Безжично захранване от висок обхват: 9 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Изградете безжична система за предаване на енергия, която може да захранва крушка или да зарежда телефон от разстояние до 2 фута! Това използва система от резонансни намотки за изпращане на магнитни полета от предавателна намотка към приемна намотка.

Използвахме това като демонстрация по време на проповед за Четирите велики уравнения на Максуел в нашата църква! Проверете го на:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Стъпка 1: Неща, от които се нуждаете

• 18 габарит магнитен проводник. Обърнете внимание, че не можете да използвате обикновен проводник, трябва да използвате магнитен проводник (който има много тънка емайлова изолация). Един пример е наличен в Amazon тук:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6W (или по -малко) AC/DC 12V димируема LED крушка. Един пример е тук:

  www.amazon.com/Original-Warranty-Dimmable-R…

• 1uF кондензатори (не електролитични, трябва да са неполяризирани). Тук имате някои възможности за избор. Ако изградите версия с ниска мощност, можете да получите 250V 1uF кондензатори от Radio Shack или Frys. Ако искате да изградите версия с висока мощност, ще трябва да получите специални 560V кондензатори от Digikey.
• 0.47uF кондензатор (не електролитен, трябва да е неполяризиран)
• Някакъв усилвател на мощност. Използвахме 450W HI-FI усилвател на мощност. Можете да използвате всичко от това до високоговорител за компютър. Колкото повече мощност използвате, толкова повече обхват ще извлечете от нея.
• Припой и поялник. Резачки за тел
• Парче шперплат и няколко малки пирони (използвани за навиване на бобини)
• Черна електрическа лента
• Измервателна лента и линийка
• Изолиран проводник
• Чук

• Аудиоизточник с променлива честота и амплитуда, който генерира 8 kHz синусов тон. Лесно е да използвате компютър, лаптоп или телефон със свободно достъпен софтуер за генериране на тонове и да се свържете към жака за слушалки. Използвах Mac с този софтуер:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Или можете да използвате този софтуер за компютър: Можете също да използвате генератор на функции, ако имате такъв (скъпо тестово оборудване)

Списък на частите на кондензатор NTE (за версия с ниска мощност). Можете да получите тези части във Frys

3 x 1uF 50V кондензатор, NTE CML105M50 (за закрепване към крушката и малката намотка)

1 x 0.47uF 50V кондензатор, NTE CML474M50 (за прикачване към крушката и малка намотка паралелно с капачки 1uF)

1 x 1uF 250V кондензатор, NTE MLR105K250 (за свързване към голямата намотка)

Поръчка Digikey (за версията с висока мощност)

Приложен е списък с части на Digikey, който можете да използвате за по -мощната версия. Тези кондензатори достигат до 560V, което ви позволява да използвате усилвател ~ 500W и да издигнете почти два фута от обхвата. Приложената версия включва само минималните части. Докато правите поръчка от Digikey, поръчайте някои екстри, в случай че направите грешка или взривите такава (това е особено вярно за защитните диоди на TVS, които пуших няколко пъти).

Стъпка 2: Направете намотка на бобината

За да навиете намотките, се нуждаете от рамка, която да ги навиете.

На парче шперплат трябва да използвате компас, за да начертаете точен кръг от 20 см и точен кръг от 40 см.

Ноктите с чук, равномерно разположени около кръга. За кръга от 20 см използвах около 12 пирони, а за кръга от 40 см използвах около 16. На едно място в кръга ще искате да направите входна точка, която ще държи жицата, докато започнете първото навиване. На това място забийте още един пирон близо до един пирон, след това още един на няколко инча разстояние.

Стъпка 3: Навийте 40см намотка с 20 оборота и 20см намотка с 15 оборота

Първо ще направите няколко бримки с жицата на външния пирон, за да закотвите жицата, след което ще започнете цикъла около бобината. Уверете се, че оставяте много допълнителен проводник в началото и края на бобината. Оставете 3 фута, за да сте в безопасност (това ще ви е необходимо, за да се свържете с електрониката).

Изненадващо трудно е да се следи броя на намотките. Използвайте приятел, за да ви помогне.

