可自動斷電的智能無線充電器設(shè)計(jì)

因不同的類型電子產(chǎn)品需要使用不同的充電器，充電時(shí)還要尋找合適的插口和理順接線，筆者利用電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了智能無線充電器。該無線充電器具有自動感應(yīng)充電和充滿電后智能斷電功能，不僅適用于各種不同充電電壓和容量的電子產(chǎn)品，而且能夠?qū)Χ嗯_不同的電子產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行充電。作品采用智能無線充電的設(shè)計(jì)思想，具有使用方便、適用面廣的優(yōu)點(diǎn)，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1.系統(tǒng)概述

1.1 當(dāng)前充電模式情況

在電子科技技術(shù)高速發(fā)展的今天，全球范圍內(nèi)的手機(jī)用戶數(shù)量已經(jīng)達(dá)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(gè)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(gè)充電器適應(yīng)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(shí)還要尋找合適的插口和理順接線，真可謂費(fèi)時(shí)費(fèi)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(diǎn)

智能無線充電器利用電磁感應(yīng)原理，是非接觸充電系統(tǒng)，不再通過導(dǎo)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(yīng)負(fù)載)充電、智能充電的設(shè)計(jì)思想;無線充電器對負(fù)載充電時(shí)，指示燈將由綠燈轉(zhuǎn)換為七彩燈，手機(jī)也正確顯示充電狀態(tài)并智能完成充過程(實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品為手機(jī))。本充電器可以同時(shí)對多個(gè)負(fù)載充電，可以自動感應(yīng)是否有負(fù)載充電，達(dá)到自動充電，充滿電后10秒自動斷電，達(dá)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(gè)充電器就可以滿足一個(gè)家庭的需要，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值、成本低廉(與一般充電器價(jià)格相差不多)等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)用所學(xué)電子技術(shù)知識，經(jīng)過老師悉心指導(dǎo)。設(shè)計(jì)、制作智能無線充電器，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(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(gè)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(gè)負(fù)載充，一個(gè)家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用，隨著負(fù)載的增加，工作效率也會增高，因此可以節(jié)約用電同時(shí)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(shí)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(yīng)負(fù)載往充電器上面放，就可以自動感應(yīng)充電，通過信息反饋，當(dāng)感應(yīng)負(fù)載滿電后，自動斷電，實(shí)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(yīng)原理。通過NE555D芯片產(chǎn)生一個(gè)36.7K的脈沖頻率(因?yàn)榻?jīng)過調(diào)試在36.7K頻率時(shí)，效率達(dá)到最高)，IRFP460功率放大，使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)接收線圈靠近時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過全波整流和穩(wěn)壓，得到負(fù)載 (手機(jī))所需要的充電電壓和電流。發(fā)射線圈的電流會隨著感應(yīng)負(fù)載的增加而增大，通過運(yùn)放把0.33歐的負(fù)載電壓23倍放大，再經(jīng)過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準(zhǔn)源Uo比較。充電時(shí)，U1大于Uo七彩燈閃亮，表示正在充電;空負(fù)載或充滿電時(shí)，U1小于Uo，綠燈亮，若10秒鐘后沒有感應(yīng)負(fù)載，自動斷電;按一下復(fù)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(gè)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(gè)36.7KHZ的脈沖功率放大，經(jīng)發(fā)射線圈發(fā)射出去。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，Q12柵極為高電平，Q12導(dǎo)通，此時(shí)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(dāng)脈沖為低電平時(shí)，Q8、Q12同時(shí)截止，電流直接由R16 D10 Q1，Q1導(dǎo)通。整個(gè)過程中Q1與Q12均以一開一關(guān)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(yīng)線圈模塊

如圖3，當(dāng)感應(yīng)線圈靠近發(fā)射線圈時(shí)，就會產(chǎn)生感應(yīng)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。[!--empirenews.page--]

圖3 感應(yīng)線圈模塊

2.1.4 充電檢測模塊

當(dāng)有感應(yīng)負(fù)載時(shí)，R20(0.33歐)電阻上的電壓會增大，經(jīng)運(yùn)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(zhǔn)源Uo比較，此時(shí)U1>Uo，運(yùn)放輸出Ui為高電平，七彩燈閃爍;當(dāng)感應(yīng)負(fù)載充滿電(或沒有感應(yīng)到負(fù)載)，此時(shí)U1

圖4 充電檢測模塊

2.1.5 智能斷電模塊

(1)當(dāng)開關(guān)S2斷開時(shí)，整充電器處于智能充電過程。充電器啟動時(shí)，繼電器K1閉合，同時(shí)K2為斷開狀態(tài)。當(dāng)有感應(yīng)負(fù)載時(shí)，七彩燈閃爍，Ui為高電平，此時(shí)Q5飽和，電壓Uceq為0.67V，低于Q2+Q4的導(dǎo)通電壓之和(1.34V)，Q2與Q4構(gòu)成達(dá)林頓，同時(shí)截止，繼器K1吸合;當(dāng)感應(yīng)負(fù)載充滿電(或無感應(yīng)負(fù)載)時(shí)，綠燈亮，即Ui為低電平，此時(shí)Q3截止，電容C5與R9構(gòu)成RC充電電路，當(dāng)電容充電電壓到達(dá)Q2與Q4的導(dǎo)通電壓時(shí)，Q2導(dǎo)通，使Q4飽和，此時(shí)繼電器工作電壓只有0.67V，繼電器斷開，整個(gè)電路處于完全斷電狀態(tài)。斷電后，繼電器K2閉合，此時(shí)C5與R13構(gòu)成RC放電電路，給C5快速放電。當(dāng)按一下輕觸復(fù)位開關(guān)時(shí)，充電器重新啟動。當(dāng)感應(yīng)負(fù)載充滿電(或無感應(yīng)負(fù)載)時(shí)，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(jì)算得斷電時(shí)間：t=10S

實(shí)現(xiàn)了10秒自動斷電。在綠燈亮的10秒內(nèi)只要有感應(yīng)負(fù)載，則Ui為高電平，Q3飽和，電容C5放電。整個(gè)充電過程實(shí)現(xiàn)智能化斷電。

(2)當(dāng)S2閉合時(shí)，整個(gè)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(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 作品實(shí)物圖

圖9 進(jìn)行一對多充電

圖10 充電過程中(七彩燈亮)

3.主要技術(shù)指標(biāo)

該作品主要技術(shù)指標(biāo)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：

5.作品擴(kuò)展

通過研究，我們發(fā)現(xiàn)無線電磁感應(yīng)充電的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，除了應(yīng)用于最基本的手機(jī)、MP3、MP4、筆記本電腦，數(shù)碼相機(jī)等便攜設(shè)備充電外，還可以應(yīng)用在醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域中，特別對于那些完全密封式的設(shè)備有著更重要的意義;如果把發(fā)射線圈裝進(jìn)鼠標(biāo)墊里面，便可實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)無線供電。其實(shí)除了感應(yīng)充電以外，還可以通過改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)驅(qū)蚊趕鼠等功能。

6.結(jié)束語

本設(shè)計(jì)把目前電子類課程所學(xué)的專業(yè)知識真正應(yīng)用到實(shí)踐中，由于作品架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，電路功能實(shí)現(xiàn)較好，性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)。