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技術(shù)探討:基于電磁感應的非接觸供電技術(shù)

發(fā)布時間:2014-12-30 責任編輯:echolady

【導讀】LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,相關(guān)的LED照明技術(shù)也在逐步完善。照明設備的非接觸供電技術(shù)備受業(yè)界關(guān)注,原因就在于近距離非接觸供電技術(shù)能夠廣泛的應用于各個行業(yè),具有良好的發(fā)展前景。本文就來探討關(guān)于照明設備的非接觸供電技術(shù)。

非接觸供電技術(shù)

非接觸供電技術(shù)的特點是供電端與用電端無需任何物理上的連接,就可以把電能傳輸給用電端。利用電磁波進行毫米到厘米級范圍的近距離非接觸供電系統(tǒng)已經(jīng)得到應用。如電動車輛、深水作業(yè)、機器人、礦山機械、電動牙刷、手機和筆記本等移動設備,甚至在植入人體的電子醫(yī)療器件也采用了這一技術(shù)供電、充電。因此,近距離非接觸供電技術(shù)有著廣泛的應用前景。

基于電磁感應原理的非接觸供電技術(shù),綜合利用電力電子技術(shù)、磁場耦合技術(shù)、大功率高頻變換技術(shù),借助現(xiàn)代控制理論和方法,實現(xiàn)了傳輸電能系統(tǒng)和用電設備的隔離,使兩者之間沒有電的直接接觸,很好地滿足了特種應用場合的需要,提高了電能傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。因此,非接觸供電技術(shù)是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術(shù)。

1 基本原理

非接觸供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅(qū)動電路、振蕩電路、基準電壓電路、控制保護電路以及發(fā)射線圈L1(變壓器初級)組成;電能接收單元主要包括接收線圈L2(變壓器次級)、高頻整流濾波電路和負載組成(如圖1所示)。

技術(shù)探討:基于電磁感應的非接觸供電技術(shù)
圖1 非接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
 
非接觸供電系統(tǒng)工作時輸人端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電,或用直流電端直接為系統(tǒng)供電,直流電通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電經(jīng)功率放大輸出電路放大供給發(fā)射線圈L1.通過發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能,接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負載。

2 特性和缺陷

基于電磁感應原理的非接觸供電技術(shù),發(fā)射線圈和接收線圈必須有諧振頻率一致的電磁共振,才能傳輸電能,而具有以下主要特性和缺陷:電磁共振以“電一磁一磁一電”的方式實現(xiàn)電能的傳遞,而且是一個開放的系統(tǒng),必然存在著電磁輻射和能量的損耗,因此,近距離的實際效率很難超過80%,遠距離的狀態(tài)下,效率可能很低。因此,不符合節(jié)能的概念。

電磁能與距離的關(guān)系為電場強度與距離的二次方成反比,磁場強度與距離的四次方成反比。單純的電磁共振是不可能長距離傳輸?shù)?。通常?米處,效率不超過l%.因此,只能在近距離內(nèi)使用,一般不超過10厘米。

電磁共振可以穿透非金屬,卻不能穿透金屬。利用這個特性,可以制造出即時充電或即時供電的電器,在移動性、防水性和隔離性等方面有突出的表現(xiàn),同樣可以應用這個特性,來解決其自身的電磁干擾問題。選擇一個適當供電頻率使系統(tǒng)產(chǎn)生共振,則電能發(fā)射端的電磁波頻段對正常的通信、廣播沒有干擾或干擾較小,對人體或其他生物不構(gòu)成傷害,符合安全指標。

在幾個厘米以內(nèi)的近距離的電磁共振中,還存在著空振高壓問題:接收電路在負載時的電壓與空載時的電壓相差懸殊,往往是數(shù)倍甚至是十倍以上,致使接收電路在空載時,由于電壓的大幅度升高,將負載電路燒壞。是目前電磁共振的非接觸供電技術(shù)難以實用的一個重要因素。
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非接觸供電技術(shù)在LED發(fā)光設備的應用

