【導(dǎo)讀】LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，相關(guān)的LED照明技術(shù)也在逐步完善。照明設(shè)備的非接觸供電技術(shù)備受業(yè)界關(guān)注，原因就在于近距離非接觸供電技術(shù)能夠廣泛的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，具有良好的發(fā)展前景。本文就來(lái)探討關(guān)于照明設(shè)備的非接觸供電技術(shù)。
非接觸供電技術(shù)
非接觸供電技術(shù)的特點(diǎn)是供電端與用電端無(wú)需任何物理上的連接，就可以把電能傳輸給用電端。利用電磁波進(jìn)行毫米到厘米級(jí)范圍的近距離非接觸供電系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。如電動(dòng)車輛、深水作業(yè)、機(jī)器人、礦山機(jī)械、電動(dòng)牙刷、手機(jī)和筆記本等移動(dòng)設(shè)備，甚至在植入人體的電子醫(yī)療器件也采用了這一技術(shù)供電、充電。因此，近距離非接觸供電技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。
基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電技術(shù)，綜合利用電力電子技術(shù)、磁場(chǎng)耦合技術(shù)、大功率高頻變換技術(shù)，借助現(xiàn)代控制理論和方法，實(shí)現(xiàn)了傳輸電能系統(tǒng)和用電設(shè)備的隔離，使兩者之間沒(méi)有電的直接接觸，很好地滿足了特種應(yīng)用場(chǎng)合的需要，提高了電能傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。因此，非接觸供電技術(shù)是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術(shù)。
1 基本原理
非接觸供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、振蕩電路、基準(zhǔn)電壓電路、控制保護(hù)電路以及發(fā)射線圈L1(變壓器初級(jí))組成;電能接收單元主要包括接收線圈L2(變壓器次級(jí))、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成(如圖1所示)。
圖1 非接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
非接觸供電系統(tǒng)工作時(shí)輸人端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統(tǒng)供電，直流電通過(guò)振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電經(jīng)功率放大輸出電路放大供給發(fā)射線圈L1.通過(guò)發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能，接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負(fù)載。2 特性和缺陷
基于電磁感應(yīng)原理的非接觸供電技術(shù)，發(fā)射線圈和接收線圈必須有諧振頻率一致的電磁共振，才能傳輸電能，而具有以下主要特性和缺陷：電磁共振以“電一磁一磁一電”的方式實(shí)現(xiàn)電能的傳遞，而且是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，必然存在著電磁輻射和能量的損耗，因此，近距離的實(shí)際效率很難超過(guò)80%,遠(yuǎn)距離的狀態(tài)下，效率可能很低。因此，不符合節(jié)能的概念。
電磁能與距離的關(guān)系為電場(chǎng)強(qiáng)度與距離的二次方成反比，磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的四次方成反比。單純的電磁共振是不可能長(zhǎng)距離傳輸?shù)?。通常?米處，效率不超過(guò)l%.因此，只能在近距離內(nèi)使用，一般不超過(guò)10厘米。
電磁共振可以穿透非金屬，卻不能穿透金屬。利用這個(gè)特性，可以制造出即時(shí)充電或即時(shí)供電的電器，在移動(dòng)性、防水性和隔離性等方面有突出的表現(xiàn)，同樣可以應(yīng)用這個(gè)特性，來(lái)解決其自身的電磁干擾問(wèn)題。選擇一個(gè)適當(dāng)供電頻率使系統(tǒng)產(chǎn)生共振，則電能發(fā)射端的電磁波頻段對(duì)正常的通信、廣播沒(méi)有干擾或干擾較小，對(duì)人體或其他生物不構(gòu)成傷害，符合安全指標(biāo)。
在幾個(gè)厘米以內(nèi)的近距離的電磁共振中，還存在著空振高壓?jiǎn)栴}：接收電路在負(fù)載時(shí)的電壓與空載時(shí)的電壓相差懸殊，往往是數(shù)倍甚至是十倍以上，致使接收電路在空載時(shí)，由于電壓的大幅度升高，將負(fù)載電路燒壞。是目前電磁共振的非接觸供電技術(shù)難以實(shí)用的一個(gè)重要因素。
