本实用新型涉及一种无线传输装置技术，特别涉及一种频率可调的无线电能传输实验装置。
背景技术：
所谓无线电能传输是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。随着科技的发展和生活水平的提高，手机、笔记本电脑、电动牙刷等需要移动的电器越来越多地走进了居民日常生活，而这些设备的有线充电给人们造成了诸多不便。这种环境下人们产生了对无线充电的需求越来越迫切。应用无线充电技术的意义在于：无线充电不但避免了随身携带数据线的不便，而且实现了充电设备能够与电源分离。同时，无线充电还具有为多部设备同时充电，保护环境，防水等优点。
2007年MIT提出的磁耦合谐振式无线电能传输技术思路，为无线电能传输技术发展史上的一项突破性进展，该技术的提出为实现中距离的无线电能传输技术提供了可能性。该项技术本质上依靠磁场传递能量，它通过谐振线圈间磁场的耦合，借助发射和接收线圈产生的共振实现能量的无线传输。此项技术的耦合模型通过电容和电感的串联与并联组合，形成了四种不同的拓扑结构，能够在不同应用场合，充分发挥它们各自的优势。
目前，磁耦合谐振是研究无线电能传输方式最热门的方法之一，涉及到电力电子技术中的高频逆变、整流，电磁学中电磁场、耦合理论等知识，由于这些知识比较抽象，研究人员刚开始时往往无从下手。而现有的设计方案复杂，多数以成品的形式呈现，很难模块化，成本也较高，尤其是高校的一些学生空有理论而无法与实际相结合。
技术实现要素：
本实用新型是针对磁耦合谐振知识点教研困难的问题，提出了一种频率可调的无线电能传输实验装置，通过模块化的设计、灵活的电路结构以及参数的可变性，让学生清晰地了解磁耦合谐振式的原理，做到学以致用。
本实用新型的技术方案为：一种频率可调的无线电能传输实验装置，由发射端和接收端两部分组成，发射端包括信号发生模块、驱动模块、逆变模块、发射模块和直流电源模块；接收端包括接收模块、整流滤波模块和检测装置以及负载；驱动模块由光耦隔离和驱动电路两部分组成，信号发生模块产生的PWM波经过光耦隔离后输到驱动电路；驱动电路驱动逆变模块产生高频交流电，高频交流电进入发射模块，发射电路发射电能；接收模块接收到电能，输入到整流滤波模块中；整流滤波模块将接收到的交流电变为直流电送检测装置以及负载；所述发射模块和接收模块均包括谐振电容与电感线圈串联电路和谐振电容与电感线圈并联电路，通过纽子开关选择接入串联或并联电路，串联或并联电路中的电容与电感均为插拔式。
所述信号发生模块由TL494CN芯片与电容和可调电阻组成，TL494CN芯片输出的一对PWM波直接驱动驱动模块中MOS管。
所述检测装置为与负载串联的直流电流表及发光二极管。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型频率可调的无线电能传输实验装置，能够让研究人员直观的理解电磁耦合谐振，电力电子的高频逆变及整流的知识。本实验装置具有很好的可操作性及易于实现、环保等优点，对相关人员研究无线电能传输具有很大的帮助。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构图；
图2为本实用新型信号发生电路；
图3为本实用新型发射模块与接收模块构成了谐振耦合电路示意图；
图4为本实用新型发射端与接收端的谐振电路电压波形图。
具体实施方式
一种频率可调的无线电能传输实验装置，由发射端和接收端两部分组成。发射端包括信号发生模块1、驱动模块2、逆变模块3、发射模块4和直流电源模块5，接收端包括接收模块6、整流滤波模块7和检测与负载8；驱动模块2由光耦隔离和驱动两部分组成，模块1产生的PWM波经过6N137芯片光耦隔离后输到IR2110芯片产生能驱动场效应管的PWM波；逆变模块3由四个IRF840 MOS管组成桥式电路，经模块2输出的PWM波驱动，产生高频交流电，从而使得发射模块4中的电容与电感线圈发生谐振；直流电源模块5由明纬三路电源RT-50D供电，提供电路中模块1、2中芯片所需要的5V及12V电压以及模块3中的直流电；发射模块4和接收模块6通过纽子开关选择接入电路，即发射与接收电路选择谐振电容与电感线圈串联或并联的方式；发射模块6通过电容与电感谐振接收到电能，输入到整流滤波模块7电路中；整流滤波模块7由四个超快恢复二极管HER107和滤波电容组成，将接收到的交流电变为直流电；检测装置以及负载8，通过电流表以及LED灯的亮度观察电路中的直流电。
发射端的驱动模块2由光耦隔离和驱动部分组成，光耦隔离部分用6N137芯片，保证了信号发生电路与IR2110驱动电路之间的电气隔离，防止因实验者误操作导致信号发生电路芯片烧毁。在IRF840芯片周围加入二极管及电阻进行芯片保护，防止电流反流造成损害。
图2为该实用新型信号发生电路，由TL494CN芯片与电容和电阻组成，其频率按照公式：进行计算，这里我们电容选择型号为152的CBB电容，可调式电阻型号为3296W-103，经过计算可得到PWM波频率范围为73.33KHz～733.3KHz，如果需要增大频率则将可调电阻值减小即可，反之，想减小频率则将可调电阻值增大，这样便能够达到我们实验所要求的频率。如果需要MHz的频率可进可调式电阻型号换成3296W-102，也可将电容型号换为102等。另外，TL494CN芯片输出的一对PWM波可直接驱动MOS管，不需要再加功放电路，其在稳定性与可靠性方面远高于由NE555芯片产生的方波来驱动场效应管的情况。
接收端主要由接收模块、整流滤波模块以及检测装置与负载组成。其中检测部分在电路中接入直流表，当不需要时可用导线替代。观察LED灯亮度，估量随着传输距离或频率变化其传输效率的变化；另外负载使用电阻，便于计算传输效率，有利于实验者更好的分析。
如图3所示发射模块与接收模块构成了谐振耦合电路图，在本实用新型中可以通过纽子开关选择不同的拓扑结构，在本实施例中选择发射器串联谐振，接收器并联谐振(S/P)的方式；谐振耦合电路中的电容与电感为插拔式，当需要时插入电路，实验过后再进行回收，使得实验材料可反复利用。
本实施例的具体实施步骤如下：
A、当谐振电容与电感选定后，按照公式： 计算谐振频率；
B、本实施例经计算谐振频率为93.5KHz，然后确定信号发生电路产生的PWM波频率范围；
C、将电容与电感插入电路，选择拓扑结构，本实施例选择SP型，将直流表接入检测端；检测电路无误后，直流电源模块给芯片和IRF840管供电；
D、观察电流表示数和LED灯的亮度，调节可调电阻，用示波器测量信号发生模块2中TL494CN芯片的9、10引脚，当频率达到计算值时停止调节电阻；然后可通过改变传输距离，再进行观察；
E、用示波器测量谐振耦合电路的电压波形，用万用表测量负载端的电压与电流，计算传输距离与传输效率的关系。
F、实验结束时，直流电源模块停止供电，将电路中的可插拔式元器件进行回收，以便下次利用。
图4为发射端与接收端的谐振电路电压波形图，当发射端线圈与接收端线圈相距2cm时，谐振频率为93.5KHz，耦合电路为SP形式时的谐振电路的两端电压波形，从图上我们可以出发射端的峰峰值为9V，而接收端的峰峰值为8V，其传输效率为88.88%，当距离增大时，传输效率降低，本实验装置最大传输距离可达到30cm。