現(xiàn)有的LED發(fā)光標志牌、LED照明產(chǎn)品等,通常采用有線方式供電、充電。因而需要通過接口和導線進行有線方式供電、充電,需要在發(fā)光標志牌、照明設備上安裝接口及導線,導致設備整體防水、防漏氣性能低且不可靠。無法長期使用、安裝、儲存在惡劣的環(huán)境中,如水中、礦井中或者連續(xù)潮濕的環(huán)境中。

本文探究非接觸供電技術(shù)應用于LED發(fā)光設備可行性,把非接觸供電系統(tǒng)的電能接收端置入到LED發(fā)光設備內(nèi)。選擇適當?shù)腖ED驅(qū)動技術(shù),設計能進行非接觸供電或充電的LED發(fā)光設備。該LED發(fā)光設備具有移動性、高度防水性、高度隔離性,適用于水下作業(yè)、礦井作業(yè)、抗洪救災等特殊場所的安全標志牌與照明。

1 應用實例

1.1 LED發(fā)光標志牌

本文設計的非接觸供電LED發(fā)光標志牌(如圖2所示),它由內(nèi)部非接觸供電電能接收單元、充電電池、LED、LED驅(qū)動電路、系統(tǒng)控制電路、柔性電路板、外封裝透明膠套構(gòu)成。外部由非接觸供電電能發(fā)送單元及電源構(gòu)成。

技術(shù)探討:基于電磁感應的非接觸供電技術(shù)
 
(1)電能發(fā)送單元

VOX330MP05S和VOXRIOD是近距離下的非接觸供電芯片組,解決了長期以來不能解決的空振高壓問題,使輸出電壓基本維持在一個相對穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)。

VOX330MP05S是一款專門針對市電電源的非接觸供電的大功率發(fā)射模塊芯片,可以將市電整流后直接給芯片供電,工作電壓范圍大,最低可低至IOOV,最高電壓至400V,具有高達1A的電流發(fā)射能力,典型工作電路(如圖3所示)。Ic內(nèi)部建有振蕩、基準電壓、脈寬調(diào)制、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路,完全符合電磁共振的特殊要求;V0x330MP05s自身功耗小,輸出電流大,發(fā)射效率高達70%以上;芯片內(nèi)設自動限流電路,電路在空載時電流很小,而在大負載時的輸出能力可達空載時的十倍以上;VOX330MP05S外圍電路簡單,主要元件只有一個電阻、一個電容和~個線圈,因此使用方便。配合相應的接收模塊同時使用,就能實現(xiàn)非接觸供電。

技術(shù)探討:基于電磁感應的非接觸供電技術(shù)
圖3 電能發(fā)送單元
 
(2)電能接收單元

VOXRl0是一款專門針對VOX系列的非接觸供電發(fā)射模塊設計的配套接收模塊芯片,可以為接收電路提供一個相對穩(wěn)定的中心電壓。VOXRIO內(nèi)部建有基準電壓、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路,完全符合電磁共振的特殊要求;而且自身功耗小,輸出電流大,接收效率高達80%以上;芯片內(nèi)設自動限壓電路,電路在空載時電流很小。VOXRl0外圍電路簡單,主要元件只有一個電容、一個二極管和一個線圈,因此使用方便。

電能發(fā)送單元發(fā)射電磁波,內(nèi)部電能接收單元接收該電磁波并轉(zhuǎn)換為交流電后經(jīng)整流濾波成直流電對電池進行充電。一個電能發(fā)送單元可以對多個內(nèi)部電能接收單元發(fā)射電磁波進行充電。充電電池一般用鋰電池,但鋰電池穩(wěn)定性較差,在有易燃易爆氣體及物品的環(huán)境中采用鎳氫等電池。

(3)LED電路

一個LED與一個電阻串聯(lián)后組成一個基本單元,若干個基本單元之間可以采用串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式進行連接;多個LED以陣列的形式安裝在一塊平面上組成LED點陣屏,點陣屏有各種顏色,分為單色、雙色、三色。把LED呈矩陣狀均勻布滿于柔性電路板上,可以排列組合成指標或警示性的圖標發(fā)光顯示。

