特斯拉线圈无线充电模型设计研究范文

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《国外电子测量技术杂志》2016年第9期

摘要：

在无线电能传输的研究中，广为人知的是发明者尼古拉•特斯拉发明的火花间隙特斯拉线圈，虽然该线圈结构简单原理易懂，但是其大电压、大电流的工作模式会危及使用者的生命安全。针对此问题设计了固态追频特斯拉线圈和固态定频特斯拉线圈，在实现无线电能传输的基础上保障了使用者安全。经实验证明，设计的3种电路无论是否正常工作，都不会产生危及使用者生命的电压电流。其中固态追频特斯拉线圈可以在9V电池供电的情况下点亮节能灯，固态定频特斯拉线圈可以在12V直流电压供电的情况下实现次级线圈尖端放电。

关键词：

特斯拉线圈；无线电能传输；固态特斯拉线圈

1引言

由于常规的电力传输越来越无法满足人们的日常需求，人们开始把目光投向了无线充电，因此无线充电成为了时下研究的热点。传统的特斯拉线圈［1］是在1891年由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉•特斯拉发明。该种特斯拉线圈为传统的火花间隙特斯拉线圈，其工作原理为利用谐振的方式，使两级线圈振荡升压，让放电终端可获得高频高压的交流电，即用高压谐振进行能量转换的高压发生装置。该种特斯拉线圈的一大弊端是初级线圈必须产生火花间隙，通过火花间隙制造出来的谐振频率传输电能，而产生火花间隙就使得电路中必须有大电压和大电流。使用者在操作火花间隙特斯拉线圈时，稍有错误就会危及生命安全［2］。在科学研究中为了避免使用者受到伤害，国内外使用者会穿上昂贵的特制衣服“法拉第笼”，因为“法拉第笼”可以把使用者接触到的危险电流直接导入大地中。除了上述方法外就是改良特斯拉线圈的电路，国内外中应用最为广泛的电路是固态特斯拉线圈，因为该电路中不会产生大电压和大电流，这也就从设计上保障了使用者的安全。本文设计的3款新型电路就属于固态特斯拉线圈的范畴，相比于一般而言的准连续波双谐振固态特斯拉线圈、连续波双谐振固态特斯拉、固态－真空管特斯拉线圈等固态特斯拉线圈而言，本文设计的特斯拉线圈在保证无线电能传输的基础上，具有更长的工作时间、较低的工作电压电流和简单的电路结构。

2系统总体设计

本着取材简单、成本低廉、易于制作及推广的原则，设计了3种电路，主要实现以下功能。1）无线电能传输［3］。可以在9V电源供电的情况下实现无线电能传输，即点亮次级线圈端的节能灯。2）次级线圈尖端火花放电。通过在次级线圈尖端放置铁钉的方式，使得次级线圈尖端放电，从而看到电弧。

3电路设计

3．1基本电路设计

基本电路由一个22kΩ电阻、2N2222A三极管、LED、9V电源、初级线圈和次级线圈组成［4］，其电路如图1所示。在该电路中，其工作过程描述如下。接通电路，22kΩ电阻驱动三极管的基极，三极管接通并驱动电流流入初级线圈，其中该电流（集电极）是受到基极电流限制的。集电极电流所创建的磁场驱动初级线圈端，使得次级线圈的电压变大。但是输出端的微小寄生电容会阻碍电压升高，在次级线圈端的电压上升至饱和的同时，初级线圈端电压下降，使得三极管的基极电流下降。二极管可以防止基极电压下降超过0．7V以下，确保三极管的偏置电压。此外该三极管关断，磁场开始减小。基极电压再次上升和三极管接通，重复该循环，实现特斯拉线圈的正常工作［5］。

3．2拓展电路一（功率增强型的固态追频特斯拉线圈）

相比于基本电路，拓展电路一在传输功率上有所提升，其供电方式也改为实验室电源供电，高功率MOSFET晶体管2SK2542代替了普通三极管［6］，同时也增加了一个MIC4452栅极驱动器，其电路如图2所示。在该电路中，提高了初级线圈的发出功率［7］，则相应的次级线圈的接收功率也变大了，进而使得该装置可以传输更高的能量，演示现象时效果更为明显。值得注意的是，因为电路中L和C的值相较于基本电路未改变，使得谐振频率也没有改变。经过计算得知，该电路中的谐振频率在1MHz左右，这就要求电路中的MOSFET晶体管也可以在这样的频率工作，否则电路不会产生振荡。

