基于電容耦合的非接觸電能傳輸LED燈

文 大連理工大學附屬高中李宗澤任美桐

LED燈在隧道照明及顯示屏等方面有著廣泛應用。目前LED燈采用傳統的導線、插頭和插座等電連接器供電，易沾灰、易受腐蝕，使用受到限制。若采用非接觸方式供電，這些問題就可以迎刃而解。

電磁感應耦合式CPT技術是目前比較有效、研究廣泛、相對成熟的無線電能傳輸方案。它是一種近距離的無線電能傳輸技術，根據傳輸設備的不同，又可分為電場耦合式和磁場耦合式。

電場耦合式利用平板電容器，通過在電容器一側的極板上施加高頻電壓，使極板間形成感應電場，實現電能在平板電容器間的傳輸。磁場耦合式利用電源側的線圈產生交變磁場，耦合到負載側的線圈，從而將能量傳遞給負載。

由于磁場耦合會受金屬導體屏蔽的影響，限制了金屬環境中LED燈的使用，所以我們采用電場耦合非接觸傳輸方式為LED燈提供電源。

一、基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統

基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統如圖1所示。首先對工頻電源進行整流濾波獲得直流電源；然后經過高頻逆變器變換成高頻交變電壓，并將該電壓作為兩對平行板電容器的原邊極板的輸入電壓；由于平板電容器的原、副邊極板間的電位差，形成交變感應電場，從而形成位移電流，實現電能在電容器極板間的非接觸傳輸；最后通過高頻整流濾波電路為LED燈提供電源。

圖1電容耦合非接觸電能傳輸系統

電容耦合式非接觸電能傳輸系統的電路拓撲圖如圖2所示。其中S1-S4為MOSFET開關，D1-D4為反并聯二極管，C1-C4為緩沖電容，L1、L2為補償電感，RL為負載電阻，輸出電流為i0，輸出電壓為u0。電路中的全橋逆變器采用移相PWM控制，S1和S2構成超前橋臂，S3和S4構成滯后橋臂，每組橋臂的兩個MOSFET開關管互補導通。

圖2電容耦合非接觸電能傳輸系統電路拓撲

二、LED燈系統設計

基于電容耦合的非接觸電能傳輸LED燈系統原邊電路拓撲結構如圖3所示。其中D1-D4為二極管，構成全橋整流電路，將220V工頻交流電源轉換為直流電源；C1為濾波電容。S1-S4為MOSFET開關，每個MOSFET開關管兩端并聯一組二極管電容，用于吸收沖擊電壓。

圖3電容耦合非接觸電能傳輸LED燈系統原邊電路拓撲

副邊電路利用耦合電容，將高頻交變電源耦合到副邊極板。再利用全橋整流濾波電路，將交變電源轉換為直流電源。最后經振蕩器，產生振蕩電路，用于不同顏色的LED燈閃爍。

三、結論

電容耦合非接觸電能傳輸技術利用高頻電場耦合，實現電能在電容間的傳輸。基于電容耦合的非接觸電能傳輸LED燈，能克服采用磁場耦合技術時金屬屏蔽導致無線電能傳輸效率低下的不足，使非接觸電能LED燈可在金屬、水下等環境中使用，具有實際意義和獨創性。