CN110619793A - 无线输电实验***及方法 - Google Patents

Abstract

科技知识逐渐成为青少年学习的必修课，教学中借助结构简单、易于制作的教具非常重要，能够让学生更加直观地领会知识，并通过动手制作，理论结合实践加深理解。本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种无线输电实验***及方法，给学生提供一个无线输电效果稳定的实验***，且便于学生参与实践；教学，重在锻炼学生的思维能力、培养逻辑缜密的实验方法。

Description

无线输电实验***及方法

技术领域

本发明涉及一种无线输电实验***及方法，具体是锻炼学生思维能力的、培养逻辑缜密实验方法的、囊括电阻电容电感三极管的、理论联系实践的、学以致用的无线输电实验***及方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，人们对世界的探索和对技术的革新创造，我们即将步入无线输电时代，小到电动牙刷、手机无线充电，大到高电压无线输电，一切用电设备将可能不在需要连接电源导线。如果无线输电得以实现，那么在房间里的各种电气设备便可接受无线电能。杂乱如麻的电线和插板将不复存在，而且一次性电池的使用量也会大为减少，对节约资源和保护环境都非常有利。各大公共场所都会安装无线充电设备，就像无处不在的移动信号、wifi信号一样，不会出现没带充电器而不知所措的问题。电车不必到充电站进行充电，而且也会减少因蓄电池没电而停止运行的情况。

科技知识逐渐成为青少年学习的必修课，教学中借助结构简单、易于制作的教具非常重要，能够让学生更加直观地领会知识，并通过动手制作，理论结合实践加深理解。现有的无线输电产品存在电路原理复杂、不方便教学演示、无法动手制作的弊端。

而目前市面上DIY套件、网络上教程都集中在如下三种方式：第一，采用一个NPN型三极管、10k电阻及绕制带中间抽头的发射线圈，该方法结构简单易于实现，但是传输功率过小且运行很不稳定，实验现象不明显；第二，直接采用集成的无线输电芯片，无法看到内部组成电路，无法测试各种实验波形，不利于学生动手实践；第三，采用数字芯片555定时器制作的无线输电结构，对于初学者来说，先有模拟电路的概念再有数字电路，直接使用555搭建电路不够简洁，学生分析运行原理过于复杂，而且还要调节多个电位器参数。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种无线输电实验***及方法，给学生提供一个无线输电效果稳定的实验***，且便于学生参与实践；教学，重在锻炼学生的思维能力、培养逻辑缜密的实验方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种无线输电实验***包括：发射模块、发射线圈、接收线圈、接收模块，其特征是：发射模块与发射线圈相连，发射线圈两端输出交流电压；发射线圈有三个参数：线圈匝数、线圈直径、电感量，发射线圈的电感量决定与发射模块连接时输出的交流电压频率；接收线圈与接收模块相连。

所述的发射模块与发射线圈组成自激震荡电路，发射线圈两端输出的交流电压正向幅值与反向幅值不同，发射线圈两端输出的交流电压正向幅值为5V，反向幅值为15-40V。

发射模块包括：电阻、电容、NPN三极管、PNP三极管，发射线圈作为电感，接入电源后增加的用于稳压的电解电容，那么，电阻、电感、两种电容、两种三极管这些基础元器件都包括了进去。

所述的发射模块与发射线圈组成自激震荡电路，自激震荡电路包括，无极性器件：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、初级绕组线圈电感，无极性器件共有两端：一端和另一端，PNP三极管和NPN三极管都具有e端、b端、c端；第一电阻、第二电阻、第三电阻的一端相连，第一电阻另一端与PNP三极管的e端相连后与电源正极相连，第二电阻另一端与第一电容一端、NPN三极管的b端相连，PNP三极管的c端与第一电容的另一端、初级绕组线圈电感的一端相连，NPN三极管的e端与初级绕组线圈电感的另一端、地相连。

