揭秘磁悬浮灯泡无线电力传输附完整电路图.doc

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1、揭秘磁悬浮灯泡无线电力传输（附完整电路图）　　动机：　　我的目标是建这么一个子系统，它能够使一个电灯泡磁悬浮起来，而这灯泡通常是利用相匹配的无线共振变压器供电。这个系统融合了两种我最感兴趣的科学现象：不稳定系统的反馈稳定化和无线电力传输。我相信这两者在这系统里面能够结合得非常好。#p#使一个灯泡悬浮起来#e#　　为了使一个灯泡悬浮起来，要去探索三个主要系统和研究一些技术。首先，设计一个相匹配的共振变压器，靠它把电源从驱动线圈无线发送到接收线圈，在无电源功率放大的情况下，大概可以在6英寸内传输。第二，设计一个传感器系统去清除在磁

2、悬浮检测中遇到的典型问题。最后，设计一个反馈控制系统，这样的话我就可以利用第二部分设置的传感反馈去稳定地把一个磁铁悬浮在一个固定的位置。　　实施：　　大概的目标装置如右图所示，一个带着铁磁芯的电磁体就放在装置的顶部，这样的话就可以使它的使用范围扩展到更往下的位置。在电磁体底部大概一英寸的位置，在那白炽灯泡里面安装一小堆不可见的直径0.5毫米的铷磁体。在电磁体的两端分别装有霍尔效应传感器，用来感应灯泡的位置。　　在电磁体周围绕着另一个线圈，初级共振变压器线圈，次级线圈位于灯泡里面的铷磁体附近。我们用电源功率5瓦磨砂LED灯泡去代

3、替50瓦德白炽灯以获得同样的光的亮度和感觉，而发热和功率消耗则会相对减少。接收线圈和相对应的电子设备则接到同样位于灯泡内底部的对应的LED输出。　　系统元器件的具体信息在下面介绍#p#可调共振变压器的无线电源传输#e#　　带有可调共振变压器的无线电源传输设备：　　这个方案的第一部分包含了利用无线传输把电源从底部传到漂浮物。变压器通常是利用铁磁芯通过在次级线圈中引起交流电，从而在两个线圈间传递能量。如果没有一个铁磁芯去控制磁通量，普通的变压器不能再任何范围内传递能量。在这个应用里面，我们要求在三英寸左右距离能够从底部向灯泡轻易的

4、传送能量。　　为了达到这个目标，如图所示，我们做了一个共振变压力。现在我们用一个信号发生器去产生一个低压的交流信号，整个矩形波我们可以用555计时芯片轻易做到。我们首先绕一个线圈，这线圈的作用相当于一个初级变压器线圈和一个电感器。我绕的那个线圈大概有320豪亨，为了避开其他的源干扰，同时希望在大概200KHZ范围的频率下工作，我选择了一个容量大概为1NF的电缆耦合电容器。之后，我扫频频率发生器直到254KHZ的共振频率。所有线圈内的寄生电阻减少品质因数Q，因此一个精确频率变得不需要了。接下来，利用低压标准线、低寄生电阻电容器和

5、更高精度的共振频率会达到一个更高的电压装换率。　　设置了第一个共振LC线圈后，我检查它的品质因数。提供一个10V的交流电压信号，在无负载的情况下，我可以在接收线圈得到30到40V的电压。这给了我们从相匹配的共振中获利的希望。次级线圈被设计成有一个很小的横切面积，这就会使每次的转换中有一个比较低的电感系数，以适合灯泡，同时还需要更多的转换，这样的话就会使电压得到更大的提高，以提高变压器的转换比率。通过使用相同的电感和手动调节小电容，共振器会差不多匹配，到最后，相互间就会产生一定的共鸣。　　然后，在次级线圈上加上LED，配置和测试

6、能够顺利工作的范围。#p#霍尔效应传感#e#　　霍尔效应传感　　人们测量一个有磁力的悬浮物体的位置的方法一般有两种。第一种是从物体的一边射一束光线，然后在另一边测有多少光投射入阴影里面，有时候还有调制解调器去降低信号里面的噪音。再者，霍尔效应传感器有时候用去检测附近的永磁体的位置。　　然而，由于我们用电磁体去升起物体，我们不但自觉的介绍我们信号中的电磁噪音，同时还介绍其大磁场的非线性。在任何指定的位置，基于物体当时的动态和电磁体当时的牵引力，传感器能够感应到永磁体叠加电磁强度的位置的全部磁场。　　一半的方案已经在上面展示出来，

7、我决定在电磁体的上下两端放置霍尔效应传感器，环氧基树脂以一个对称方式放置，利用他们的差分反馈信号去感测位置。然而，任何存在于永磁体的信号，无论是稳定的还是高频的PWM转换噪音，都会产生一定程度的抵偿。在信号里面只剩下位置测量。电磁体通过的唯一信号根源于其非对称性和传感器的不匹配。　　传感器的增益必须适当地测量。我用线性霍尔效应传感器AD22151，一个很不错的8脚SO封装芯片，它用三个电阻去实现偏压和电压输出测量；如下所示，我设置这些参数去提供一个大概一致的增益，使他们的幅度处于中间的位置。遗憾的是因为我们除去了平常模式的信息

8、，所以我们不能像平常那样获得输出；然而，我们也不能在这实现这样的功能，因为每个传感器在取消之前，感应到相应的电磁体信号，这个正如我们设计的那样能覆盖所有传感器的范围。因此，最后我们得到的是一个只有1V变化的真实信号，我们也会在下一个步骤获得相同的信号。　　反馈补偿系统：　　反