CN102711327A - 基于无线电能传输技术的led室内台灯 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于无线电能传输技术的LED室内台灯的设计，主要包括射频功放电路、阻抗匹配电路、发射线圈、接收线圈、整流调压电路等部分。该***属于高频电磁理论工程应用前沿领域，解决了电能无线传输在LED室内台灯中应用的问题。本发明克服了传统上导线对LED灯的束缚性，设计了一种移动灵活、安全、可靠且无污染的绿色照明装置，而且解决了室内繁多导线带来的诸多不便和安全隐患。本发明的基于无线电能传输技术的绿色节能LED室内台灯具有节约能源、成本较低、无线便携等优点，因此在将来的室内照明中有着巨大的应用前景。

Description

基于无线电能传输技术的LED室内台灯

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输技术的LED室内台灯。特别是涉及一种节约能源、成本较低、无线便携等优点的LED室内台灯。

背景技术

自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，***的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输***采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。

根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

综上所述，第三种电能传输方式有着很大的开发潜力，因此将其应用到目前具有节能效果的照明产品(LED室内台灯)具有重要的现实意义。

LED与传统的照明灯(如白炽灯)等相比，具有节能、寿命长、抗震、反应速度快和环保等优点，加上LED自身独具的冷光特性，使得灯具的外形不会因为长期受热而变形，从而提高整套灯具的寿命，因此在照明***中的应用日益增多。

本发明旨在克服了传统上导线对LED灯的束缚性，设计了一种移动灵活、安全、可靠且无污染的绿色照明装置，而且解决了室内繁多导线带来的诸多不便和安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种基于无线电能传输技术的LED室内台灯，该***具有传输距离远，传输效率高，成本较低、绿色节能的特点。

本发明所采用的技术方案是：基于无线电能传输技术的LED室内台灯，主要包括射频信号发生电路、射频功放电路、阻抗匹配电路、发射线圈、接收线圈、整流调压电路、LED负载。所述的射频信号发生电路，用于产生与电磁发射***和电磁接收***谐振频率相同频率的正弦波；射频功放电路，用于将所需正弦波功率放大；阻抗匹配电路，用于调节负载阻抗以匹配射频功放输出阻抗；发射线圈用于产生高频磁场；接收线圈用于接收发射线圈产生的高频磁场并将其变成电能；整流调压电路用于先将无线接收到的高频交流电整成直流，再调压将电压稳定在所需电压值。

所述的射频信号发生电路由MAX038芯片和***电路组成，设置有调频模块，结构简单，使用方便；通过调节与MAX038管脚REF相连的可调电阻RP1的阻值可以实现调节输出信号的频率，用来跟踪发射线圈和接收线圈的谐振频率；通过调节MAX038芯片的***电路中的可调电阻RP2的阻值可以实现调节输出信号的幅值。

所述的射频功放电路包括有接收正弦信号发生电路所发出的正弦信号的50欧阻抗匹配负载，即输入变压器T1，输入变压器T1接收到信号传输到射频MOSFET模块，将该信号进行功率放大；该射频功放电路块属于射频功放的A类放大，具有很好的线性特征。

所述的阻抗匹配电路属于零反射匹配电路，结构上采用L型匹配。该电路具有结构简单、参数设计灵活的优点。该电路采用非阻性元件使其理论上并不消耗功率。

所述的发射线圈由单匝激发线圈和多匝耦合线圈组成。单匝激发线圈与射频功放电路的输出连接，由射频功放电路产生的高频交流电压提供能量产生交变高频磁场。该高频磁场与多匝耦合线圈通过直接耦合使其产生更大强度的磁场发射出去。

所述的接收线圈由多匝耦合线圈和负载线圈组成，接收线圈的多匝耦合线圈与发射线圈的多匝耦合线圈具有相同的谐振频率，通过谐振强耦合方式实现电磁能量的相互转换。负载线圈是一个单匝线圈，该线圈与接收线圈的多匝耦合线圈是通过直接耦合方式取能，负载线圈连接负载向负载提供能量。

所述的整流调压电路由高频整流电路和DC/DC转换电路两个部分。高频整流电路由四个具有高频开关特性的二极管组成的桥式电路，该电路将高频交流电整流成直流。DC/DC转换电路将整流过来的电压进一步稳压到LED所需要的电压。

