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實實務務專專題題報報告告書書 無無 線線 電電 力力 傳傳 輸輸
指 導 老 師:呂奇璜
專題製作學生:四技電四甲 葉景隆 BD99033
四技電四甲 劉偉諄 BD99037
中華民國 一0二 年 十二 月 十一 日
修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
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修平科技大學
電
機
工
程
系
102 實務專題報告書—
無線電力傳輸
指導老師:呂奇璜
學生:葉景隆、劉偉諄
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一、摘要
隨著可攜式媒體播放器、智慧手機和平板電腦等電池供電的消費性
電子設備的不斷普及,導致家中到處充斥著大量不同的充電器和成捆的
纜線,然而攜帶式電子產品須利用其特定之充電器對其內建之蓄電池進
行充電,由於每個電子產品皆使用其特定規格之插頭,不同之充電器無
法通用而造成了成本提高及環境之汙染。本目標在於設計一個無線電力
傳輸系統,其架構上為共振式 磁能傳輸,電路中我們使用了 TIP41C,
這是一顆高效率的 NPN電晶體,藉由這顆電晶體去推動整個電路放大,
產生磁感應電勢,最後兩線圈去感應,將發射端(TX)線圈 40T與接受端
(RX)線圈 20T以不接觸方式去感應,然後接受端(RX)所接的 LED燈條將
會閃爍,也證明了是有電流通過且供給 LED燈條動作發亮。
I
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二、目錄
第一章 緒論
1.1 研究背景---------------------------- 1
1.2 研究動機與回顧---------------------- 3
第二章 傳輸基本原理與電路設計
2.1 無線電力傳輸之基本概念-------------- 9
2.2 共振式感應線圈之動作原理------------ 10
2.3 共振電路 RLC 特性分辨---------------- 12
2.4 非裡想之能量耗損-------------------- 14
2.5 傳輸效率---------------------------- 15
第三章 結論
3.1 作品原理電路圖----------------------16
3.2 系統架構圖--------------------------18
3.3 系統簡單示意圖----------------------18
3.4 實驗結果----------------------------19
3.5 未來展望----------------------------22
3.6 參考文獻----------------------------22
II
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第一章 緒論
1.1研究背景
近年來消費性電子產品以蓬勃發展,使用族群也逐漸擴大,大多數
消費性點子產品皆要直流電源作為其驅動電力,
無論是行動電話、數位相機、數位播放器、個人行動助理(PDA),輕薄短
小與便利性將是今日電子產品設計之主要目標。然而在電源供應部分,
常常會遇到不同規格的連接頭與錯綜複雜的電線,倘若以無線電力的方
式來做電力供應,對於使用者來說無疑是省去許多麻煩,帶來生活上的
便利,因此設計一套無線電力傳輸系統將會是值得深討的課題。
在傳統供電是透過金屬接點接觸連接,雖然此方式容易
實現,並可滿足大部分用途,然而當人們對於用電品質性、可靠性等要
求不斷提高的目標之下,這種接觸式電力傳輸將產生無法適用於許多應
用場合的缺陷。例如,在油井礦場等開採場合,可能會因金屬接觸點造
成火花而引起爆炸。在醫科技上,於人體內之人工輔助裝置進行充電若
使用傳統接觸式電力傳輸方式則需要定開刀進行電池更換,不但增加病
人的痛苦也存在著許多的風險及不便。於日常活中,傳統接觸式電能傳
輸方式將會造成插頭與插座匹配的困擾與操作上的便利性問題。無線感
