基于电容耦合的非接触电能传输LED灯

文 大连理工大学附属高中李宗泽任美桐

LED灯在隧道照明及显示屏等方面有着广泛应用。目前LED灯采用传统的导线、插头和插座等电连接器供电，易沾灰、易受腐蚀，使用受到限制。若采用非接触方式供电，这些问题就可以迎刃而解。

电磁感应耦合式CPT技术是目前比较有效、研究广泛、相对成熟的无线电能传输方案。它是一种近距离的无线电能传输技术，根据传输设备的不同，又可分为电场耦合式和磁场耦合式。

电场耦合式利用平板电容器，通过在电容器一侧的极板上施加高频电压，使极板间形成感应电场，实现电能在平板电容器间的传输。磁场耦合式利用电源侧的线圈产生交变磁场，耦合到负载侧的线圈，从而将能量传递给负载。

由于磁场耦合会受金属导体屏蔽的影响，限制了金属环境中LED灯的使用，所以我们采用电场耦合非接触传输方式为LED灯提供电源。

一、基于电容耦合的非接触电能传输系统

基于电容耦合的非接触电能传输系统如图1所示。首先对工频电源进行整流滤波获得直流电源；然后经过高频逆变器变换成高频交变电压，并将该电压作为两对平行板电容器的原边极板的输入电压；由于平板电容器的原、副边极板间的电位差，形成交变感应电场，从而形成位移电流，实现电能在电容器极板间的非接触传输；最后通过高频整流滤波电路为LED灯提供电源。

图1电容耦合非接触电能传输系统

电容耦合式非接触电能传输系统的电路拓扑图如图2所示。其中S1-S4为MOSFET开关，D1-D4为反并联二极管，C1-C4为缓冲电容，L1、L2为补偿电感，RL为负载电阻，输出电流为i0，输出电压为u0。电路中的全桥逆变器采用移相PWM控制，S1和S2构成超前桥臂，S3和S4构成滞后桥臂，每组桥臂的两个MOSFET开关管互补导通。

图2电容耦合非接触电能传输系统电路拓扑

二、LED灯系统设计

基于电容耦合的非接触电能传输LED灯系统原边电路拓扑结构如图3所示。其中D1-D4为二极管，构成全桥整流电路，将220V工频交流电源转换为直流电源；C1为滤波电容。S1-S4为MOSFET开关，每个MOSFET开关管两端并联一组二极管电容，用于吸收冲击电压。

图3电容耦合非接触电能传输LED灯系统原边电路拓扑

副边电路利用耦合电容，将高频交变电源耦合到副边极板。再利用全桥整流滤波电路，将交变电源转换为直流电源。最后经振荡器，产生振荡电路，用于不同颜色的LED灯闪烁。

三、结论

电容耦合非接触电能传输技术利用高频电场耦合，实现电能在电容间的传输。基于电容耦合的非接触电能传输LED灯，能克服采用磁场耦合技术时金属屏蔽导致无线电能传输效率低下的不足，使非接触电能LED灯可在金属、水下等环境中使用，具有实际意义和独创性。