这篇文章是我们独家报道的一部分IEEE期刊手表系列与IEEE Xplore合作。

许多人都热切地期待着有一天,他们可以不再在一堆旧充电线中筛选他们需要的充电线。但是,尽管目前在无线充电方面取得了成功,比如手机等小型设备,但在我们完全实现无线充电之前,还有几个技术挑战需要解决,尤其是涉及到耗电更多的电子产品时。

在一个研究出版于1月23日IEEE电力电子学新兴和选定专题杂志,该领域的专家概述了一些克服这些障碍的方法,包括以更高的频率传输更多的能量,以及在电池过热的情况下优化充电效率。


许淑元他是哈佛大学电气与电子工程学院的教授南洋理工大学他参与了这项研究,几十年来一直致力于无线电力传输(WPT)技术的标准化。Hui说,2010年发布的最初WPT标准仅仅关注于确保一家公司的发射器与另一家公司的接收器兼容。“然而,像最高效率和最短充电时间这样的最佳性能并不是最优先考虑的,”他指出。

实现WPT高效率的一个主要障碍是电池的热极限。通常情况下,电池需要恒定的电压和电流输入才能充电,但这可能会使电池加热到危险的水平。出于安全考虑,商用电池充电器会在电池表面温度达到上限(一般为45°C)时降低甚至停止充电电流。

为了解决这个问题,Hui和他的同事们开发了一种新的温度调节电流控制技术,可以在不过热的情况下缩短充电时间。如果这项技术被WPT电子产品制造商广泛采用,将有助于提高该技术的充电效率。

第二个挑战是一次转移更多的能量。WPT技术利用电磁场传输电力,在给定的时间内,使用更高的电磁频率可以传输更多的电力。然而,这要求硬件能够以极高的速度控制电力传输。

现有的门驱动程序的延迟大约为100纳秒,而Hui开发了一种延迟仅为6纳秒的门驱动程序。这款新的大门司机是他和同事共同开发的成张曼彻斯特大学的研究人员也实现了软开关。这是一种减少开关损耗和电源开关压力的技术,允许在更高频率下使用栅极驱动器。目前,大多数WPT功率逆变器的工作频率都低于1兆赫,但该团队最近的发明可以达到数十兆赫。

在他们的论文中,研究人员强调了优化WPT技术的另一个关键方法。他们呼吁变送器制造商采用效率跟踪技术,以帮助优化充电过程。Hui的团队最近开发的一种方法可以控制发射器在电池充电时动态跟踪WPT系统的最大效率工作点。因此,在整个充电过程中,WPT系统的效率得到了优化。

总之,这些新技术将为WPT技术开启一个新时代。目前,针对移动电话等需要15瓦或更低功率的小型设备,已经制定了相应的充电标准,而针对便携式工具、电动自行车和笔记本电脑等需要200瓦左右功率的中等功率设备,也正在制定相应的标准。

但更大、更耗电的电子设备仍然需要打下基础,Hui和他的同事们计划继续前进。

Hui说:“我们目前正在寻找一个工业合作伙伴来开发和评估[我们开发的]超快门驱动电路,使功率逆变器的工作频率至少达到20兆赫。”他指出,他的团队还申请了一种印刷WPT谐振器的专利,其工作频率在1兆赫到数十兆赫之间,这可以帮助电子设备传输数百瓦范围内的无线功率。

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基础电子学的内在美

O笔电路展示了无源组件的惊人复杂性

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垂直
高稳定性薄膜电阻器的照片,黄色字母为“MIS”。
所有照片由Eric Schlaepfer & Windell H. Oskay拍摄
蓝色的

Eric Schlaepfer是尝试在修理一个坏掉的测试设备时,他偶然发现了问题的原因——一个有问题的钽电容器。这个组件不知怎么就短路了,他想知道原因。于是他把它擦得锃亮,想看一看里面。他从未找到这段短片的来源,但他和他的合作者温德尔·h·奥斯卡(Windell H. Oskay)发现了更好的东西:电子设备中隐藏着一个令人惊叹的世界。接下来是一个又一个小时的抛光、清洁和摄影,结果是开路:电子元件的内在美(No Starch Press, 2022),摘录如下。正如作者所写的,关于这些组件的一切都是为了满足特定的技术需求而故意设计的,但这种设计导致了“意外之美:你从未期望看到的事物的涌现美学。”

从一本书,跨越广阔的电子世界,我们在什么亚博真人yabo.at令人惊讶的是,我们不花太多时间去思考的东西的内部是被动组件。晶体管、led和其他半导体可能是它们发挥作用的地方,但电阻器、电容器和电感器的简单物理也有它们自己的辉煌。

高稳定性薄膜电阻

高稳定性薄膜电阻器的照片,黄色字母为“MIS”。

所有照片由Eric Schlaepfer & Windell H. Oskay拍摄

这种高稳定性的薄膜电阻器直径约为4毫米,其制作方法与廉价的碳薄膜电阻器非常相似,但精度极高。在陶瓷棒上涂上一层薄薄的电阻膜(薄金属、金属氧化物或碳),然后在薄膜上加工出一个完全均匀的螺旋槽。