應電能傳輸方式的出現,將可以安全方便的傳送電力至許多特殊環,並
且大幅度的提高人類生
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活的便利性,在今日求新求進步的科技生活中將會是一個不
可忽視的技術。無線電力傳輸技術可廣泛應用在各個相關領
域上,從最初的電動牙刷、至今無線滑鼠與手機充電器等可
攜式或家用電子的應用,發展方向從過去只對單一子產品的
供電演進為建立所有可攜式或家用電子供電平台的概念,如
此在實用將更具彈性。而在大眾運輸工具、醫療上、無線射
頻辨識系統(RFID),甚至在許多特殊場所如油井鑽探、水下
設備都是無線電力傳輸的相關應用。
目前無線感應電能傳輸基本原理為利用電磁感應在兩線
圈之間進行電能與磁能之轉換,先由初級側線圈加入一交變
電流使其產生一交變磁場,再由次級側線圈接受磁場後轉換
使之電能以完成無限感應電能傳輸,圖 1.1所示為無線感應
電能傳輸之基本原理
圖 1.1兩非接觸線圈之電磁感應示意圖
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1.2 研究動機與回顧
在今日講求便利與創新進步的科技進步,藉由發
展相關無線電力傳輸的技術已經是目前值得深討的
問題。
從無線電力傳輸距離的遠近來分類,近距離的無
線供電技術目前只要有互感式與共振互感式,有效感
應距離為 1~2公分。而較遠距離傳輸技術有輻射微波、
光能、電子性導通、特斯拉線圈…等等。
互感式主要利用簡單的電子變壓器的原理來實
現,當一次側(供電端)與二次側(負載端)有所隔離時
,電能發生互感(Mutual induction)的機制,將會透
過磁能的轉換把能量傳遞到分隔的另一側,通常在設
計上一、二側的間隔距離都是較為相近,一般多用於
非接觸的電力傳遞方式,像是電動牙刷電源充電,感
應供電式廚具,電子卡片讀取器…等等。
共振式互感式最有名的例子為於 2007年六月 MIT所
提出的共振無線電能傳輸系統雛型之實現,成功的點
亮一盞於 2公尺外的 60瓦燈泡,其電能傳輸效率約
為 40%
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圖 1.2 為實際點亮之圖片,兩者之間並沒有物理性連接
頻 率
(MHz)
效
率
Erms
(A/m)
Hrms
(A/m)
Srms
(W/cm2)
能量發射
(w)
10 83% 185 21 0.08 3.3
1 60% 40 14 0.04 0.005
表 1.1 無線電力傳輸效率比較表
2007年International展中,Access Business Group International
也展示了其設計之非接觸共振
式無線電能傳輸之應用於較大電力之電源供電,名稱
為 e-Coupled,成功點亮了燈管與其他電子產品
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圖 1.3 Access Business Group於 2007年 ICES
展示 e-Coupled
於2008年八月Intel亦發表其仿造MIT模式所設計之磁能
共振無線電力傳輸設計,如圖1.4為其展示之照片,其設計中
宣稱可於30公分的距離點亮一盞60瓦之燈泡且其傳輸效率高
達75%。
圖 1.4 2008年 Intel發表其無線電路傳輸設計
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幅射波最早於西元 1888年 Heinrich RudolfHertz
首度實現用電波方式來做能量傳遞,而後 Guglielmo Marconi
與 Nikola Tesla都相繼的利用微波來做能量的傳遞與接受用
途。圖 1.5為西元 1978年 NASA利用太陽人造衛星,以一公
里直徑的發射天線,與十公里直徑接受天線,將太陽能量轉
換為 2.45GHz之微波訊號並將能量傳回地球,這也是利用微
波無線傳送能量的一種大事件。
於 2007的消費性電子展中(CES2007),Powercast提出
一個利用射頻 RF方式來做為能量無線傳輸的系統,這個系統
可以驅動數個低功率消耗的裝備,包含像是 LED、電腦周邊、
