可自動斷電的智能無線充電器設計
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1.系統(tǒng)概述
1.1 當前充電模式情況
在電子科技技術高速發(fā)展的今天，全球范圍內(nèi)的手機用戶數(shù)量已經(jīng)達到了33億，再加上MP3、MP4等其他周邊電子產(chǎn)品，平均不到2人就擁有一個需要充電的便攜式電子產(chǎn)品。目前普遍使用的都是數(shù)據(jù)線插接式充電，這種充電方式數(shù)據(jù)線接口用久了通常會有觸不良等現(xiàn)象，而且單個充電器適應面不廣，因不同的類型電子產(chǎn)品需要使用不同的充電器，充電時還要尋找合適的插口和理順接線，真可謂費時費力；各種便攜式電子產(chǎn)品的充電是一件令人頭痛的麻煩事。為了改良上面的現(xiàn)象，研發(fā)智能無線充電器是很有必要的。
1.2 作品簡介及優(yōu)點
智能無線充電器利用電磁感應原理，是非接觸充電系統(tǒng)，不再通過導線（充電線）傳輸電能，而是無線傳輸方式充電。沒有充電所用的物理接口，與一般充電器相比，避免了插線或拔電池的麻煩，具有一般充電器的工作原理；作品采用一（充電器）對多（感應負載）充電、智能充電的設計思想；無線充電器對負載充電時，指示燈將由綠燈轉(zhuǎn)換為七彩燈，手機也正確顯示充電狀態(tài)并智能完成充過程（實驗產(chǎn)品為手機）。本充電器可以同時對多個負載充電，可以自動感應是否有負載充電，達到自動充電，充滿電后10秒自動斷電，達到智能化；從而大大方便了用戶。智能無線充電器使用十分方便、一個充電器就可以滿足一個家庭的需要，具有較高的推廣應用價值、成本低廉（與一般充電器價格相差不多）等優(yōu)點，現(xiàn)在世界上許多大公司（如Sony，Intel，apple，飛利普等）也正在火熱研究中；智能無線充電必將是取代物理直插的發(fā)展方向，將肯定受到人們的歡迎和重視。
基于以上思路，充分運用所學電子技術知識，經(jīng)過老師悉心指導。設計、制作智能無線充電器，它具有如下優(yōu)點：
（1）成本低廉
電路由脈沖產(chǎn)生部分、功率放大部分，濾波部分、比較部分及發(fā)射和接收部分組成，每部分只是幾個小元件組成，制作簡單。
（2）一對多充電
一臺充電器可以對多個負載充，一個家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用，隨著負載的增加，工作效率也會增高，因此可以節(jié)約用電同時亦可減少不必要的開銷。
（3）方便性
與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用，接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。
（4）智能化
只要把感應負載往充電器上面放，就可以自動感應充電，通過信息反饋，當感應負載滿電后，自動斷電，實現(xiàn)充電過程智能化。
2. 工作原理概述
2.1 系統(tǒng)模塊
無線充電器利用電磁感應原理。通過NE555D芯片產(chǎn)生一個36.7K的脈沖頻率（因為經(jīng)過調(diào)試在36.7K頻率時，效率達到最高），IRFP460功率放大，使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場，當接收線圈靠近時，產(chǎn)生感應電流，經(jīng)過全波整流和穩(wěn)壓，得到負載 （手機）所需要的充電電壓和電流。發(fā)射線圈的電流會隨著感應負載的增加而增大，通過運放把0.33歐的負載電壓23倍放大，再經(jīng)過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準源Uo比較。充電時，U1大于Uo七彩燈閃亮，表示正在充電；空負載或充滿電時，U1小于Uo，綠燈亮，若10秒鐘后沒有感應負載，自動斷電；按一下復位鍵則充電器重新啟動。 具體電路分析如下：
2.1.1 NE555D脈沖發(fā)生器模塊
如圖1，根據(jù) T =（R1+Rp）C1，f = 1/T，調(diào)節(jié)Rp使NE555D輸出一個36.7KHZ的脈沖頻率。
圖1 NE555D脈沖發(fā)生器模塊
2.1.2 功率放大及無線發(fā)射模塊
