基于磁耦合谐振式无线电能传输的LED技术

1.闫永生 2.聂丛伟

1、河北立德电子有限公司 2、河北师范大学科学技术哲学

基于磁耦合谐振式无线电能传输的LED技术

1.闫永生 2.聂丛伟

1、河北立德电子有限公司 2、河北师范大学科学技术哲学

针对现目前迅猛发展的LED照明灯具通常是由光源部分与驱动电源两部分构成，即电气连接多采用开关、簧片触点或者接线端子等方式，该连接方式在长期多次使用或者是在潮湿、不断振动等恶劣环境下，开关触点部分会发生氧化，导致触点接触电阻增大引起高温发热甚至打火导致火灾，本文介绍了一种基于磁耦合谐振式无线电能传输的LED技术。在一定程度上解决了这一难题，该技术具有一定的前瞻性，具有很好的推广前景。

磁耦合谐振；无线传能；LED技术

1、序言

起源于20世纪后半叶的发现和发明，初见端倪于20世纪末半导体显示得到普遍应用之后的不断突破，半导体照明进入新世纪以后得到长足发展。半导体照明产业作为一种新兴产业，其产品光效高、能耗低，色温覆盖广、易控制等优点，是未来照明的发展趋势。［1］随着科学技术的发展，电能传输已经有线方式，逐步转向无线方式的研究。目前，根据电能传输的原理，无线电能传输有三种类型，分别是：

第一类是电磁感应耦合式（ICPT），主要是利用电磁感应的原理，通过采用较松耦合变压器或者是通过采用可分离变压器方式实现电能的无线传输。这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中，将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。这种感应耦合式传输功率的容量可达数百千瓦，小尺度障碍物也不会对其功率传输带来大的影响，但是传输的距离却很近，大概只有几个厘米。

第二类是微波无线能量传输技术，是最接近实际应用的一种技术，它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。这和100年前的收音机原理基本相同：直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，但不使用放大电路等。一般微波方式目前传输距离最远，传输功率也最大，而且可以克服障碍物的影响，但是在能量传输过程中，发射器必须与接收器准确，否则能量传输在方向上受限制。

第三类是磁耦合谐振方式， 也被称之为WiTricit（wirelesselectricity）技术。作为一个新的无线电能传输技术，磁耦合谐振式基于近场强耦合的概念，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱。谐振技术在电子领域应用广泛，但是，在供电技术中应用的不是电磁波或者电流，而只是利用电场或者磁场。2006 年11月，美国麻省理工学院（MIT）物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。目前国内外在电磁耦合谐振式无线电能传输方面的研究都还处于理论研究和初步实验阶段，还有很多问题亟待解决，比如传输功率、效率和距离的问题，电能计量问题，电磁兼容问题，生物安全问题等。

2、LED灯具技术

在优化磁耦合无线传能方式的供电部分后，对LED灯具的研制技术同样具有意义。要想研制出一款性价比较高的LED灯具，LED的光源选择是必须慎重考虑的。LED光源具有效率高、寿命长的特点，近些年广泛被人们所认可。LED光源一般包括支架、芯片、固晶胶、灌封胶、荧光粉，芯片是借助固晶胶固定在底板上的。但现有的LED光源芯片底部的固晶胶厚17-23um，LED封装后热阻达到45～50℃/W，热阻高，芯片衰减快，减少了LED的使用寿命。通过我公司自主开发的光谱合成分析软件。在试验分析的基础上得到了LED光源的较高指标：光效大于150lm/W，色温在5000K附近，显色指数90的优质光源。

选择合适的铝基板及配套透镜，很好的实现了照度均匀，炫光低的光学系统的研制也使得灯具与同行业LED灯具比较具有很大优势。特殊的散热设计，极大低降低了LED工作时的节温。延长了灯具寿命。

3、系统的功能示意图

基于磁耦合谐振式无线电能传输的LED技术功能示意图所描述，这样的LED灯具包括：LED照明模块，包括LED驱动电路和LED光源，用于通过LED灯提供照明；无线能量发射模块、无线能量接收模块，与LED照明模块，用于为LED照明模块提供电能；无线传能模块，用于通过电磁耦合的方式与LED灯具实现能量传输。将两部分分别密封，能够有效避免外界的水分或腐蚀气体侵蚀电器部件，避免造成漏电危险和电能浪费，更换LED 灯组时，只需将损坏的灯组去取下，将新的灯组移动到供电模块附近并固定，就能完成更换，方便快捷。

4、侦测技术

该照明技术的侦测技术有侦测模块实现。侦测模块包括接近传感器及与接近传感器的输出端连接的继电器，继电器设置在驱动电路的电能输入端。在实际使用时，如果LED用电模块不在工作范围内，供电模块会一直空载工作，造成大量的电能浪费，为了进一步解决这种电能浪费问题，所述的侦测模块包括接近传感器及与接近传感器的输出端连接的继电器，继电器设置在驱动电路的电能输入端。借助接近传感器来探测是否有用电模块在附近，如果接近传感器没有探测到有用电模块，则继电器切断驱动电路的电能输入，停止供电模块的工作。进一步的，为了适应短时间更换用电模块的情况，所述的继电器为延时继电器，在移除用电模块后，在继电器的延续时间内，更换完毕，避免频繁切断电源，防止设备因启停带来的电流波动损伤用电器件。

5、结语

本文介绍一种基于磁耦合谐振式无线电能传输的LED技术，可以解决在其他一些特定的恶劣环境中，比如矿井中使用的灯具，为避免开关打火导致瓦斯爆炸，有很高的防爆、防水等要求，电线引入结构也会使灯具产生较高的成本，现场维护成本更高。 另外，由于灯具是一体结构，当出现故障时，需要现场断电，整体更换或现场维修，而这又对现场维护人员的素质提出了比较高的要求。通过这种技术的研究和实践，很好解决了上述问题。具有很好的推广价值。

［1］聂丛伟 郭冬冬 半导体照明产业存在的问题及对策科技风2016年8月下。

［2］张青 聂丛伟无线传能技术设计要点 科技风2016年9月下。