所述的发射线圈有三个参数：线圈匝数、线圈直径、电感量，发射线圈的电感量决定与发射模块连接时输出的交流电压频率，线圈匝数、线圈直径、电感量都跟无线输电传输特性有关；所述的接收线圈有三个参数：线圈匝数、线圈直径、电感量，接收线圈的线圈匝数、线圈直径、电感量都跟无线输电传输特性有关。

所述的接收模块，指示发射线圈向接收线圈传输的电能量值，接收模块能够采用发光二极管和/或整流为直流电模块，发光二极管以亮度表征接收线圈得到的电能量值，整流为直流电模块以电压值和/或电流值表征接收线圈得到的电能量值。

接收模块，能够采用的方式为：测流电阻接两个反并联的发光二极管，测流电阻两端的差分电压能够表征电流值，还要检测接收模块两端电压值；接收模块，能够采用的方式为：整流为直流电模块，接整流模块后，接入测试电阻，测试电阻两端的电压值表征接收到的电能量值；接收模块能够简化为就是一个发光二极管，以发光二极管的亮度表征接收到的电能量值。

所述的发射线圈配置舵机用来调整角度；所述的接收线圈配置电动直线电位器来调整位置，电动直线电位器的中间端子以直线行程方式调节输出电阻值，中间端子能够电机驱动，阻值分布能够指示中间端子的位置，阻值分布还能够以电压值表征。

电动直线电位器有三个输出端子：两个两端端子(端子1、端子2)、中间端子，两个两端端子之间的电阻值不变，接入模式为：两端输出和三端输出，两端输出为：两端端子其中之一(端子1或端子2)、中间端子；三端输出时，中间端子与两端端子(端子1、端子2)之间的电阻比例变化；阻值分布还能够以电压值表征的方法是在电动直线电位器两个两端端子(端子1、端子2)之间加入电压U1，测量中间端子与两端端子中的其中任一个端子之间的电压U2。

一种用于权利要求1至6任一项所述的无线输电实验***的培训方法，其特征是，研究影响无线输电传输特性的五个因素：电压、频率、线圈直径、线圈匝数、发射线圈与接收线圈之间的角度。

电压的影响因素实验，发射模块与发射线圈组成的自激震荡电路，使得发射线圈两端交流电压正向、负向幅值不同，发射线圈与接收线圈呈0度平行，然后发射线圈再与接收线圈呈180度翻转，就能够研究电压对无线输电传输特性的影响。

发射线圈与接收线圈之间的角度实验分为两种：面面角和线线角；其一面面角，接收线圈所在的平面角度不变，发射线圈与接收线圈的中心点在一条垂直于接收线圈平面的直线上，发射线圈的中心点保持不变，改变发射线圈所在平面与接收线圈所在平面的夹角，平行为0度，垂直为90度，研究夹角0-90度的无线传输变化，得出结论，发射线圈与接收线圈平行时，无线传输效率最高，无线传输距离最大；其二线线角，发射线圈与接收线圈处于平行，但是两个线圈中心点直线与接收线圈所在平面的夹角，此夹角为90度时，两个线圈在同一个平面内。

频率影响实验，接收线圈不变的情况下，发射线圈与接收线圈的角度保持不变，两个比对的发射线圈必须是线圈直径相同、线圈匝数相同，但是电感量不同，能够采取的方法是使用不同线径的漆包线绕制发射线圈。例如，接收线圈为直径5cm、线圈匝数20、电感量30uH，发射线圈1为直径5cm、线圈匝数15、线径0.3mm、电感量32uH，发射线圈2为直径5cm、线圈匝数15、线径0.49mm、电感量20uH，能够以此研究频率对无线传输的影响。

线圈匝数影响实验，发射线圈不变的情况下，发射线圈与接收线圈的角度保持不变，两个比对的接收线圈必须是线圈直径相同、线圈匝数不同；线圈直径影响实验，发射线圈不变的情况下，发射线圈与接收线圈的角度保持不变，两个比对的接收线圈必须是线圈匝数相同、线圈直径不同。