电阻器没有涂上环氧树脂,而是密封在一个有光泽的小玻璃信封里。这使得电阻更加坚固,非常适合精密参考仪器等特殊情况,其中电阻的长期稳定性至关重要。与环氧树脂等标准涂层相比,玻璃外壳能更好地隔离水分和其他环境变化。

15转微调电位器

一张蓝筹股的照片
电路板上蓝筹股的照片。

调整螺丝旋转15圈才能将一个15圈的微调电位器从电阻范围的一端移到另一端。需要用精细分辨率控制进行调整的电路使用这种类型的微调锅,而不是单圈品种。

这个微调器的电阻元件是一条金属陶瓷——陶瓷和金属的复合材料——丝印在白色陶瓷衬底上。丝网印刷的金属将每一端的带材连接到连接线上。这是一个扁平的,线性的马蹄形电阻元件在单圈修剪。

转动调节螺丝使塑料滑块沿着轨道移动。雨刷是一个弹簧手指,一个弹簧加载的金属触点,连接到滑块上。它使金属条与电阻膜条上选定的点接触。

陶瓷圆盘电容器

一个陶瓷圆盘电容器的剖面图
陶瓷圆盘电容器的照片

电容器是以静电的形式储存能量的基本电子元件。它们被用在无数方面,包括大容量能量存储,平滑电子信号,以及作为计算机存储单元。最简单的电容器由两块平行的金属板组成,它们之间有间隙,但电容器可以有多种形式,只要有两个导电表面,称为电极,由绝缘体隔开。

陶瓷圆盘电容器是一种低成本的电容器,经常在电器和玩具中发现。它的绝缘体是一个陶瓷圆盘,它的两个平行板是极薄的金属涂层,蒸发或溅射到圆盘的外表面。连接线使用焊料连接,整个组件浸在多孔涂层材料中,这种材料干燥坚硬,可以保护电容器不受损坏。

薄膜电容器

电容器切割后的图像
绿色电容器的照片。

薄膜电容器经常出现在高质量的音频设备中,如耳机放大器、唱机、图形均衡器和无线电调谐器。它们的主要特点是电介质材料是塑料薄膜,如聚酯或聚丙烯。

这种薄膜电容器的金属电极真空沉积在长条形塑料薄膜表面。在引线连接后,薄膜被卷起并浸入环氧树脂中,将组件粘合在一起。然后,将完成的组件浸在坚硬的外层涂层中,并标记其价值。

其他类型的薄膜电容器是由金属化塑料薄膜的平层堆叠而成,而不是将薄膜层卷起来。

浸钽电容器

一个浸入钽电容器的剖面图的照片

电容器的核心是一个多孔的钽金属小球。该颗粒由钽粉烧结制成,或在高温下压缩成致密的海绵状固体。

就像厨房里的海绵一样,所产生的颗粒具有单位体积的高表面积。然后对颗粒进行阳极氧化,形成具有同样高表面积的绝缘氧化层。这一过程将大量电容封装到一个紧凑的器件中,采用海绵状几何结构,而不是大多数其他电容器使用的堆叠或滚动层。

该器件的正极或阳极直接连接到钽金属上。负极或阴极是由一层薄薄的导电二氧化锰涂层形成的。

轴向电感器

轴向感应器的剖面图
一组剪断电线的照片

电感器是以磁场的形式储存能量的基本电子元件。例如,它们被用于某些类型的电源中,通过交替存储和释放能量来在电压之间转换。这种节能设计有助于最大限度地延长手机和其他便携式电子产品的电池寿命。

电感器通常由一圈绝缘电线包裹在铁芯或铁氧体(一种充满氧化铁的陶瓷)等磁性材料上组成。在磁芯周围流动的电流会产生一个磁场,这个磁场就像电流的飞轮,在电流流过电感器时平滑电流的变化。

这种轴向电感有许多圈的清漆铜线绕铁氧体形式和焊接到铜引线在其两端。它有几层保护:绕组上的透明清漆,焊点周围的浅绿色涂层,以及醒目的绿色外层涂层,以保护整个组件,并为表示其电感值的彩色条纹提供表面。

电源变压器

一组剪断电线的照片
电路板上黄色元件的照片。

这种变压器有多组绕组,用于电源,从一个交流输入(如墙壁插座)产生多个输出交流电压。

靠近中心的小导线是磁铁线的“高阻抗”匝。这些绕组的电压较高,但电流较低。它们被几层胶带、铜箔静电屏蔽和更多胶带保护着。

外层的“低阻抗”绕组采用较厚的绝缘电线和较少的匝数。它们能处理较低的电压但较高的电流。

所有的线圈都缠绕在一个黑色的塑料筒子上。两块铁氧体陶瓷粘在一起,形成变压器中心的磁芯。

本文刊登在2023年2月的印刷版上。

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