智能無線供電電路

　　無線供電是一個很吸引人的制作課題，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。

　　筆者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：

　　 　　
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：

　　 　
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　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：

　　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。

　　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。見圖3：

　　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。

　　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2 b），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。

　　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。

　　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，接收部分也完全可以用于無線充電、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。