LED控制電路采用微處理器控制電路,以遙控控制系統(tǒng)、觸摸控制系統(tǒng)、輕觸開關(guān)來控制系統(tǒng)實現(xiàn),簡單的可以直接用微型按鈕開關(guān)控制電源。LED驅(qū)動電路可采用分立元件驅(qū)動電路、集成驅(qū)動電路。

(4)封裝

外封裝透明膠套用于保護整個非接觸供電式LED發(fā)光標志牌的電路,把整個非接觸供電LED發(fā)光標志牌電路牢靠包封在外封裝透明膠套內(nèi),無任何接口,因此本文所述的非接觸供電LED發(fā)光標志牌具有高度可靠的防水、防漏氣性能。本標志牌還可以根據(jù)用戶需要,制做成不同形狀,進行單面、雙面、多面發(fā)光顯示。
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1.2 LED礦燈

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,煤礦井下瓦斯爆炸事故有三分之一以上是礦燈故障引起的,這主要是由于礦燈所使用的白熾燈泡存在的缺陷所造成的。而LED礦燈解決了白熾燈泡的安全隱患,在煤礦上大量推廣使用。LED礦燈在節(jié)能、安全性、易用性等方面與采用白熾燈的礦燈相比都有較大改進,但還存在著以下問題需要解決。

礦井下潮濕、多水、空氣混濁、灰塵大,LED礦燈采用了鎳氫電池或鋰電池為電源,LED發(fā)光二極管為光源,這些元件一但進水、進入灰塵后就易損壞,甚至報廢。閉鎖螺絲受潮后會生銹,難以卸掉,須將螺栓廢掉,浪費材料費和工時。充電接口經(jīng)常進灰堵塞,尤其水泥進到充電接口凝固后就很難去掉,影響LED礦燈充電,嚴重的就可能報廢。

本設計把電能接收端置入LED礦燈,用透明膠套把LED礦燈牢靠密封,采用非接觸供電技術(shù),就可以解決上述問題。提高了LED礦燈的使用壽命、防爆性能、抗靜電性能,降低了LED礦燈的報廢率,減少了維修量,增加了實用性和安全可靠系數(shù)。

2 系統(tǒng)分析與構(gòu)成


對使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設備的設計,要從三個角度考慮完成系統(tǒng)的設計:一是從器件的選擇、電路設計上盡可能的提高系統(tǒng)的效率;二是嵌入非接觸式的RFID(RadioFrequencyIdentification,射頻識別)技術(shù),實現(xiàn)ID認證機制,保證系統(tǒng)的安全;三是采用MCU(MicroControlUnit,微控制器)作核心的部分,產(chǎn)生驅(qū)動電路所需的振蕩頻率,同時也需要控制RFID組件與電能接收端進行信息交互。使供電端與用電端可以用一對一、一對多、多對一、多對多和網(wǎng)絡分布方式供電。

系統(tǒng)由供電部分及工作部分組成(如圖4所示)。供電部分由MCU和供電單元組成,MCU通過RFID發(fā)射單元檢測負載位置的情況,當負載存在時,開通供電單元,進行供電。工作部分由MCU、與電能發(fā)送端相對應的RFID組件、LED單元、受電單元和充電電池組成,受電單元主要實現(xiàn)電能的接收,受電線圈接收電能,通過整流、濾波處理后向電池和LED單元供電。MCU的外圍電路包括復位電路、參考電壓電路、串口下載電路、電源與接地、按鍵、報警等。系統(tǒng)的人機對話界面,通過顯示模塊來實現(xiàn)。工作部分、供電部分、供電管理、按鍵、顯示等功能都由MCU進行控制。

技術(shù)探討:基于電磁感應的非接觸供電技術(shù)
圖4 用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設備結(jié)構(gòu)框圖
 
實現(xiàn)使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設備的方案是上述的整合,即兩部分構(gòu)成,分別為接220V交流電的電能發(fā)送端和給LED發(fā)光設備電池充電的電能接收端。將待充電LED發(fā)光設備放到充電器上,打開設在電源端的充電開關(guān),電能發(fā)送端發(fā)出驗證信息,電能接收端收到驗證信息后發(fā)出確認信息,身份驗證通過后,則控制驅(qū)動電路開始工作,實現(xiàn)電能的傳輸。

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