3．3拓展电路二（固态定频特斯拉线圈）

拓展电路二中，该电路由原来的固态追频特斯拉线圈改为固态定频特斯拉线圈。该电路相比于拓展电路一又增大了发射功率，使得使用者可以在次级线圈端引出电弧。该电路由施密特振荡电路、初级线圈和次级线圈组成［8］，详细电路如图3所示。由图3可知，5V电压由U1产生，该电压为低功耗比较器和运放电路供电。12V电压由电感L1和电容过滤而成，该电压驱动U4的MOSFET栅极，此时MOSFET栅极电容中的电流会迅速达到峰值，使得电路中的噪声对振荡器电路的影响增大［9］。因此要注意地线的分布，确保振荡电路中的地线不是通过电源电路提供的。固态定频特斯拉线圈的一大特点是需要调节电路中的发射频率，使其和谐振频率相吻合，只有这样才可以实现无线电能传输和次级线圈尖端放电。经过计算此电路中的谐振频率约为1MHz。其中，U2是一个施密特触发器的振荡电路，可以通过POT1电位器调节电路中的频率为1MHz。振荡器输出电路中把从电容C7输出的电压转变成锯齿波，该信号与POT2创建的直流电压相比较，产生一个占空比可调的PWM波。此PWM通过U4栅极驱动器控制Q1到Q4的MOSFET晶体管打开／关闭。当MOSFET打开时，初级线圈的电流改变［10］，当MOSFET关断时，电路中的能量会转换成一个大电压加在初级线圈，从而使次级线圈获得大电压，同时次级线圈会产生电弧。特别说明，该电路为直流电源供电。

4实物测试及达到的技术指标

在根据本文设计的电路图实际焊接后，进过测试，实现了9V电源如供电下无线电能传输和尖端火花放电，实物图4所示。在对比测试中，在同等距离点亮节能灯的条件下，火花间隙特斯拉输入电压为220V交流电，输入电流为23A，固态追频特斯拉线圈输入电压为12V，输入电流为0．32A，固态定频特斯拉线圈输入电压为32V，输入电流为6A。实验表明，固态追频特斯拉线圈在相同条件下具有更高的安全性，印证了实验设计初衷。

5结论

经过实验表明，本文设计的3款新颖特拉线圈解决了传统火花间隙特斯拉线圈安全性过低的问题。经过数据对比发现，固态追频特斯拉线圈更容易保持在谐振频率下传输电能，这也就大大提高了传输效率，节省了电能损耗。特别是固态追频的特斯拉线圈固有的电路特性，减少了设置谐振频率的步骤，简化了操作难度，使得小功率无线传输电能成为可能。虽然本文设计的特斯拉线圈有着如此多的优点，但是是否能应用于实际生活中在很大程度上还取决于传输效率。在以后的研究中，会根据传输效率问题做进一步探讨，继续挖掘新型电路的潜力。

参考文献：

［1］张自成，杨汉武，张建德，等．紧凑型Tesla变压器的参数测量［J］．国防科技大学学报，2008（4）：15－16．

［2］孙跃，王智慧，戴欣．非接触电能传输系统的频率稳定性研究［J］．电工技术学报，2005，20（11）：56－59．

［3］孙文军，芮国胜，张嵩，等．基于自激振荡系统的混沌稳健检测模型［J］．仪器仪表学报，2015，36（12）：2657－2665．

［4］唐旭英．双耦合谐振回路选频特性仿真研究［J］．国外电子测量技术，2015，34（3）：42－45．

［5］黄文婷，郑婧，黄海，等．电力变压器振动信号分离方法研究［J］．电子测量与仪器学报，2016，30（1）：111－117．

［7］屠张杰，卜雄洙，徐淼淼．电磁耦合式无线供电在金属轴环境中的涡流损耗分析［J］．电子测量技术，2016，39（3）：38－41．

［9］曾祥耀，饶玉凡．空心双谐振脉冲变压器的仿真研究［J］．广东电力，2010（5）：14－15．

［10］邹华昌，乔江，宋浩谊．开关电源的缓冲电路设计［J］．微电子学，2008（2）：25－26．

作者:伟 郭颖 单位:辽宁石油化工大学信息与控制工程学院