无稳态多谐振荡器，电路简单，不需要专门的驱动电路，频率方便可调。
2.3单元电路设计
2.3.1振荡电路模块的设计
振荡电路如图所示：
图9 振荡电路
振荡电路采用无稳态多谐振荡电路，电路采用两个MOS管，开始三脚开关出于断开状态，当把开关打开，MOS管G极电压达到导通电压而导通，由于两个MOS管参数不完全相同，总会有一个先导通，假设MOS管Q1先导通，则由于二极管的钳位作用使MOS管Q2的G极电压限制在二极管的导通电压（0.7V左右），此时Q2不会导通，同时电路对电容充电，当Q1达到饱和，D极电压近似为0或为负电压，此时电感和电容对地放电，G极电压变为负电压，Q1截止，同时解除对Q2的钳位，Q2开始导通，然后经历相同的过程，这样Q1和Q2分别导通，产生振荡信号，然后经发射线圈发射出去。
2.3.2发射和接收模块的设计
发射和接收模块均采用LC并联谐振回路，L使用自己绕制的线圈，采用无氧铜漆包线绕制，直径为2mm，并调节电容和电感使发射和接收端达到匹配，以获得最大传输效率。演示图如下：
图10 发射和接收模型
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2.3.3整流滤波模块的设计
经接受端接收到的信号是交流信号，要想得到直流输出需经过整流滤波，由于本设计频率较高，采用集成的整流桥速度跟不上，故采用分立的高速开关二极管做整流电路，输出端采用滤波电容滤除不需要的分量，电路图如下：
图11 桥式整流电路
其中滤波电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：
一种是在RLC=(3~5)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC≥6~10。） 桥式整流的电容量一般在几十至几百微法，这里我们采用FR304做整流二极管，滤波电容采用两个47uf并联。
2.3.4扩展模块的设计
考虑到本题目可以做到电能无线传输，为方便实际应用，我们可以设计一个恒压输出模块作为充电电源，可以为手机、手电筒等充电，简单方便。电路图如下：
我们采用LM317稳压芯片，接收线圈收到的信号经整流滤波直接接在LM317的输入端，调整滑动变阻器可以调节稳压的电压值。
图12 LM317构成的稳压模块
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2.4 软件的设计
本产品使用MSP430里的ADC12对输出电压进行采样，并在液晶显示屏上显示，软件流程图如下：
三、理论分析与计算
磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理如图：
图11 磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理
源线圈 S，与一个振荡电路电感 A 耦合，接收端设备线圈 D 与电阻负载电
感 B 耦合。自谐振线圈 S 和 D 依赖于内部的分布电感和分布电容而达到谐振。能量通过电源振荡电路 A 耦合到源线圈 S，源线圈 S 与接收线圈 D 由于具有相同的谐振频率，在磁场的作用下产生谐振，接收线圈 D 与负载线圈 B 通过耦合实现能量传递，在此结构中，距离 KS 与 KD 都是近距离耦合，K 是远距离的耦合谐振。
在本作品中，需要考虑接收端功率大小，以及传输距离，影响因素主要有发射线圈与接收线圈的耦合强度、线圈的品质因数、谐振频率以及趋肤效应，相应的计算公式如下： 1、耦合强度
设L1和L2的电压和电流分别为 u1、i1 和u2 、i2 ，且都取关联参考方向，互感为M，
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则两耦合电感的电压电流关系为：
di1di?M2dtdtdidiu2?L22?M1dtdtu1?L1
工程上为了定量描述两个耦合线圈的耦合紧疏程度，定义了耦合因数，用
k表示，有
Q?ML1L2?1
k 的大小与两个线圈的结构和相互位置以及周围磁介质有关。改变或调整 他们的相互位置有可能改变耦合因数的大小；当L1和L2 一定时，也就是相应地 改变了互感 M 的大小。 2、谐振频率
只有当发射线圈与接收线圈振荡频率一致，即达到谐振时，接收端才能最大功率的接收信号，因此谐振频率很重要，并且要想达到比较远的传输距离，频率不能太低，同时频率太高又会对设备及元件要求高，所以合理的选择谐振频率对于整个设计指标很重要。 谐振频率的计算公式为：
f?12?LC 其中，L为发射或接收线圈的电感，C为发射端或接收端的电容总值。
在调试过程中不断调节频率使发射端与接收端达到谐振，此时接收端接收的电压幅值达到最大。
3、趋肤效应
如前所述，谐振频率是该技术一个非常重要的指标，谐振频率的提高直接影响着能量传输距离的远近，而为了提高线圈品质因数，减小线圈的绕阻，就要选用线径较粗的导线制作线圈，但是当线圈固有频率较高时，粗导线线圈会受到趋肤效应的影响，而使导线的利用率降低，因此，我们必须要考虑趋肤效应对传输距离的影响。趋肤效应使导线的有效截面积减小，从而使它的等效电阻增加。在高频下，为了提高导线横截面的利用率，常把彼此绝缘的多股导线绞在一起使用。在频率较高时，还把导线做成带状、管状，表面还要镀银，以减小表面层的电阻。
四、测试结果与误差分析
4.1测试仪器
米尺，15V直流稳压电源，数字万用表，电流表，模拟示波器。
4.2测试方法
将直流15V加入电路，在发射线圈和接收线圈距离10cm时测量输出端直流电压和电流的大小，并计算功率；
将两个1W的白色LED灯作为负载加入电路，改变发射线圈和接收线圈的距离，测量LED等保持不灭的最远距离。
4.3测试结果及分析
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1、测试无线电能传输装置所完成的任务情况如表1所示：
项 测 试 目 次 数 1 R=17.2 U1=15V U2=8.7 I1=0.92 η=31.88% R=17.2 U1=15V U2=8.6 I1=0.91 2 R=17.2 U1=15V U2=8.7 3 4 R=17.2 U1=15V U2=8.66 I1=0.92 η=31.6% 保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η 输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离I1=0.93 η=31.55% η=31.50% 35cm 36cm 35.7cm 36.1cm x 发挥 稳压模块：输入一定范围内电压，输出稳定在5V 稳流模块：输出电流稳在150mA 表1 无线电能传输装置完成任务情况表
2、当初级谐振电容为8个6.8nf电容，次级为5个6.8nf电容，负载为10?时，电源输入电流和负载直流电压的关系曲线：
3、当负载为17.2?时，初级谐振电容和次级电容变化时，电源输入电流和负载直流电压的关 系曲线：
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电能无线传输装置论文
