Современная электроника №9/2019

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2019 без учёта коэффициента связи опреде- ляется как резонансная частота колеба- тельного контура с потерями: , где R dc – сопротивление катушки L P по постоянному току; Z p – импеданс коле- бательного контура. В свою очередь, импеданс колеба- тельного контура Z p определяется как: , где X L – сопротивление (здесь и далее для реактивных элементов под «сопро- тивлением» имеется ввиду модуль импе- данса) катушки индуктивности L P , X L = 2 π× f × L ; X C – сопротивление конден- сатора C p , X C = 1/2 π× f × C . Ещё одна особенность топологии схе- мы заключается в том, что переключе- ние ключей всегда происходит в точ- ке, близкой к нулю напряжения. Это означает, что коммутационные поте- ри (потери на переключение) в МОП- транзисторах очень низкие. С другой стороны, недостатком данной тополо- гии является то, что потребляемая ею мощность на холостом ходу оказыва- ется относительно высокой. Причина – в наличии реактивных токов, посто- янно циркулирующих в колебатель- ном контуре. Соответственно, в идеа- ле такой резонансный преобразователь должен работать только при подключе- нии внешней нагрузки, а точнее – при обнаружении с ней магнитной связи. Кроме того, следует учитывать, что резо- нансная частота колебательного кон- тура зависит от коэффициента связи с приёмной катушкой. Причина в том, что поскольку обе катушки (приёмная и передающая) располагаются парал- лельно, то наличие отражённого импе- данса со стороны приёмника влия- ет на индуктивность намагничивания катушки передатчика. Уменьшающий- ся коэффициент связи вызывает повы- шение частоты, поскольку в этом случае индуктивность намагничивания катуш- ки передатчика уменьшается. Более под- робно о выборе катушек приёмника и передатчика, а также о принципе пере- дачи энергии, который лежит в основе рассматриваемого метода, а именно вза- имодействие в области ближнего поля, написано в публикации [4]. Базовая схема преобразователя, пока- занная на рисунке 1, в зависимости от используемых компонентов может работать при напряжении питания 3,3–230 В и выше. При использовании напряжения питания более 20 В необхо- димо обратить внимание на защиту от прикосновения, поскольку в этом случае напряжение на колебательном контуре с учётом π -фактора будет выше уровня безопасного сверхнизкого напряжения SELV (Safety Extra Low Voltage). Соглас- но действующим стандартам порог безопасного напряжения установлен на уровне 50 В переменного тока (дей- ствующее значение) или 120 В постоян- ного (выпрямленного) напряжения [2]. Что касается эффективности (КПД) схемы беспроводной передачи мощно- сти, на практике она может превышать 90%. Это достаточно хороший показа- тель, поскольку в него уже включены потерина связь через воздушный зазор, а выходное напряжение рассматривает- ся как готовое киспользованию, выпрям- ленное и сглаженное постоянное напря- жение. Уровень КПД остаётся без изме- нения привоздушномзазоре в пределах 4–10мм. Это связано с тем, что большая доля энергии магнитного поля, не свя- занная со стороной приёмника, возвра- щается обратно в колебательныйконтур. В зависимостиот конкретногопримене- ния возможно увеличение расстояния до 18 мм, однако здесь должен соблюдать- ся известный компромисс между коэф- фициентом связи катушек передатчика и приёмника и выполнением требова- ний стандартов в части электромагнит- ной совместимости (ЭМС) устройства. Информация о том, что нужно знать об испытаниях на выполнение нормати- вов по ЭМС для изделий коммерческо- го назначения по уровням требований, методикамизмеренийииспользуемому оборудованию, соответствующим меж- дународным стандартам и стандартам, действующим на территории Россий- скойФедерации, приведена в [7]. КПД решения может быть повышен за счёт использования для управле- Рис. 5. Отражённые пульсации напряжения и шумы на шине питания передатчика при V in = 20 В и P out = 100 Вт Рис. 7. Внешний вид составляющих системы беспроводной передачи энергии с воздушным зазором 6,5 мм (V in = 20 В постоянного тока, P out = 100 Вт) Рис. 6. Испытание системы беспроводной передачи энергии с воздушным зазором 6,5 мм (V in = 20 В постоянного тока, P out = 100 Вт)