本发明的基于无线电能传输技术的LED室内台灯，该***具有传输距离远，传输效率高，成本较低、绿色节能的特点。当***通电工作后，通过调节正弦信号发生电路使其输出频率改变到***的谐振频率时，***达到最大的传输功率和传输距离。当***参数发生变化或者距离发生变化，也可以通过调节信号的输出频率很快找到最佳和传输效果。该实验***功放模块可以在1.6MHz--28MHz范围内频率可调，而且输出具有很好的线性度。通过对整个***输入50V直流电压，使20个LED灯(10W)能正常发光，满足人们室内照明的需要。

附图说明

图1是设计***的整体框；

图2是射频信号发生电路；

图3是射频功放电路；

图4是发射线圈；

图5是接收线圈；

具体实施方式

本发明提供一种传输距离远，传输效率高，成本较低、绿色节能的LED室内台灯。下面结合实施例和附图对本发明的基于无线电能传输技术的LED室内台灯做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于无线电能传输技术的LED室内台灯，包括有射频信号发生电路1，还设置有：射频功放电路2，用于接收正弦信号并将其进行功率放大；阻抗匹配电路3用于调节负载大小使其与射频功放输出阻抗相匹配；发射线圈4，用于接收射频功放电路2产生的具有一定功率的高频正弦交变电能，将其转化成高频交变磁场；接收线圈5，用于接收发射线圈4发出的高频磁场并将其转化成电能；整流调压电路6用于先将无线接收到的高频交流电整成直流，再调压将电压稳定在所需电压值；LED负载可在其额定电压下稳定发光工作。由于采用了谐振耦合技术，使得电能无线传输功率和距离得到较大幅度的提高，又由于采用了非辐射电磁耦合技术，使得辐射损耗降到最低，提高了传输效率同时使***对人及其他生物体没有危害。

如图2所示，所述的射频信号发生电路1由MAX038芯片和***电路组成，设置有调频模块，结构简单，使用方便；通过调节与MAX038管脚REF相连的可调电阻RP1的阻值可以实现调节输出信号的频率，用来跟踪发射线圈和接收线圈的谐振频率。通过调节MAX038芯片的***电路中的可调电阻RP2的阻值可以实现调节输出信号的幅值。

如图3所示，所述的射频功放电路2，由射频MOSFET芯片和***电路构成功率放大模块；负反馈和输入阻抗匹配使***具有较大的增益和较小的反馈损耗；宽带输入变压器的原边与副边的变比为4∶1，具有50欧姆的阻抗，使的输入的信号具有很小的反馈。+V_G用于调节MOSFET的静态工作点，一般应该调到3V左右为宜，这时MOSFET的静态电流为150mA；+V_DD处提供50V直流电，该电源还要接一个扼流线圈L₃。

所述的阻抗匹配电路属于零反射匹配电路，结构上采用L型结构，由一电容和一个电感组成。电容与电感组成匹配网络与后面的整流调压和LED负载整体阻抗为50欧。该电路具有结构简单、参数设计灵活的优点。

如图4所示，所述的发射线圈4由单匝激发线圈和多匝耦合线圈组成，发射线圈直径是600mm。单匝激发线圈与射频功放电路的输出连接，由射频功放电路产生的高频交流电压提供能量产生交变高频磁场。该高频磁场与多匝耦合线圈通过直接耦合使其产生更大强度的磁场发射出去。

如图5所示，所述的接收线圈5由多匝耦合线圈和负载线圈组成，接收线圈直径是100mm，接收线圈的多匝耦合线圈和发射线圈的多匝耦合线圈具有相同的谐振频率，通过谐振耦合方式接收发射线圈的电磁能量；负载线圈是一个单匝线圈，由漆包线绕制而成，该线圈与接收线圈多匝耦合线圈是通过直接耦合方式取能的。

整流电路由四个射频二极管桥接而成，该二极管具有损耗小、开关频率高的特点，故而适合射频整流。DC/DC电路将整流电路的输出电压变为LED额定电压供给负载LED。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于无线电能传输技术的LED室内台灯，主要包括射频信号发生电路、射频功放电路、阻抗匹配电路、发射线圈、接收线圈、整流调压电路、LED负载；其特征在于，所述阻抗匹配电路(3)采用L型结构，并由一个电容和电感构成无损匹配网络；所述的发射线圈(4)，其设计参数为直径600mm，线径1mm，匝数5圈；所述的接收线圈(5)，其设计参数为直径100mm，线径1mm，匝数15圈，并于发射线圈保持相同的谐振频率。

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