主要把NE555D產(chǎn)生的一個36.7KHZ的脈沖功率放大，經(jīng)發(fā)射線圈發(fā)射出去。當脈沖為高電平時，Q12柵極為高電平，Q12導通，此時Q8飽和，Uceq電壓只有0.67V，經(jīng)D10-4148后Q1柵極電壓為0，Q1截止。當脈沖為低電平時，Q8、Q12同時截止，電流直接由R16 D10 Q1，Q1導通。整個過程中Q1與Q12均以一開一關的形式工作。電路如圖2：
圖2 功率放大及無線發(fā)射模塊
2.1.3 感應線圈模塊
如圖3，當感應線圈靠近發(fā)射線圈時，就會產(chǎn)生感應電流，經(jīng)過全波整流后，根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的充電電壓，可選擇不同的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，再經(jīng)三極管Q100放大電流后供給不同電子產(chǎn)品充電。
圖3 感應線圈模塊
2.1.4 充電檢測模塊
當有感應負載時，R20（0.33歐）電阻上的電壓會增大，經(jīng)運放U2A放大A=1+R5/R6=23倍后，電壓變化明顯，再經(jīng)過1N4148整流濾波，得電壓U1與基準源Uo比較，此時U1＞Uo，運放輸出Ui為高電平，七彩燈閃爍；當感應負載充滿電（或沒有感應到負載），此時U1＜Uo，運放輸出Ui為低電平，綠燈亮。
圖4 充電檢測模塊
2.1.5 智能斷電模塊
（1）當開關S2斷開時，整充電器處于智能充電過程。充電器啟動時，繼電器K1閉合，同時K2為斷開狀態(tài)。當有感應負載時，七彩燈閃爍，Ui為高電平，此時Q5飽和，電壓Uceq為0.67V，低于Q2+Q4的導通電壓之和（1.34V），Q2與Q4構(gòu)成達林頓，同時截止，繼器K1吸合；當感應負載充滿電（或無感應負載）時，綠燈亮，即Ui為低電平，此時Q3截止，電容C5與R9構(gòu)成RC充電電路，當電容充電電壓到達Q2與Q4的導通電壓時，Q2導通，使Q4飽和，此時繼電器工作電壓只有0.67V，繼電器斷開，整個電路處于完全斷電狀態(tài)。斷電后，繼電器K2閉合，此時C5與R13構(gòu)成RC放電電路，給C5快速放電。當按一下輕觸復位開關時，充電器重新啟動。當感應負載充滿電（或無感應負載）時，電容C5充電，其電壓為Ut
由公式Ut=12*（1-e-t/R9C5）得：t=-R9C5ln（1-Ut/12）
其中C5=100UF，R9=1MΩ，Ut=1.34V，
經(jīng)計算得斷電時間：t=10S
實現(xiàn)了10秒自動斷電。在綠燈亮的10秒內(nèi)只要有感應負載，則Ui為高電平，Q3飽和，電容C5放電。整個充電過程實現(xiàn)智能化斷電。
（2）當S2閉合時，整個充電電路處于手動斷電過程。
圖5 智能斷電模塊
圖6 智能無線充電器原理電路圖
2.1.6 流程圖
具體工作流程如圖7所示：
圖7 工作流程圖
2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)實物圖如圖8、圖9、圖10所示。
圖8 作品實物圖
圖9 進行一對多充電
圖10 充電過程中（七彩燈亮）
3.主要技術指標
該作品主要技術指標如表1所示:
4.元件清單
本系統(tǒng)所采用的主要元件清單如表2所示：
經(jīng)統(tǒng)計得：
元器件總價格 $=17.18（元）。
5.作品擴展
通過研究，我們發(fā)現(xiàn)無線電磁感應充電的應用領域十分廣泛，除了應用于最基本的手機、MP3、MP4、筆記本電腦，數(shù)碼相機等便攜設備充電外，還可以應用在醫(yī)療、工業(yè)領域中，特別對于那些完全密封式的設備有著更重要的意義；如果把發(fā)射線圈裝進鼠標墊里面，便可實現(xiàn)鼠標無線供電。其實除了感應充電以外，還可以通過改變脈沖頻率實現(xiàn)驅(qū)蚊趕鼠等功能。
6.結(jié)束語
本設計把目前電子類課程所學的專業(yè)知識真正應用到實踐中，由于作品架構(gòu)設計合理，電路功能實現(xiàn)較好，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了預期設計要求的各項指標。
附：儀器設備清單
函數(shù)信號發(fā)生器
數(shù)字萬用表
模擬萬用表
失真度測量儀
數(shù)字示波器
穩(wěn)壓電源
超高頻毫伏表
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