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      DIY:手工打造智能無線供電臺燈【超詳細講解】

      發布時間:2013-10-12 責任編輯:eliane

      【導讀】無線供電的設計總是能吸引人,本文所設計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,只有當接收器在工作時,才會連續輻射無線電能。文中給出了詳細的講解,一起來看看這臺智能無線供電臺燈是如何設計并制作出來的吧!

      許多電子類雜志和論壇上都有關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,發射部分都一如既往地向外源源不斷地發射能量,這是不能令人滿意的。

      本文所設計的這個無線供電裝置,除了傳輸效率比較高,它還有一個顯著的特點: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,它才會連續輻射無線電能,否則就始終只工作在低能耗的檢測狀態。其工作方框圖如圖1所示:

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
       
      發射部分采用CMOS電路與場效應管的組合,這種組合不僅效率高,而且控制也簡單易行。發射線圈采用李茲線和蛛網式繞法,以取得較高的變換效率。電路見圖2a:

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
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      智能無線供電臺燈工作原理

      1.發射部分

      振蕩源由1/4個CD4011和遙控器用的晶體組成晶振電路,實測振蕩頻率為560kHz,這個頻率對收音機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2輸入端與非門,所以電路能否工作還取決于另一個輸入端的電位,此輸入端的電位由IC2(555電路)的狀態決定,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間比也等于1/10。

      4011的另3個與非門并聯起來作為推動級,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,輸出級選用場效應管IRF634,場效應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,會因為CMOS門電路的輸出電流很小而使波形的上升時間和下降時間變大,而導致效率下降。所以我還在CMOS門電路的后面加了一對互補的三極管,此互補管接成射極輸出,具有極小的輸出電阻,可以使方波的上升和下降時間大大減小。實踐證明,加上了這級電路后效率有了明顯提高。而且,使空載和有負載時的電流有顯著的區別,這就為無線供電的智能化提供了簡單可靠的檢測依據。

      在沒有負載時,也就是說,無線供電的接收部分沒有靠近發射線圈時,VT3的源極電流很小,R6上的電壓降還不足以使VT4導通,所以IC3的第2腳上沒有觸發脈沖,第3腳上也沒有高電平輸出;一旦接收部分靠近了發射線圈,從發射級接收了足夠的能量,于是使得VT3的源極電流增加,R6上也產生了足夠大的電壓,能夠推動VT4導通,在VT4的集電極產生了幅度足夠的負脈沖,驅動IC3使之輸出高電平。此高電平通過VD2再送到晶振的控制端,使其工作在連續振蕩狀態,這樣就完成了負載檢測的任務。

      我們說這個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載。沒有負載時它工作在間歇狀態以節約電能,一旦檢測到負載就工作在連續狀態,使其正常工作。
      圖2中,Rp作為檢測靈敏度調節;LED為工作狀態指示(紅燈間歇閃亮為檢測狀態,綠燈亮為連續工作狀態);SA為維修開關,合上后,紅燈連續亮,輸出級連續工作,適于維修或弱負載時工作。

      2.接收部分

      實際上任何一個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,它可以實測接收部分的功率,也可以調整撤回路的諧振狀態,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:
      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      如果不測試接收距離和檢測系統的轉換效率,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射級的工作狀態有關,同時也與作為發射電磁能量的線圈的質量也有非常密切的關系,所以發射線圈L1我采用36×Φ0.1mm的李茲線,繞在用光盤作骨架的蛛網板上。見下圖:

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      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當去掉。骨架的內徑為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。定時電容C5、C10要求容量準確,漏電較小,最好用鉭電容,如果沒有鉭電容則應采用耐壓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.調試與安裝

      先調發射部分。輸入24V的直流電源,當調試開關處在斷開狀態時,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中的調試開關SA,使振蕩部分連續工作,這時紅燈將一直點亮。檢查各點的直流工作點是否正常,這時整機電流約50mA,其中VT3的漏極電流約20mA左右。如果24V和9V兩點的電壓正常,可用示波器檢查各關鍵點的波形。

      當各點波形基本正常后,用一個2200pF的絳綸電容(耐壓250V)和一個1000pF的可變(可用多連可變并聯而成),仔細調整可變使整機電流最小。量出并聯的總電容,將一個或數個并聯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SA使振蕩器工作于間歇狀態;旋轉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。這時整機電流在10~20mA間擺動。

      將接收部分靠近發射線圈,斷開接收部分的負載開關SA,則接收器上的指示燈LED會和發射部分的LED同步閃亮。同樣,用一個0.01μF左右的固定電容接到諧振線圈的兩端,逐步拉開發射線圈和接收線圈的距離,同時適當增減諧振電容的大小使指示燈最亮。調整好后,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,應該可以看到與發射線圈頻率相同的正弦波。

      合上負載開關SA(圖2b),將接收線圈置于發射線圈正上方的5~10mm處,這時發射部分的雙色LED的綠燈會自動點亮,說明發射部分己檢測到負載,并工作在連續狀態。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,應仔細調整Rp。

      當電路檢測到負載時,發射部分的總電流約200~300mA,視負載輕重而變。
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      5、無線供電臺燈

      電路和圖2b基本相同,只是將作為假負載的50Ω電阻換成了4只串聯的大功率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。

      找一個光盤,去掉金屬鍍層,在適當地方鉆兩個小孔,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1W的LED裝在自制的散熱器上。

      另找一個直徑80mm的小光盤(不必去膜)和一個大小適當的塑料瓶蓋,作為制作臺燈的燈罩的原材料。

      制作過程見下面系列圖片。

      發射板元件面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      發射板背面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
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      裝發射部分的塑料盒。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      發射板裝在右邊。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      發射線圈裝在左邊。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      測柵極電壓波形。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
       
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      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      測漏極電壓波形。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      測源極電壓波形。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
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      做燈罩用的材料。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      將4個LED串聯后裝在散熱板上。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      做好后的燈頭正面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      燈頭背面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
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      臺燈正面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      臺燈側面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      臺燈背面。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      臺燈的底座。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈
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      底座下面是接收線圈。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      把臺燈放在發射線圈上方,很亮哦,此時整機電流升到200mA左右,盒子里面的綠色指示燈也亮了。

      DIY:手工打造智能無線供電臺燈

      DIY智能無線供電臺燈小結

      1.從場效應管各點波形來看,輸出級的工作狀態并不十分理想,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換效率降低。究其原因,應該是因為柵極驅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,使場效應管的導通角更小些,估計效率會得到提高。

      2.因制作時間比較倉促,從24V變9V直接采用了7809模擬穩壓電路,其效率顯然是十分低下的,如果改用開關穩壓電源,則可大幅提高驅動部分的效率,使電路在間歇工作狀態時更省電。

      3.本裝置是模擬桌面無線供電系統而設計的,所以發射線圈和接收之間的距離大于12mm,這樣也使轉換效率有明顯下降,因為兩線圈距離越大,效率必然越低。

      4.無線臺燈只是無線供電的一種應用,接收部分也可以用于無線充電、水下LED燈或旋轉LED圖形顯示等領域。

      5.因為現成的無線供電模塊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交流電將會更具實用性。

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