無線感應器、醫療植入設備,也贏得了 CES2007最佳創新科技。
圖 1.5 NASA太陽能衛星
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電子性能量也是一種存在於大自然界中的無線能量傳
遞方式,在自然界介質中施加高於崩潰電壓時,將會發生氣
體離子化而發生導通,例如於氖氣燈管中,高壓可以使兩電
極之間的氣體游離而產生電流。
圖 1.6特斯拉線圈
然而目前轉換式電源供應器以其高效率的特性,已廣泛
的運用在各種點子產品上,但其用金屬接點傳輸能量的點,
往往會造成接觸不良或是在特殊的使用者遇到電擊的危險,
無線能量與訊號的傳輸即成為一種要的解決途徑。
無線能量與訊號傳遞系統目前遇到最大的缺點就是效率
問題,雖然此系統帶來方便與安全,但因氣隙的關係,導致
傳輸效率遠不及傳統式來的好,故若要求完美感應感電系統,
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必須先將效率的問題改善。此外,增加訊號傳遞速度速度或
是更精準的定位功能也是未來改善重點。對於多個充電裝置
之間的耦合與供電控制機制也是個議題。
科技之進步,已將全球帶入行動消費之電子時代。可攜
帶式電子產品之需求越來越多,諸如筆記型電腦、PDA、手機、
數位相機和 MP3播放器等。然而攜帶式電子產品皆使用其特
定規格之插頭,不同之充電器無法通用而造成了成本提高及
環境汙染。此外,對於使用者而言,每個電子產品皆須要特
定之充電器更造成了許多辨識上及攜帶上之不便。無線感應
電能傳遞方式由於不須要插座及插座,若使用此方式進行充
電則充電器之供應將不再是針對特定之電子產品,可實現一
電能傳輸介面完全相容之電燈台概念。
圖 1.7無線感應電能傳輸之型態
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由於只要在感應耦合之範圍內將內建次級側感應線圈支電
子產品靠近感應充電器之初級側線圈即可 進行充電,且每個
內建初級側感應線圈之充電器皆可適用於任何搭載次級側線
圈之電子產品,如此增加了電力傳輸之相容性,不但提升了
使用上之便利性,對於充電器浪費所付出之成本及環保問題
也得到相當大的改善。
2.1無線電力傳輸之基本概念
依據 Maxwell之電磁場原理,初級側線圈及次級側線圈
之間可利用磁場之耦合來傳遞能量。1820年,Oersted發現
了電流磁效應,一電流流過任意長導線可在其周圍建立感應
磁場,證實了電流和磁場之間能量關係的連結。如圖 2.1其
磁場方向可利用安培右手定則決定即右手握住導線,則拇指
為電流方向,其餘四指則為磁場方向。
圖 2.1安培右手定則
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1831年,法拉第發現了電磁感應,更清楚解釋了磁
場之間能量轉換的關係,圖 2.3 所示為法拉第電磁感應示意圖,封閉線
圈若通過隨時間變化之磁通量,將產生感應電勢。
冷次定律則可得知感應電流所產生的磁場方向將會與原磁通
量方向相反。兩定律結合可得法拉第-冷次定律
圖 2.3法拉第電磁感應
2.2共振式感應線圈之動作原理
非接觸式感應結構之能量傳輸效率為其一級側與二次
側之間鎖傳輸及接收能量之比值,所以如果能夠增加初級側
磁通量,次級側所能夠接收之磁通量亦增加而提高了能量之
傳輸效率。由於磁通密度與磁路路徑之導磁係數成正比,因
此能夠利用高導磁率之磁性材料來增加初級側所產生之磁通量。感應線
圈操作於高頻交流環境時,依據電磁學理論導線
內之電流將由於時變磁場之影響而分佈不均勻,造成非理想
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效應,並且越高之頻率其所受之影響越大。此非理想效應主要導致交流
電阻之增加,交流電阻增加之結果將造成輸入線圈之電流限制、降低電
感品質因數、增加線圈損耗及線圈發熱等問題。利用感應線圈操作於變
化的電源訊號之下,其會產生一交變之磁場,圖 2.4 為 MIT 所設計之結
構,其中磁能於 A 線圈中之驅動電路產生,Ks 表示 A 線圈與 S 線圈耦合
變數,能量將從 A 線圈傳遞至 S 線圈,以共振磁能的方式傳送至二次側
