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DIY:手工打造智能無線供電臺燈【超詳細(xì)講解】

發(fā)布時間:2013-10-12 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】無線供電的設(shè)計總是能吸引人,本文所設(shè)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(dāng)接收器在工作時,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(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:

DIY:手工打造智能無線供電臺燈
 
發(fā)射部分采用CMOS電路與場效應(yīng)管的組合,這種組合不僅效率高,而且控制也簡單易行。發(fā)射線圈采用李茲線和蛛網(wǎng)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(fā)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(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(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間比也等于1/10。

4011的另3個與非門并聯(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(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(fù)載時的電流有顯著的區(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,也就是說,無線供電的接收部分沒有靠近發(fā)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(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(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:
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(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:

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(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(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,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(jī)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(guān)鍵點的波形。

當(dāng)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(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,將一個或數(shù)個并聯(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,這時發(fā)射部分的雙色LED的綠燈會自動點亮,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,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。

找一個光盤,去掉金屬鍍層,在適當(dāng)?shù)胤姐@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(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。

DIY:手工打造智能無線供電臺燈

發(fā)射板背面。

DIY:手工打造智能無線供電臺燈
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裝發(fā)射部分的塑料盒。

DIY:手工打造智能無線供電臺燈

發(fā)射板裝在右邊。

DIY:手工打造智能無線供電臺燈

發(fā)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(lián)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。

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臺燈正面。

DIY:手工打造智能無線供電臺燈

臺燈側(cè)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(fā)射線圈上方,很亮哦,此時整機(jī)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(jié)

1.從場效應(yīng)管各點波形來看,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)該是因為柵極驅(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(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)時更省電。

3.本裝置是模擬桌面無線供電系統(tǒng)而設(shè)計的,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(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.因為現(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交流電將會更具實用性。

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