特斯拉線圈無線充電模型設計研究范文

本站小編為你精心準備了特斯拉線圈無線充電模型設計研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《國外電子測量技術雜志》2016年第9期

摘要：

在無線電能傳輸的研究中，廣為人知的是發明者尼古拉•特斯拉發明的火花間隙特斯拉線圈，雖然該線圈結構簡單原理易懂，但是其大電壓、大電流的工作模式會危及使用者的生命安全。針對此問題設計了固態追頻特斯拉線圈和固態定頻特斯拉線圈，在實現無線電能傳輸的基礎上保障了使用者安全。經實驗證明，設計的3種電路無論是否正常工作，都不會產生危及使用者生命的電壓電流。其中固態追頻特斯拉線圈可以在9V電池供電的情況下點亮節能燈，固態定頻特斯拉線圈可以在12V直流電壓供電的情況下實現次級線圈尖端放電。

關鍵詞：

特斯拉線圈；無線電能傳輸；固態特斯拉線圈

1引言

由于常規的電力傳輸越來越無法滿足人們的日常需求，人們開始把目光投向了無線充電，因此無線充電成為了時下研究的熱點。傳統的特斯拉線圈［1］是在1891年由美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉•特斯拉發明。該種特斯拉線圈為傳統的火花間隙特斯拉線圈，其工作原理為利用諧振的方式，使兩級線圈振蕩升壓，讓放電終端可獲得高頻高壓的交流電，即用高壓諧振進行能量轉換的高壓發生裝置。該種特斯拉線圈的一大弊端是初級線圈必須產生火花間隙，通過火花間隙制造出來的諧振頻率傳輸電能，而產生火花間隙就使得電路中必須有大電壓和大電流。使用者在操作火花間隙特斯拉線圈時，稍有錯誤就會危及生命安全［2］。在科學研究中為了避免使用者受到傷害，國內外使用者會穿上昂貴的特制衣服“法拉第籠”，因為“法拉第籠”可以把使用者接觸到的危險電流直接導入大地中。除了上述方法外就是改良特斯拉線圈的電路，國內外中應用最為廣泛的電路是固態特斯拉線圈，因為該電路中不會產生大電壓和大電流，這也就從設計上保障了使用者的安全。本文設計的3款新型電路就屬于固態特斯拉線圈的范疇，相比于一般而言的準連續波雙諧振固態特斯拉線圈、連續波雙諧振固態特斯拉、固態－真空管特斯拉線圈等固態特斯拉線圈而言，本文設計的特斯拉線圈在保證無線電能傳輸的基礎上，具有更長的工作時間、較低的工作電壓電流和簡單的電路結構。

2系統總體設計

本著取材簡單、成本低廉、易于制作及推廣的原則，設計了3種電路，主要實現以下功能。1）無線電能傳輸［3］。可以在9V電源供電的情況下實現無線電能傳輸，即點亮次級線圈端的節能燈。2）次級線圈尖端火花放電。通過在次級線圈尖端放置鐵釘的方式，使得次級線圈尖端放電，從而看到電弧。

3電路設計

3．1基本電路設計

基本電路由一個22kΩ電阻、2N2222A三極管、LED、9V電源、初級線圈和次級線圈組成［4］，其電路如圖1所示。在該電路中，其工作過程描述如下。接通電路，22kΩ電阻驅動三極管的基極，三極管接通并驅動電流流入初級線圈，其中該電流（集電極）是受到基極電流限制的。集電極電流所創建的磁場驅動初級線圈端，使得次級線圈的電壓變大。但是輸出端的微小寄生電容會阻礙電壓升高，在次級線圈端的電壓上升至飽和的同時，初級線圈端電壓下降，使得三極管的基極電流下降。二極管可以防止基極電壓下降超過0．7V以下，確保三極管的偏置電壓。此外該三極管關斷，磁場開始減小。基極電壓再次上升和三極管接通，重復該循環，實現特斯拉線圈的正常工作［5］。

3．2拓展電路一（功率增強型的固態追頻特斯拉線圈）

相比于基本電路，拓展電路一在傳輸功率上有所提升，其供電方式也改為實驗室電源供電，高功率MOSFET晶體管2SK2542代替了普通三極管［6］，同時也增加了一個MIC4452柵極驅動器，其電路如圖2所示。在該電路中，提高了初級線圈的發出功率［7］，則相應的次級線圈的接收功率也變大了，進而使得該裝置可以傳輸更高的能量，演示現象時效果更為明顯。值得注意的是，因為電路中L和C的值相較于基本電路未改變，使得諧振頻率也沒有改變。經過計算得知，該電路中的諧振頻率在1MHz左右，這就要求電路中的MOSFET晶體管也可以在這樣的頻率工作，否則電路不會產生振蕩。