之 D 線圈再耦合至 B 線圈以供應負載電力,以完成無線電力傳輸之共振
能量傳送行為。
圖 2.4共振式感應線圈能量傳輸模型
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2.3共振電路 RLC特性分析
電路中若共同存在電容性及電感性之元件,則由於電容之容抗與電
感之感抗於複數面上相位差呈現 180 度,因此於某特定之條件及頻率下
將發生容抗與感抗互相抵消之結果,此情況即稱為諧振。
RLC串聯諧振(Serial Resonance Circuit;SRC),考慮
一存在電阻、電感、電容及一電源之 RLC諧振電路圖 2.6(a)
所示,其中 Rs為電源之內阻;RL為電感之內阻。依據電路學
原理,可將串聯之 RI、RS及 RL等效為一電阻 R如圖 2.6(b)所示。
圖 2.6 SRC電路
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諧振電路之品質因數 Q即電容電感所產生之虛功與電阻
上之功率比值。由公式(7)可知,Q值為表示諧振電路性能之
物理量,Q值越高則發生諧振時電容及電感上之電壓越高。
且如圖 2.8所示為固定 R值而改變 L與 C之比值以改變 Q值
對頻寬之影響,Q值越高則頻寬越窄,亦即偏離諧振點線路
虛阻抗提高,電流下降。RLC並聯諧振,考慮一存在電阻、
電感、電容及一電源之 RLC並聯諧振電路,其特性與操作與
串聯諧振相似。
圖 2.8 SRC Q與頻寬關係
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2.4非理想之能量損耗
當感應線圈操作於高頻之交流環境時,依據電磁學理論導線內之電
流將由於時變磁場之影響而分佈不均勻,造成非理想效應,並且越高之
頻率其所受之影響越大。此非理想效應主要導致交流電阻增加,交流電
阻增加之結果將造成輸入線圈之電流限制、降低電感之品質因數、增加
線圈損耗及線圈發熱等問題。
當線圈操作於高頻時,除集膚效應對於電路的穩定與效率影響之
外,傳輸線效應亦不可忽略。在低頻時,由於訊號的波長皆遠大於電路
中的線路長度,此時傳輸線的影響稍弱,亦可忽略,而隨著頻率逐漸增
加,電路中的訊號波長將變短而與傳輸線較為接近,因此將會發生訊號
反射與透射的現象,電路中的傳輸線亦會有等效之感抗,容抗產生,如
圖 2.9所示,一般而言,當傳輸線長度小於 1/10之訊號波長時,傳輸線
效應之現象就會發生,此時系統之阻抗必須重新量測,必要時亦須對系
統做阻抗匹配。因此在設計上要避免傳輸線效應對電路系統產生不方便
之影響,在操作頻率上亦可往較低頻率來做選擇,然後操作頻率的降低
意味著系統的品質因素下降也會影響到系統之效率
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圖 2.9 傳輸線效應示意圖
2.5 傳輸效率
無線電力傳輸系統中,傳輸效率將是其重要的參考指標,在後續的
研究與實驗中,將對一次二次側做效率的量測,在量測中以一次側之電
源提供總功率為分母,分子以線性電阻負載來做測量得到二次側能量,
由於不同的負載會有不同的功率呈現,因此在設計上可以視二次側為一
完美電源加上一個特定的內阻,此內阻可能包含阻抗、感抗、容抗,並
在後續的實驗中驗證可得其感抗容抗對於最大功率的影響並不大。
因此只要求出二次側電源內阻即可獲取系統二次側之最大功率點,
然後由於一個好電源的內阻要越小越好,搭配不同負載的時候,對於電
源的要求亦不盡相同,就算最大的功率輸出能夠達到驅動之標準,但由
於內組過大,常導致端電壓差不符合負載工作需求,因此有效提高無線
傳輸效率將是無線電力傳輸系統中所面臨的重大問題。
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3.1 作品原理電路圖
發射端(TX)
接受端(RX)
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1: 接地 Ground ,通常為電源的負電。
2: 觸發 Trigger
• 最少要有 1u Second 約 1/3Vcc 正電壓脈衝足以觸發,觸發脈衝
是一個短暫的高至低的脈衝,輸出為一負脈衝。