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非接觸供電技術(shù)在LED發(fā)光設(shè)備的應(yīng)用
現(xiàn)有的LED發(fā)光標(biāo)志牌、LED照明產(chǎn)品等，通常采用有線方式供電、充電。因而需要通過(guò)接口和導(dǎo)線進(jìn)行有線方式供電、充電，需要在發(fā)光標(biāo)志牌、照明設(shè)備上安裝接口及導(dǎo)線，導(dǎo)致設(shè)備整體防水、防漏氣性能低且不可靠。無(wú)法長(zhǎng)期使用、安裝、儲(chǔ)存在惡劣的環(huán)境中，如水中、礦井中或者連續(xù)潮濕的環(huán)境中。
本文探究非接觸供電技術(shù)應(yīng)用于LED發(fā)光設(shè)備可行性，把非接觸供電系統(tǒng)的電能接收端置入到LED發(fā)光設(shè)備內(nèi)。選擇適當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)能進(jìn)行非接觸供電或充電的LED發(fā)光設(shè)備。該LED發(fā)光設(shè)備具有移動(dòng)性、高度防水性、高度隔離性，適用于水下作業(yè)、礦井作業(yè)、抗洪救災(zāi)等特殊場(chǎng)所的安全標(biāo)志牌與照明。
1 應(yīng)用實(shí)例
1.1 LED發(fā)光標(biāo)志牌
本文設(shè)計(jì)的非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌(如圖2所示)，它由內(nèi)部非接觸供電電能接收單元、充電電池、LED、LED驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)控制電路、柔性電路板、外封裝透明膠套構(gòu)成。外部由非接觸供電電能發(fā)送單元及電源構(gòu)成。
VOX330MP05S和VOXRIOD是近距離下的非接觸供電芯片組，解決了長(zhǎng)期以來(lái)不能解決的空振高壓?jiǎn)栴}，使輸出電壓基本維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)。
VOX330MP05S是一款專門(mén)針對(duì)市電電源的非接觸供電的大功率發(fā)射模塊芯片，可以將市電整流后直接給芯片供電，工作電壓范圍大，最低可低至IOOV,最高電壓至400V,具有高達(dá)1A的電流發(fā)射能力，典型工作電路(如圖3所示)。Ic內(nèi)部建有振蕩、基準(zhǔn)電壓、脈寬調(diào)制、限幅、低壓?jiǎn)?dòng)、輸出推動(dòng)和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求;V0x330MP05s自身功耗小，輸出電流大，發(fā)射效率高達(dá)70%以上;芯片內(nèi)設(shè)自動(dòng)限流電路，電路在空載時(shí)電流很小，而在大負(fù)載時(shí)的輸出能力可達(dá)空載時(shí)的十倍以上;VOX330MP05S外圍電路簡(jiǎn)單，主要元件只有一個(gè)電阻、一個(gè)電容和~個(gè)線圈，因此使用方便。配合相應(yīng)的接收模塊同時(shí)使用，就能實(shí)現(xiàn)非接觸供電。
圖3 電能發(fā)送單元
(2)電能接收單元VOXRl0是一款專門(mén)針對(duì)VOX系列的非接觸供電發(fā)射模塊設(shè)計(jì)的配套接收模塊芯片，可以為接收電路提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的中心電壓。VOXRIO內(nèi)部建有基準(zhǔn)電壓、限幅、低壓?jiǎn)?dòng)、輸出推動(dòng)和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求;而且自身功耗小，輸出電流大，接收效率高達(dá)80%以上;芯片內(nèi)設(shè)自動(dòng)限壓電路，電路在空載時(shí)電流很小。VOXRl0外圍電路簡(jiǎn)單，主要元件只有一個(gè)電容、一個(gè)二極管和一個(gè)線圈，因此使用方便。
電能發(fā)送單元發(fā)射電磁波，內(nèi)部電能接收單元接收該電磁波并轉(zhuǎn)換為交流電后經(jīng)整流濾波成直流電對(duì)電池進(jìn)行充電。一個(gè)電能發(fā)送單元可以對(duì)多個(gè)內(nèi)部電能接收單元發(fā)射電磁波進(jìn)行充電。充電電池一般用鋰電池，但鋰電池穩(wěn)定性較差，在有易燃易爆氣體及物品的環(huán)境中采用鎳氫等電池。
(3)LED電路
一個(gè)LED與一個(gè)電阻串聯(lián)后組成一個(gè)基本單元，若干個(gè)基本單元之間可以采用串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的方式進(jìn)行連接;多個(gè)LED以陣列的形式安裝在一塊平面上組成LED點(diǎn)陣屏，點(diǎn)陣屏有各種顏色，分為單色、雙色、三色。把LED呈矩陣狀均勻布滿于柔性電路板上，可以排列組合成指標(biāo)或警示性的圖標(biāo)發(fā)光顯示。
