簡(jiǎn)易高壓感應(yīng)電流手機(jī)充電電路設(shè)計(jì)

萬(wàn)泉，葛蘇慧，張淑蓮，張欣

（青島工學(xué)院，山東青島，266300）

0 引言

目前的手機(jī)都是大屏幕手機(jī)，耗電相對(duì)都比較快，基本上每天都得充電。外出旅行的時(shí)候，經(jīng)常遇到手機(jī)沒(méi)電的情況，即使帶了充電寶，這種情況也時(shí)有發(fā)生，那么設(shè)計(jì)一種能夠隨時(shí)充電的裝置是一件令人振奮的事情。本文主要研究如何通過(guò)高壓線(xiàn)的感應(yīng)電流給手機(jī)充電，首先通過(guò)天線(xiàn)裝置接收感應(yīng)電流，然后通過(guò)電路轉(zhuǎn)換成手機(jī)需要的直流5V電壓。

現(xiàn)在有兩個(gè)問(wèn)題擺在面前，第一：這種充電器安全嗎？第二：如何保證獲得的感應(yīng)電流能夠滿(mǎn)足充電的要求？先回答第一個(gè)問(wèn)題，關(guān)于高壓電的安全距離，根據(jù)《電力設(shè)施保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》第五條規(guī)定，可以得到如下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1：不同電壓下的安全距離。

表1 不同電壓下的安全距離

當(dāng)距離大于上面的安全距離時(shí)，人就是安全的，對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，下面講感應(yīng)電流原理的時(shí)候會(huì)給出說(shuō)明。

外出旅行的時(shí)候，高壓線(xiàn)還是經(jīng)常會(huì)遇到的，所以只要有高壓線(xiàn)存在，那么就可以方便給手機(jī)充電，下面介紹這一原理。

1 高壓感應(yīng)電流原理

根據(jù)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的原理：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。高壓輸電的過(guò)程中，由于輸送的是交流電，頻率為50HZ，電流的變化直接導(dǎo)致高壓線(xiàn)周?chē)艌?chǎng)的變化，磁力線(xiàn)的方向服從右手螺旋法則，變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這樣在高壓線(xiàn)周?chē)彤a(chǎn)生的變化的電磁場(chǎng)，又稱(chēng)為工頻電磁場(chǎng)。

圖1 電磁場(chǎng)傳播示意圖

1.1 人體感應(yīng)電壓分析

當(dāng)人體處在高壓輸電線(xiàn)路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，當(dāng)然在不同的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度下，感應(yīng)電壓的值是不同的，以人體為例，粗略估計(jì)下感應(yīng)電壓的大小，分別以場(chǎng)強(qiáng)值為4kV/m、5kV/m和 10 kV/m為例，考慮人體在對(duì)地絕緣和人體接地的情況，由于一般高壓輸電線(xiàn)的高度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體高度(取1.8m)，而高壓交流輸電線(xiàn)路產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)特點(diǎn)為：在地面附近電場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量基本均勻，且垂直于地面，水平分量可以忽略不計(jì)。因此可以等效簡(jiǎn)化電場(chǎng)，即將三相輸電線(xiàn)路產(chǎn)生的電場(chǎng)等效為均勻電場(chǎng)，用一無(wú)限大圓柱型電容器模型代替均勻電場(chǎng)。得到如下數(shù)據(jù)，見(jiàn)下表2：不同強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)下人體感應(yīng)電壓的值。

表2 不同強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)下人體感應(yīng)電壓的值

表中的數(shù)據(jù)顯示，人體的感應(yīng)電壓在幾百伏特到上千伏特之間，足夠提供手機(jī)充電需要的電壓源。

1.2 接收天線(xiàn)的感應(yīng)電壓的計(jì)算

如果在高壓線(xiàn)人體安全距離范圍內(nèi)放置接收天線(xiàn)，用來(lái)聚集感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，能夠產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是多少呢？下面通過(guò)模擬電荷法計(jì)算模擬。

模擬電荷法最早1969年就提出來(lái)，其原理是用一組離散化的模擬電荷來(lái)代替連續(xù)分布的自由電荷或者束縛電荷，這一思想從電磁場(chǎng)的唯一性定理中得到證明。在保證邊界條件一致的條件下，利用疊加原理來(lái)模擬計(jì)算等效的空間電場(chǎng)分布。

下面計(jì)算一根接收天線(xiàn)能夠聚集的感應(yīng)電荷與感應(yīng)電壓的大小。建立如圖2所示的坐標(biāo)系，其中h=12m，為高壓線(xiàn)距離地面的垂直高度，R=0158m，為高壓線(xiàn)的等效半徑，y=2m，為天線(xiàn)離地面的垂直距離，天線(xiàn)的長(zhǎng)度取0.5m，得到接收天線(xiàn)的感應(yīng)電壓約為5.020KV。

圖2 單相高壓線(xiàn)放置天線(xiàn)示意圖

上面計(jì)算分析可以可知，由感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓足可以提供給手機(jī)充電所需的電壓來(lái)源，如何將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)化為手機(jī)需要的電壓呢？下面將具體分析。

