简易无线电能接收方法

  近期有同学询问，在制作无线充电接收线圈时，需要应用到哪些知识，注意到哪些问题？下面就线圈电感计算、导线选择以及整流方式等内容给大家做些介绍。

电感量的计算

  接收线圈串联谐振电容可以有效提高接收电路输出功率。如果电容与接收线圈不匹配，就会造成输出功率的急剧下降。下图实验反映了接收电路在谐振与非谐振两种情况下，输出电流与电压之间的关系。

  实验条件为：发射线圈频率为640kHz，接收线圈电感量为14.8uH，谐振电容为4.2nF。非谐振时串联电容为9.4nF。在同样的情况下，测量整流输出的直流电压与电流之间的关系。如下图所示：

  可以看到，谐振状态下，输出电压在输出电流很大范围内，保持缓慢线性下降的过程，取中间一段V-A特性曲线，可以求出输出电阻大约为2欧姆左右。但是如果串联电容不匹配，则输出电压随着输出电流增加而急剧下降。

  接收线圈和串联电容不谐振也有特殊用途。巧妙的利用接收线圈的不谐振来控制接收电路的最高输出功率，则可以实现在一定范围内恒功率输出，这样便可以将整流输出直接充电的最简单的电能接收电路，在后面有实验演示。

  为了制作合理的接受电路，首先需要配置接收线圈和串联谐振电容。对于制作的线圈的电感量，可以使用公式方法进行计算，也可以使用LCR表进行测量。得到接收线圈电感量之后，便可以根据LC谐振公式计算出对应的串联电容的数值。

  可以在网络上找到一些空心线圈电感量计算机经验公式，这些公式可以根据线圈的基本参数计算出线圈的大体电感量。可以根据这些公式，进行线圈的初步设计，然后再利用LCR表进行测量修正。

  根据上述公式，对于实验中的空心接收线圈进行计算。使用中所使用的发送线圈，是将多股纱包线绕制成同一平面上的螺旋线。因此线圈的直径D可以使用线圈的平均直径；线圈的宽度W就是纱包线的直径。代入公式经过计算，发射线圈的电感量应该是11.24uH，实际测量时12.64uH ，它们之间很接近。

  上面的公式对应线圈的形状为圆形时是 有效的。如果线圈的形状发生了改变，对应的电感值会下降。

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单股铜线和多股纱包线

  由于电能无线发送频率很高（640kHz）,高频电流在流经导线的时候会出现集肤现象。在很多场合下，需要使用多股纱包线来减少集肤现象引起电能更多的损耗。那么，究竟使用普通的单股漆包线和多股纱包线在接收电能方面包有多大的区别呢。

  下面可以通过实验来检查它们之间的差别。为了便于比较，使用两种直径接近的导线绕制直径相同的接收线圈。一种使用25股，0.1mm的纱包线，一种使用之间为0.6mm的漆包线分别进行绕制。图中使用了两个相同的信标灯罩来绕制接收线圈。

  线圈的匝数为13，直径为8.5cm，高度平均为0.5cm,代入公式可以计算出对应的电感为：

  L=(0.01DN*N)/(W/D+0.44)=28.85uH

  通过手持的LCR表测量，这两个接收线圈的电感与计算值基本接近。通过LC谐振公式可以计算出对应的串联谐振电容值：

  使用5个100欧姆电阻串联成一个500欧姆的负载电阻，并联在谐振电容上。将接收线圈放置在发射线圈的中心，启动电源后。使用示波器观察接收交流信号以及测量信号的有效值。对比两种线圈，发现，使用纱包线和单股线圈对应的接受电压有效值基本一致，没有太大区别。

  同样，使用倍压整流电路将接收到的交流电压变换成直流电压，使用电子负载作为整流输出的复杂。测量两个线圈对应的输出直流电压与电流曲线。如下图所示：

  可以看出，两种接收线圈接收电能的效果基本上是一致的，没有明显的差别。只是单股线圈对应的整流输出V-A曲线斜率大一些，对应接收电源的内阻略微大一些。

  通过这个实验说明，对于智能车比赛中所对应的接受能量范围内，使用直径相同的多股纱包线与单股铜线之间的差别并不大，所以大家可以使用单股铜线完成接收线圈的制作。

整流方式

  将接收到的高频电压转换成直流电压可以使用倍压整流，或者全波整流方式，不使用半波整流方式。整流所使用的二极管一般使用大电流的肖特基二极管。

  使用倍压整流，可以在同样的接收线圈下获得更高的电压，相比于全波整流，倍压整流电流只是用2个肖特基二极管。

  下图显示了倍压整流和全波整流输出电压与电流之间的关系。其中每一种整流方式都使用了单股漆包线和多股纱包线两种线圈做了对比。

  从上述曲线中可以看出，倍压整流的确可以获得更大的输出电压。但是在输出电流增加的时候，电压的下降比起全波整流来说更大一些。对应的输出等效内阻也大一些。这从另一方面说明，这两种整流方式将来可能获得最大输出功率将会大体相同。虽然全波整流输出电压低一些，但从上述曲线中可以看出它对应的输出电压下降并不明显，对应的电源内阻会更小。

  上面实验中，所使用的线圈的匝数为9匝，直径为8.5厘米，高度约0.5厘米。在全波整流的情况下，输出 满负荷电压大约为12V左右。下面做了一个有趣的实验，直接将全波整流输出的电压加在了充电法拉电容（5F）上，直接使用无线充电电源进行充电。居然充电过程非常平稳，在10秒左右将可以将电容的电压充至10V左右。

  因此，制作接收电路的时候，只要线圈设计合适（匝数、直径、高度），配备合适的串联谐振电容，使用全波整流的方式，可以直接对法拉电容（小于10F）进行充电。如果充电速率超过了发送允许，可以适当通过调整线圈尺寸减少接收电压。也可以适当改变谐振电容，是接收回路偏离谐振一点，这样也可以限制最高输出功率。如果方法得当，实际上可以不使用复杂的恒功率充电方式完成电能的接收。

  虽然这种方式不能够在所有情况下是由，但的确是一种最简单的接收电能的方法。

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