简易高压感应电流手机充电电路设计

万泉，葛苏慧，张淑莲，张欣

（青岛工学院，山东青岛，266300）

0 引言

目前的手机都是大屏幕手机，耗电相对都比较快，基本上每天都得充电。外出旅行的时候，经常遇到手机没电的情况，即使带了充电宝，这种情况也时有发生，那么设计一种能够随时充电的装置是一件令人振奋的事情。本文主要研究如何通过高压线的感应电流给手机充电，首先通过天线装置接收感应电流，然后通过电路转换成手机需要的直流5V电压。

现在有两个问题摆在面前，第一：这种充电器安全吗？第二：如何保证获得的感应电流能够满足充电的要求？先回答第一个问题，关于高压电的安全距离，根据《电力设施保护条例实施细则》第五条规定，可以得到如下数据，见表1：不同电压下的安全距离。

表1 不同电压下的安全距离

当距离大于上面的安全距离时，人就是安全的，对于第二个问题，下面讲感应电流原理的时候会给出说明。

外出旅行的时候，高压线还是经常会遇到的，所以只要有高压线存在，那么就可以方便给手机充电，下面介绍这一原理。

1 高压感应电流原理

根据电磁场产生的原理：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。高压输电的过程中，由于输送的是交流电，频率为50HZ，电流的变化直接导致高压线周围磁场的变化，磁力线的方向服从右手螺旋法则，变化的磁场又产生变化的电场，这样在高压线周围就产生的变化的电磁场，又称为工频电磁场。

图1 电磁场传播示意图

1.1 人体感应电压分析

当人体处在高压输电线路时，会产生感应电压和感应电流，当然在不同的感应电场强度下，感应电压的值是不同的，以人体为例，粗略估计下感应电压的大小，分别以场强值为4kV/m、5kV/m和 10 kV/m为例，考虑人体在对地绝缘和人体接地的情况，由于一般高压输电线的高度都远远大于人体高度(取1.8m)，而高压交流输电线路产生的工频电场特点为：在地面附近电场强度的垂直分量基本均匀，且垂直于地面，水平分量可以忽略不计。因此可以等效简化电场，即将三相输电线路产生的电场等效为均匀电场，用一无限大圆柱型电容器模型代替均匀电场。得到如下数据，见下表2：不同强度场强下人体感应电压的值。

表2 不同强度场强下人体感应电压的值

表中的数据显示，人体的感应电压在几百伏特到上千伏特之间，足够提供手机充电需要的电压源。

1.2 接收天线的感应电压的计算

如果在高压线人体安全距离范围内放置接收天线，用来聚集感应电场产生的感应电荷，能够产生的感应电压是多少呢？下面通过模拟电荷法计算模拟。

模拟电荷法最早1969年就提出来，其原理是用一组离散化的模拟电荷来代替连续分布的自由电荷或者束缚电荷，这一思想从电磁场的唯一性定理中得到证明。在保证边界条件一致的条件下，利用叠加原理来模拟计算等效的空间电场分布。

下面计算一根接收天线能够聚集的感应电荷与感应电压的大小。建立如图2所示的坐标系，其中h=12m，为高压线距离地面的垂直高度，R=0158m，为高压线的等效半径，y=2m，为天线离地面的垂直距离，天线的长度取0.5m，得到接收天线的感应电压约为5.020KV。

图2 单相高压线放置天线示意图

上面计算分析可以可知，由感应电场产生的感应电压足可以提供给手机充电所需的电压来源，如何将感应电压转化为手机需要的电压呢？下面将具体分析。

2 感应电流充电器电路设计

要设计输出稳定5V的直流电压，可以由高压线产生的感应电压中获得电压源，然后通过一系列电路变换最终获得直流5V电压。

2.1 电路整体设计结构框图

图3 感应电流充电电路框图

2.2 感应充电电路具体设计

在上述框图中，接收天线是用来聚集电场以产生感应电压，也可以通过人体或者自行车等聚集电场；火花塞在本设计中至关重要，需要借助火花塞将感应电荷以短脉冲的形式传输到变压器的高压绕组上；变压器用来输出合适的交流电压，这里要考虑到高压线的输电电压的不同和接收天线与高压线的距离的差异，这两个参数会使得变压器高压绕组上的电压是不稳定的，而最终为了获得稳定的直流5V电压，变压器的输出电压必须要相对稳定，所以这里选用滑动变压器来灵活控制输出的电压值，为了满足手机充电电压的要求，滑动变压器的输出电压稳定在7V～25V之间；整流、滤波和稳压选用成熟的电路即可。下面给出具体电路图，手机充电器电路原理图，u1和u2原始交流信号，U1和U2分别为其有效值。

图4 感应电流充电电路原理图

电路图中，J为感应天线，T滑动变压器（可调变压器），VD1~VD4为桥式整流电路；C1、C2为滤波电容；LM7805为直流稳压块，产生5V的直流电压，C3为滤波电容。

2.3 充电电路参数计算分析

由于输电线路是交流电压，因此由天线聚集的感应电场产生的感应电压也是交流电压，大小在几百伏到几千伏不等，经过火花塞放电后的产生变成了短脉冲电压，而在变压器输出端将产生交流短脉冲电压，通过调整变压器的线圈的匝数比，使得U1在8V～25V之间，比较像开关电源变压器，这里以输出15V为例来分析。将交流电压转化为直流电压，为了确保安全，选择整流块的时候，耐压值选择高点，这里整流块型号选择：KBU606。U1的有效值按照如下公式计算：

其中u1即为变压器输出的交流短脉冲信号，若去掉后面的滤波也稳压电路，则由公式(1)不难得出：经过桥式整流后的信号u2的有效值U2也为15V，即：

但加上滤波和稳压电路后，U2的值将发生变化，C1为滤波电容，C1的大小与输出电流和U1周期有关，通常在小于1A电流的情况下，C1取1000uF～2000uF，这里选用1000uF的电解电容。电路可以看出，整个滤波效果取决于C1与C2的值，以及C2两端等效电阻RL，U2的值可以由下面公式来近似。

T为u1的周期，这里为0.02秒（高压输电频率为50HZ），由LM7805的伏安特性曲线可以看出，其输入阻抗往往比较大，一般工程上满足公式(4)的条件下，通常取U2=1.2 U1=18V

LM7805输入电压范围在9V～35V之间，而当U1控制在8V～25V之间时，LM7805的输入电压在9.6V～30V之间，满足稳压管输入电压的要求。由上面分析看能满足我们的需求。这里需要说明的是C2和C3的值是典型的LM7805的应用电路，这里不再详细解释。

3 结论

本论文证明了通过利用高压线的感应电压可以产生稳定5V的直流电压的可行性，下一步需要做的是借助实验来验证这一结论的准确性。本文中有两点没有进行细致的理论分析，仅仅进行了验证性的定量说明，虽然无碍于整体的论证，后续仍需要严格论证。其一，高压线的感应电压的大小与聚集感应电荷的物体的形状及位置的函数关系；其二，火花塞输出的短脉冲电压与稳压管的输入电压之间的准确函数关系。