LED控制電路采用微處理器控制電路，以遙控控制系統(tǒng)、觸摸控制系統(tǒng)、輕觸開(kāi)關(guān)來(lái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的可以直接用微型按鈕開(kāi)關(guān)控制電源。LED驅(qū)動(dòng)電路可采用分立元件驅(qū)動(dòng)電路、集成驅(qū)動(dòng)電路。
(4)封裝
外封裝透明膠套用于保護(hù)整個(gè)非接觸供電式LED發(fā)光標(biāo)志牌的電路，把整個(gè)非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌電路牢靠包封在外封裝透明膠套內(nèi)，無(wú)任何接口，因此本文所述的非接觸供電LED發(fā)光標(biāo)志牌具有高度可靠的防水、防漏氣性能。本標(biāo)志牌還可以根據(jù)用戶需要，制做成不同形狀，進(jìn)行單面、雙面、多面發(fā)光顯示。
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1.2 LED礦燈
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，煤礦井下瓦斯爆炸事故有三分之一以上是礦燈故障引起的，這主要是由于礦燈所使用的白熾燈泡存在的缺陷所造成的。而LED礦燈解決了白熾燈泡的安全隱患，在煤礦上大量推廣使用。LED礦燈在節(jié)能、安全性、易用性等方面與采用白熾燈的礦燈相比都有較大改進(jìn)，但還存在著以下問(wèn)題需要解決。
礦井下潮濕、多水、空氣混濁、灰塵大，LED礦燈采用了鎳氫電池或鋰電池為電源，LED發(fā)光二極管為光源，這些元件一但進(jìn)水、進(jìn)入灰塵后就易損壞，甚至報(bào)廢。閉鎖螺絲受潮后會(huì)生銹，難以卸掉，須將螺栓廢掉，浪費(fèi)材料費(fèi)和工時(shí)。充電接口經(jīng)常進(jìn)灰堵塞，尤其水泥進(jìn)到充電接口凝固后就很難去掉，影響LED礦燈充電，嚴(yán)重的就可能報(bào)廢。
本設(shè)計(jì)把電能接收端置入LED礦燈，用透明膠套把LED礦燈牢靠密封，采用非接觸供電技術(shù)，就可以解決上述問(wèn)題。提高了LED礦燈的使用壽命、防爆性能、抗靜電性能，降低了LED礦燈的報(bào)廢率，減少了維修量，增加了實(shí)用性和安全可靠系數(shù)。
2 系統(tǒng)分析與構(gòu)成
對(duì)使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備的設(shè)計(jì)，要從三個(gè)角度考慮完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：一是從器件的選擇、電路設(shè)計(jì)上盡可能的提高系統(tǒng)的效率;二是嵌入非接觸式的RFID(RadioFrequencyIdentification,射頻識(shí)別)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)ID認(rèn)證機(jī)制，保證系統(tǒng)的安全;三是采用MCU(MicroControlUnit,微控制器)作核心的部分，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路所需的振蕩頻率，同時(shí)也需要控制RFID組件與電能接收端進(jìn)行信息交互。使供電端與用電端可以用一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多和網(wǎng)絡(luò)分布方式供電。
系統(tǒng)由供電部分及工作部分組成(如圖4所示)。供電部分由MCU和供電單元組成，MCU通過(guò)RFID發(fā)射單元檢測(cè)負(fù)載位置的情況，當(dāng)負(fù)載存在時(shí)，開(kāi)通供電單元，進(jìn)行供電。工作部分由MCU、與電能發(fā)送端相對(duì)應(yīng)的RFID組件、LED單元、受電單元和充電電池組成，受電單元主要實(shí)現(xiàn)電能的接收，受電線圈接收電能，通過(guò)整流、濾波處理后向電池和LED單元供電。MCU的外圍電路包括復(fù)位電路、參考電壓電路、串口下載電路、電源與接地、按鍵、報(bào)警等。系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話界面，通過(guò)顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作部分、供電部分、供電管理、按鍵、顯示等功能都由MCU進(jìn)行控制。
圖4 用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖
實(shí)現(xiàn)使用非接觸供電技術(shù)的LED發(fā)光設(shè)備的方案是上述的整合，即兩部分構(gòu)成，分別為接220V交流電的電能發(fā)送端和給LED發(fā)光設(shè)備電池充電的電能接收端。將待充電LED發(fā)光設(shè)備放到充電器上，打開(kāi)設(shè)在電源端的充電開(kāi)關(guān)，電能發(fā)送端發(fā)出驗(yàn)證信息，電能接收端收到驗(yàn)證信息后發(fā)出確認(rèn)信息，身份驗(yàn)證通過(guò)后，則控制驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。相關(guān)閱讀：
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