• 觸發的時間須小於 RC 的時間常數,如果這個腳位持
保持在低電位,其輸出會一直到高電位,直到觸發輸入
回到高電位。
• 觸發脈衝不可在大於其 RC 常數的期間內小於 1/3Vcc,否則在前
一個脈衝終止時會再自我觸發。
• 單穩輸出脈衝寛度最小不得低於 10u Sec.以防止雙重
觸發。
• 通用典型的 DC 電流為 500nA,其觸發的電流必需流
在其他附加的電路,所以 R 不得大於
3: 輸出 Output:
• 提供一個低於供電電壓 V+約 1.7V 的高態輸出。 上
/下降的時間快速,切換時間約 100uSec. 輸出位準與
輸入觸發反向。
• 輸出可經由 RESET 觸發,產生幾乎為接地電壓的低態
輸出。
4: 輸出重置 Output Reset:
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• 跨越電壓為 0.7V,表面電流 0.1mA , 0.5uS 寛度。
• Reset 為一最高優先權功能。 不管其輸入狀態,將強制輸出成
為低態 可提前終止其輸出脈衝。
Page 3 of 5 o 可終結震盪從"ON"到"OFF"。
• Reset 到輸出的典型延遲時間為 0.5Us。
• 當不使用 Reset 時,建議把它接地,以避免不預期的 Reset 動
作。
5: 額外控制 Reference:
z 允許以 2/3 V+的電力直接驅動這一點。
• z 此項為一選項。適用於其它多項外部時基設備的驅動,可獨立於
RC 常數之外。於單穩狀態時其控制電壓可為 45 至 90%的 Vcc 電
壓,控制的輸出寛度可獨立於 RC 常收之外。於非穩模式時,其控
制電壓可從 1.7V 至 Vcc 的電壓,可輸出調頻式的輸出
(frequency modulated (FM) output)。 不使用時經由一個 0.01u
的電容接地可排除不正常的觸發。
6:重置鎖定 Reset latch
致使輸出成為低態。為一 DC 電流,從外部電路流向此點需要有
0.1uA 的跨越電流,R 需< 16 Mega-ohm。
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7: 時期電容 Timing capacitor
當輸出為"LOW"時,“On"(對地低阻抗),當輸出為"High"
時,“Off"(對地高阻抗)。
8: 電源供應+Vcc
• 供應電壓 voltage +4.5 volts (最小) to +16 volts (最大)
可產生大的輸出電流 (約 150mA)。 建議於靠近此接腳的地方安
裝一個較大容量去耦電容。T
• 555 有能力輸出兩倍的驅動電流。
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3.2系統架構圖
3.3系統簡單示意圖
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3.4實驗結果
將兩線圈感應 LED燈發亮,證明有電通過
使用示波器顯示波形
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3.5未來展望
無線傳輸一直是人類發展的遠大夢想,透過無線方式來供電
為人們帶來便利將是未來目標,唯獨目前無線電力因受
磁能散溢與感應結構設計之難度,比起傳統有線傳送電力之
行為效率並不理想,而高效率即極高品質因素 Q之共振設計
因其電感需求很大,因此在設計結果其線圈本體將耗去系統
極大的體積,在未來的研究目標能有不少的發展空間,而在
電路改進、耦合共振部分,未來亦可詳加探討以增加其傳輸
效率與功能穩定程度,無線電力傳輸系統不僅應用於充電功
能,亦可應用於其他多種不同二次側之父再使用,例如水中
供電、機器控制系統等等,所帶來之便利性乃其真正精神,
也將是值得研究的課題之一。
3.6 參考文獻
”CES Best of 2007”, http://reviews.cnet.com/4520-12760_7-6676861-1.html
http//:yahoo,com.tw
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