无线传能装置在电磁谐振教学中的研究与应用

刘艺柱，安 彤，孙天航，邱美艳

(天津中德应用技术大学，天津 300350)

0 引言

LC谐振是高等院校电工基础、电工电子技术、电路基础以及高频电子电路等课程中都涉及的一个重要的知识点和授课难点[1]. LC谐振包括串联谐振与并联谐振，不少教材中对于串联谐振的讲解相对详细，并联谐振相对较少[2]，并联谐振的应用更是很少提及. 教材中大多仅限于公式推导和理论讲解，没有相应的配套实验装置可以清晰直观地给学生演示和实验练习. 教学中教师基本采用讲授的模式，理论抽象，不便于学生学习和理解. 目前高校电路实验中关于RLC并联谐振电路的实验研究很少[3]，或只是采用Multisim工具进行仿真实验[4]，学生对这一知识的掌握基本停留在公式上，对并联谐振的现象、意义和应用比较模糊. 本文介绍的一套电磁感应式无线传能实验装置，能较好地解决上述问题，降低教师的授课难度，激发学生的学习兴趣.

1 实验装置结构

无线传能实验装置(如图1)主要由能量发射回路和能量接收回路两部分组成. 其中，能量发射部分主要由电源、振荡源、功率放大及发射线圈等部分组成，能量接收回路由接收线圈、整流电路、负载等部分组成. 本实验装置中，直流电源选用手机USB充电器，振荡源选用TCE7702信号发生器，可输出频率范围50HZ～5MHZ的方波、正弦波、三角波等波形，功率放大电路选用N沟道MOS管IRF540，整流电路选用二极管1N4148，将接收的交流能量转换为直流能量驱动负载，负载选用1 W的LED.

图1 实验装置框

图2 实验装置原理

发射和接收两部分中的线圈L1、L2采用平面螺旋式绕法，线径1 mm，线圈内径75 mm，测得电感0.8 uH，与可变电容C1、C2形成并联谐振电路，可通过调节电容得到实验要求的谐振频率.

2 LC并联谐振的教学实施

2.1 频率计算

2.2 电路搭建

运用串联电阻的调试方法，串联一个电阻进行分压，使其幅值最大可以通过改变信号发生器给出的频率，来找到谐振最大值. 把四个线圈调到谐振点，要注意串联同一大小的电阻，且阻值不要太大，一般选200 Ω左右. 实验过程中，需要学生动手连接信号源及示波器等设备进行实验，可以直观看到能量传输效果，同时体现LC并联谐振可以实现的功能和作用，让学生直观感受到LC并联谐振的应用，如图3所示.

图3 LC谐振参数调试示意图

通过搭建电路测得振荡前后输出波形及数据如表1所示.

2.3 实验数据

通过调节信号发生器频率，观测发射线圈两端的波形，记录不同频率下得到的不同电流和对应的振幅，如表2和图4所示.

从图4可以看出，在LC并联谐振电路中，当输入信号的频率f为3.0 MHz，最接近电路的固有频率(2.8 MHz)时，电路发生并联谐振，此时电路的阻抗最大，且为纯阻性，总电路电流最小. 通过调节信号发生器频率，观察输出波形的变化，学生对并联谐振的现象有了清晰直观的认识； 通过寻找谐振点，学生也培养了调节谐振电路的能力.

表1 振荡前后测试数据及波形

表2 调节信号发生器测试的电流和电压值

图4 测试数据整理图

2.4 现象分析

从图5中可以发现，当输入信号频率高于或者低于谐振频率时，LC并联谐振电路失谐，阻抗迅速减小，信号电流明显增大. 并联谐振电路在高频电路中使用较多[6], 为了衡量它的滤波性能 ,即幅频特性是否陡峭，引入了品质因数，但一般的教材都是直接给出，而通过图5也可以观察出：电路的品质因数 Q值愈大，则带宽愈窄，幅频特性愈尖锐，即选频特性愈好； 同时在幅度相同且频率为谐振频率的电流源作用下，谐振回路两端获得的电压幅度愈大. 此实验过程可以加深学生对品质因数Q的理解.

2.5 功能展示

观察实验装置负载台灯的亮灭，感受能量传递的过程. 图5为无线传能实际效果，台灯的亮灭反映了能量的传输与否，台灯的亮度也能反映能量传输的多少，当台灯最亮时，即为发射线圈与接收线圈发生耦合谐振时，此时实现了能量传输的最大化. 通过负载的变化，学生对并联谐振电路应用有了更新的认识，也解决了不知所学有何用的困惑.

图5 无线传能效果展示

3 教学效果

实践教学是加强专业知识教育，增加学生感性认识，培养学生探索精神、科学思维、实践能力和创新能力的重要综合训练环节[9]. 无线传能实验装置给学生学习LC并联谐振提供了实践的平台. 不少学生表示，原本晦涩难懂的谐振理论，通过实验装置的演示实验和亲手调试，给了他们形象、生动的感性认识，使他们对LC谐振理论有了更深刻的理解，从直观上解决了只知理论、不知应用的困惑. 此外，学生对真实的实验装置项目表现出更为浓厚的兴趣，希望能参与到亲手制作实验装置的过程中来. 将本实验装置作为学生的学习拓展项目，带动了学生的学习热情，形成了良好的学习氛围.

4 结语

利用无线传能装置，从频率计算、电路调试、现象分析及功能展示几个方面进行LC 并联谐振电路的教学实施，实验现象明显，且符合理论分析. 这种方法适用于应用技术型院校中电工基础、电工电子技术、电路基础以及高频电子电路等课程中LC并联谐振的实验教学. 该实验装置可以让学生形象地掌握 LC 并联谐振电路的基本特性和应用，同时可以引导学生用理论计算与实验验证相结合的方法进行分析. 通过实验装置清晰直观地解决了理论抽象的问题，学生从实验练习中掌握了并联谐振的现象、意义及应用，调动了学习积极性，提高了学习兴趣.