还能够给予学生一个训练题，接收模块采用发光二极管时，如何设计发射线圈与接收线圈，使得无线输电的距离最远；还能够给予学生一个思维拓展题，发射线圈多于1个时对接收线圈的影响，例如，发射线圈采用两个，接收线圈位于这两个发射线圈中间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：第一、给学生提供一个无线输电效果稳定的实验***；第二、便于学生参与实践；第三、重在锻炼学生的思维能力、培养逻辑缜密的实验方法。

附图说明

图1为无线输电实验***；

图2为自激震荡电路；

图3为发射线圈输出的电压波形；

图4为发射线圈与接收线圈角度实验的第一种方式，面面角；

图5为发射线圈与接收线圈角度实验的第二种方式，线线角；

图6为无线输电的自动化及远程实验***。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，无线输电实验***包括：发射模块、发射线圈、接收线圈、接收模块；发射模块采用自激震荡模块，与发射线圈组成自激震荡电路；接收模块采用发光二极管。

如图2所示，自激振荡电路包括，无极性器件：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、初级线圈电感L1，无极性器件共有两端：一端和另一端，PNP三极管VT1和NPN三极管VT2都具有e端、b端、c端；第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的一端相连，第一电阻R1另一端与PNP三极管VT1的e端相连后与电源正极Vcc相连，第二电阻R2另一端与第一电容C1一端、NPN三极管VT2的b端相连，PNP三极管VT1的c端与第一电容C1的另一端、发射线圈初级线圈电感L1的一端相连，NPN三极管VT2的e端与初级线圈电感L1的另一端、地相连；电源Vcc取5V，R1取470Ω，R2取10kΩ，R3取470Ω，C1型号222，值为2.2nF，PNP三极管VT1选择B772，NPN三极管VT2选择8050。

如图3所示为发射线圈输出的电压波形，正向5V反向25V的交流波形，由于发光二极管的单向导电性，接收线圈也具有方向性，正向与反向时发光二极管的亮度不同，能够验证电压对无线传输特性的影响。

发射线圈与接收线圈之间的角度实验分为两种：面面角和线线角；如图4所示，接收线圈所在的平面角度不变，发射线圈与接收线圈的中心点在一条垂直于接收线圈平面的直线上，发射线圈的中心点保持不变，改变发射线圈所在平面与接收线圈所在平面的夹角P，平行为0度，垂直为90度，研究夹角0-90度的无线传输特性，发射线圈与接收线圈平行时，无线传输效率最高，无线传输距离最大；如图5所示，发射线圈与接收线圈处于平行，两个线圈中心点直线与接收线圈法线的夹角Q，此夹角为90度时，两个线圈在同一个平面内。

如图6所示为无线输电的自动化及远程实验***，发射线圈配置舵机用来调整角度，舵机旋转范围180度，工作扭矩1.6kg/cm，反应转速0.12-0.13秒/60度，死区设置5us，舵机控制时基脉冲20ms，0.5ms对应0度，1ms对应45度，1.5ms对应90度，2ms对应135度，2.5ms对应180度；接收线圈配置电动直线电位器来调整位置，电动直线电位器的中间端子以直线行程方式调节输出电阻值，中间端子能够电机驱动，阻值分布能够指示中间端子的位置，总阻值选择10kΩ，直线行程10cm。

Claims (10)

1.一种无线输电实验***包括：发射模块、发射线圈、接收线圈、接收模块，其特征是：发射模块与发射线圈相连，发射线圈两端输出交流电压；发射线圈有三个参数：线圈匝数、线圈直径、电感量，发射线圈的电感量决定与发射模块连接时输出的交流电压频率；接收线圈与接收模块相连。

2.根据权利要求1所述的无线输电实验***，其特征是，所述的发射模块与发射线圈组成自激震荡电路，发射线圈两端输出的交流电压正向幅值与反向幅值不同，发射线圈两端输出的交流电压正向幅值为5V，反向幅值为15-40V。

