频率为1.072MHz,比计算值略低。
由式(14)可知,在损耗较小可以忽略的情况下,增大K值,即可提高效率,可见增加线圈半径、线圈匝数以及振荡频率可以有效提高传输效率;另一方面根据式(11);增加线圈匝数与线圈半径会导致损耗电阻增大,所以不可盲目增大匝数与线圈半径去提高效率,为了适当减小损耗电阻,可以选用线径、电导率较大的导线。
改变各参数:r=20cm,a=1.4mm,N=4,C=1 n F,RL=10Ω。此时所得参数数据如下表所示。
实验中,分别在距离为10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm处进行测量得到结果如下表所示。
改变天线参数之后,传输的距离明显增大,与第一组实验相比,在相同的距离,效率有了明显的改善,证明了理论分析的正确性。
4 总结
本文给出了基于磁场谐振耦合的无线电力传输装置的实验模型,对发射及接收装置进行分析,得到传输效率与距离及天线参数的关系,并由此进行实验研究,实验结果与理论基本吻合,从而验证了理论的正确性,同时得到了提高系统传输效率的方法,便于在实际应用中,实现最优传输。
参考文献
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