3．3拓展電路二（固態定頻特斯拉線圈）

拓展電路二中，該電路由原來的固態追頻特斯拉線圈改為固態定頻特斯拉線圈。該電路相比于拓展電路一又增大了發射功率，使得使用者可以在次級線圈端引出電弧。該電路由施密特振蕩電路、初級線圈和次級線圈組成［8］，詳細電路如圖3所示。由圖3可知，5V電壓由U1產生，該電壓為低功耗比較器和運放電路供電。12V電壓由電感L1和電容過濾而成，該電壓驅動U4的MOSFET柵極，此時MOSFET柵極電容中的電流會迅速達到峰值，使得電路中的噪聲對振蕩器電路的影響增大［9］。因此要注意地線的分布，確保振蕩電路中的地線不是通過電源電路提供的。固態定頻特斯拉線圈的一大特點是需要調節電路中的發射頻率，使其和諧振頻率相吻合，只有這樣才可以實現無線電能傳輸和次級線圈尖端放電。經過計算此電路中的諧振頻率約為1MHz。其中，U2是一個施密特觸發器的振蕩電路，可以通過POT1電位器調節電路中的頻率為1MHz。振蕩器輸出電路中把從電容C7輸出的電壓轉變成鋸齒波，該信號與POT2創建的直流電壓相比較，產生一個占空比可調的PWM波。此PWM通過U4柵極驅動器控制Q1到Q4的MOSFET晶體管打開／關閉。當MOSFET打開時，初級線圈的電流改變［10］，當MOSFET關斷時，電路中的能量會轉換成一個大電壓加在初級線圈，從而使次級線圈獲得大電壓，同時次級線圈會產生電弧。特別說明，該電路為直流電源供電。

4實物測試及達到的技術指標

在根據本文設計的電路圖實際焊接后，進過測試，實現了9V電源如供電下無線電能傳輸和尖端火花放電，實物圖4所示。在對比測試中，在同等距離點亮節能燈的條件下，火花間隙特斯拉輸入電壓為220V交流電，輸入電流為23A，固態追頻特斯拉線圈輸入電壓為12V，輸入電流為0．32A，固態定頻特斯拉線圈輸入電壓為32V，輸入電流為6A。實驗表明，固態追頻特斯拉線圈在相同條件下具有更高的安全性，印證了實驗設計初衷。

5結論

經過實驗表明，本文設計的3款新穎特拉線圈解決了傳統火花間隙特斯拉線圈安全性過低的問題。經過數據對比發現，固態追頻特斯拉線圈更容易保持在諧振頻率下傳輸電能，這也就大大提高了傳輸效率，節省了電能損耗。特別是固態追頻的特斯拉線圈固有的電路特性，減少了設置諧振頻率的步驟，簡化了操作難度，使得小功率無線傳輸電能成為可能。雖然本文設計的特斯拉線圈有著如此多的優點，但是是否能應用于實際生活中在很大程度上還取決于傳輸效率。在以后的研究中，會根據傳輸效率問題做進一步探討，繼續挖掘新型電路的潛力。

參考文獻：

［1］張自成，楊漢武，張建德，等．緊湊型Tesla變壓器的參數測量［J］．國防科技大學學報，2008（4）：15－16．

［2］孫躍，王智慧，戴欣．非接觸電能傳輸系統的頻率穩定性研究［J］．電工技術學報，2005，20（11）：56－59．

［3］孫文軍，芮國勝，張嵩，等．基于自激振蕩系統的混沌穩健檢測模型［J］．儀器儀表學報，2015，36（12）：2657－2665．

［4］唐旭英．雙耦合諧振回路選頻特性仿真研究［J］．國外電子測量技術，2015，34（3）：42－45．

［5］黃文婷，鄭婧，黃海，等．電力變壓器振動信號分離方法研究［J］．電子測量與儀器學報，2016，30（1）：111－117．

［7］屠張杰，卜雄洙，徐淼淼．電磁耦合式無線供電在金屬軸環境中的渦流損耗分析［J］．電子測量技術，2016，39（3）：38－41．

［9］曾祥耀，饒玉凡．空心雙諧振脈沖變壓器的仿真研究［J］．廣東電力，2010（5）：14－15．

［10］鄒華昌，喬江，宋浩誼．開關電源的緩沖電路設計［J］．微電子學，2008（2）：25－26．

作者:偉 郭穎 單位:遼寧石油化工大學信息與控制工程學院