3.根据权利要求1所述的无线输电实验***，其特征是，所述的发射模块与发射线圈组成自激震荡电路，自激震荡电路包括，无极性器件：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、初级绕组线圈电感，无极性器件共有两端：一端和另一端，PNP三极管和NPN三极管都具有e端、b端、c端；第一电阻、第二电阻、第三电阻的一端相连，第一电阻另一端与PNP三极管的e端相连后与电源正极相连，第二电阻另一端与第一电容一端、NPN三极管的b端相连，PNP三极管的c端与第一电容的另一端、初级绕组线圈电感的一端相连，NPN三极管的e端与初级绕组线圈电感的另一端、地相连。

4.根据权利要求1所述的无线输电实验***，其特征是，所述的发射线圈有三个参数：线圈匝数、线圈直径、电感量，发射线圈的电感量决定与发射模块连接时输出的交流电压频率，线圈匝数、线圈直径、电感量都跟无线输电传输特性有关；所述的接收线圈有三个参数：线圈匝数、线圈直径、电感量，接收线圈的线圈匝数、线圈直径、电感量都跟无线输电传输特性有关。

5.根据权利要求1所述的无线输电实验***，其特征是，所述的接收模块，指示发射线圈向接收线圈传输的电能量值，接收模块能够采用发光二极管和/或整流为直流电模块，发光二极管以亮度表征接收线圈得到的电能量值，整流为直流电模块以电压值和/或电流值表征接收线圈得到的电能量值。

6.根据权利要求1所述的无线输电实验***，其特征是，所述的发射线圈配置舵机用来调整角度；所述的接收线圈配置电动直线电位器来调整位置，电动直线电位器的中间端子以直线行程方式调节输出电阻值，中间端子能够电机驱动，阻值分布能够指示中间端子的位置，阻值分布还能够以电压值表征。

7.一种用于权利要求1至6任一项所述的无线输电实验***的培训方法，其特征是，研究影响无线输电传输特性的五个因素：电压、频率、线圈直径、线圈匝数、发射线圈与接收线圈之间的角度。

8.根据权利要求7所述的无线输电实验***的培训方法，其特征是，电压的影响因素实验，发射模块与发射线圈组成的自激震荡电路，使得发射线圈两端交流电压正向、负向幅值不同，发射线圈与接收线圈呈0度平行，然后发射线圈再与接收线圈呈180度翻转，就能够研究电压对无线输电传输特性的影响。

9.根据权利要求7所述的无线输电实验***的培训方法，其特征是，发射线圈与接收线圈之间的角度实验分为两种：面面角和线线角；其一面面角，接收线圈所在的平面角度不变，发射线圈与接收线圈的中心点在一条垂直于接收线圈平面的直线上，发射线圈的中心点保持不变，改变发射线圈所在平面与接收线圈所在平面的夹角，平行为0度，垂直为90度，研究夹角0-90度的无线传输变化，得出结论，发射线圈与接收线圈平行时，无线传输效率最高，无线传输距离最大；其二线线角，发射线圈与接收线圈处于平行，但是两个线圈中心点直线与接收线圈所在平面的夹角，此夹角为90度时，两个线圈在同一个平面内。

10.根据权利要求7所述的无线输电实验***的培训方法，其特征是，频率影响实验，接收线圈不变的情况下，发射线圈与接收线圈的角度保持不变，两个比对的发射线圈必须是线圈直径相同、线圈匝数相同，但是电感量不同，能够采取的方法是使用不同线径的漆包线绕制发射线圈；

线圈匝数影响实验，发射线圈不变的情况下，发射线圈与接收线圈的角度保持不变，两个比对的接收线圈必须是线圈直径相同、线圈匝数不同；

线圈直径影响实验，发射线圈不变的情况下，发射线圈与接收线圈的角度保持不变，两个比对的接收线圈必须是线圈匝数相同、线圈直径不同；

还能够给予学生一个训练题，接收模块采用发光二极管时，如何设计发射线圈与接收线圈，使得无线输电的距离最远；还能够给予学生一个思维拓展题，发射线圈多于1个时对接收线圈的影响。