2 感應(yīng)電流充電器電路設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)輸出穩(wěn)定5V的直流電壓，可以由高壓線(xiàn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓中獲得電壓源，然后通過(guò)一系列電路變換最終獲得直流5V電壓。

2.1 電路整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 感應(yīng)電流充電電路框圖

2.2 感應(yīng)充電電路具體設(shè)計(jì)

在上述框圖中，接收天線(xiàn)是用來(lái)聚集電場(chǎng)以產(chǎn)生感應(yīng)電壓，也可以通過(guò)人體或者自行車(chē)等聚集電場(chǎng)；火花塞在本設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，需要借助火花塞將感應(yīng)電荷以短脈沖的形式傳輸?shù)阶儔浩鞯母邏豪@組上；變壓器用來(lái)輸出合適的交流電壓，這里要考慮到高壓線(xiàn)的輸電電壓的不同和接收天線(xiàn)與高壓線(xiàn)的距離的差異，這兩個(gè)參數(shù)會(huì)使得變壓器高壓繞組上的電壓是不穩(wěn)定的，而最終為了獲得穩(wěn)定的直流5V電壓，變壓器的輸出電壓必須要相對(duì)穩(wěn)定，所以這里選用滑動(dòng)變壓器來(lái)靈活控制輸出的電壓值，為了滿(mǎn)足手機(jī)充電電壓的要求，滑動(dòng)變壓器的輸出電壓穩(wěn)定在7V～25V之間；整流、濾波和穩(wěn)壓選用成熟的電路即可。下面給出具體電路圖，手機(jī)充電器電路原理圖，u1和u2原始交流信號(hào)，U1和U2分別為其有效值。

圖4 感應(yīng)電流充電電路原理圖

電路圖中，J為感應(yīng)天線(xiàn)，T滑動(dòng)變壓器（可調(diào)變壓器），VD1~VD4為橋式整流電路；C1、C2為濾波電容；LM7805為直流穩(wěn)壓塊，產(chǎn)生5V的直流電壓，C3為濾波電容。

2.3 充電電路參數(shù)計(jì)算分析

由于輸電線(xiàn)路是交流電壓，因此由天線(xiàn)聚集的感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也是交流電壓，大小在幾百伏到幾千伏不等，經(jīng)過(guò)火花塞放電后的產(chǎn)生變成了短脈沖電壓，而在變壓器輸出端將產(chǎn)生交流短脈沖電壓，通過(guò)調(diào)整變壓器的線(xiàn)圈的匝數(shù)比，使得U1在8V～25V之間，比較像開(kāi)關(guān)電源變壓器，這里以輸出15V為例來(lái)分析。將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，為了確保安全，選擇整流塊的時(shí)候，耐壓值選擇高點(diǎn)，這里整流塊型號(hào)選擇：KBU606。U1的有效值按照如下公式計(jì)算：

其中u1即為變壓器輸出的交流短脈沖信號(hào)，若去掉后面的濾波也穩(wěn)壓電路，則由公式(1)不難得出：經(jīng)過(guò)橋式整流后的信號(hào)u2的有效值U2也為15V，即：

但加上濾波和穩(wěn)壓電路后，U2的值將發(fā)生變化，C1為濾波電容，C1的大小與輸出電流和U1周期有關(guān)，通常在小于1A電流的情況下，C1取1000uF～2000uF，這里選用1000uF的電解電容。電路可以看出，整個(gè)濾波效果取決于C1與C2的值，以及C2兩端等效電阻RL，U2的值可以由下面公式來(lái)近似。

T為u1的周期，這里為0.02秒（高壓輸電頻率為50HZ），由LM7805的伏安特性曲線(xiàn)可以看出，其輸入阻抗往往比較大，一般工程上滿(mǎn)足公式(4)的條件下，通常取U2=1.2 U1=18V

LM7805輸入電壓范圍在9V～35V之間，而當(dāng)U1控制在8V～25V之間時(shí)，LM7805的輸入電壓在9.6V～30V之間，滿(mǎn)足穩(wěn)壓管輸入電壓的要求。由上面分析看能滿(mǎn)足我們的需求。這里需要說(shuō)明的是C2和C3的值是典型的LM7805的應(yīng)用電路，這里不再詳細(xì)解釋。

3 結(jié)論

本論文證明了通過(guò)利用高壓線(xiàn)的感應(yīng)電壓可以產(chǎn)生穩(wěn)定5V的直流電壓的可行性，下一步需要做的是借助實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論的準(zhǔn)確性。本文中有兩點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)行細(xì)致的理論分析，僅僅進(jìn)行了驗(yàn)證性的定量說(shuō)明，雖然無(wú)礙于整體的論證，后續(xù)仍需要嚴(yán)格論證。其一，高壓線(xiàn)的感應(yīng)電壓的大小與聚集感應(yīng)電荷的物體的形狀及位置的函數(shù)關(guān)系；其二，火花塞輸出的短脈沖電壓與穩(wěn)壓管的輸入電壓之間的準(zhǔn)確函數(shù)關(guān)系。