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)高壓線的感應(yīng)電流給手機(jī)充電，首先通過(guò)天線裝置接收感應(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，高壓線還是經(jīng)常會(huì)遇到的，所以只要有高壓線存在，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)致高壓線周圍磁場(chǎng)的變化，磁力線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)，這樣在高壓線周圍就產(chǎn)生的變化的電磁場(chǎng)，又稱為工頻電磁場(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 接收天線的感應(yīng)電壓的計(jì)算

如果在高壓線人體安全距離范圍內(nèi)放置接收天線，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，為高壓線距離地面的垂直高度，R=0158m，為高壓線的等效半徑，y=2m，為天線離地面的垂直距離，天線的長(zhǎng)度取0.5m，得到接收天線的感應(yīng)電壓約為5.020KV。

圖2 單相高壓線放置天線示意圖

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的輸電電壓的不同和接收天線與高壓線的距離的差異，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，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

由于輸電線路是交流電壓，因此由天線聚集的感應(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)整變壓器的線圈的匝數(shù)比，使得U1在8V～25V之間，比較像開關(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的伏安特性曲線可以看出，其輸入阻抗往往比較大，一般工程上滿足公式(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，滿足穩(wěn)壓管輸入電壓的要求。由上面分析看能滿足我們的需求。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。