Направете намотките НАИСТИНА стегнати. Ако се окажете с разхлабени намотки, намотката ще бъде в каша.

Наистина е трудно да се поддържат намотките в ред (особено ако използвате тел от 18 езика, 24 тел габарит е по -лесен за работа, но има много повече загуби). Така че ще ви трябват няколко души, които да ви помогнат да го задържите, докато го навивате.

След като завършите завоите, ще искате да завъртите входящия и изходящия проводник, за да държите бобината стабилно. След това залепете бобината с електрическа лента на няколко места.

Когато приключите с тази стъпка, трябва да имате две намотки, една намотка с диаметър 20 см и 15 оборота и една намотка с диаметър 40 см и 20 оборота. Намотките трябва да бъдат навити плътно и закрепени с лента. Трябва да можете да ги вземете и да ги боравите лесно, без да се разпадат или размотават.

Стъпка 4: Добавете крушката и електрониката към 20см бобина

След това ще прикрепите крушката към малката намотка. Трябва да запоите три 1uf (1 microfarad, или казано по различен начин 1 000nF) и един 0.47uF (казано по различен начин, 470nF) кондензатори към стълбовете на крушката. Това е общо 3.47uF (кондензаторите се добавят паралелно). Ако работите с версия с висока мощност, трябва също така да запоите 20V двупосочен TVS диод между стълбовете на крушката като защита срещу пренапрежение.

След като запоите кондензаторите, трябва да завъртите краищата на проводника на бобината докрай през центъра на бобината. Проводникът е достатъчно твърд, за да поддържа крушката. След като завъртите жицата по целия диаметър, просто ще отрежете краищата на жицата и ще ги оставите отворени.

След това ще поставите крушката в центъра на усукания проводник. Ще разглобите усукванията, така че всеки проводник да докосне един извод на крушката. След това изстъргвате теления емайл с нож и след това запоявате почистения проводник към стълбовете на крушката. Уверете се, че използвате спойка от сърцевина на колофон. Може да искате да добавите допълнително колофон, което ще ви помогне да почистите парчетата емайл.

Стъпка 5: Прикрепете 40 см бобина към електрониката

След това ще трябва да свържете 40 см бобина към 1uF кондензатор. Тук е показана версията с висока мощност, при която съм свързвал 10x 0.1uF кондензатори паралелно, за да направя един кондензатор 1uF (паралелно се добавят кондензатори). Кондензаторът преминава между бобината и положителния изход на усилвателя на мощността. Другата страна на бобината отива директно към усилвателя на мощност GND.

Стъпка 6: Свържете източник на синусоида към усилвател и го изпробвайте

Последната стъпка е създаването на синусоида. Можете да изтеглите приложение за генериране на функции на телефона или лаптопа или работния плот. Ще искате да експериментирате, за да намерите най -добрата честота на работа.

Свързвате синусоидалния си източник към усилвателя на аудио мощността и след това свързвате звуковия усилвател към 40 см бобина и 1uF кондензатор и тогава всичко трябва да работи!

Ако използвате аудио усилвател с висока мощност (100 W или по -голям), БЪдете ВНИМАНИ! Той може да генерира много високи напрежения над +/- 500V. Тествах с обхват на високо напрежение, за да се уверя, че няма да взривя кондензаторите. Също така е лесно да се шокирате, ако докоснете открит проводник.

Също така, ако използвате аудио усилвател с висока мощност, не можете да приближите 20 см бобина твърде близо до 40 см намотка. Ако са твърде близо, диодът на TVS или LED крушката ще изгорят поради прекомерна мощност.

Стъпка 7: Създайте зарядно устройство за безжичен телефон

Можете лесно да промените веригата, за да заредите телефон. Построих втора 20 см бобина и след това добавих цялата схема. Използва се същият 3.47uF кондензатор и TVS диод. Следва мостов токоизправител (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), последван от 5V линеен регулатор (Fairchild LM7805CT), последван от танталов кондензатор 47uF. С усилвател с висока мощност веригата може лесно да зарежда телефона ви от разстояние метър и половина!

Стъпка 8: Резултатите

Кривите на измереното напрежение спрямо разстоянието са приложени.

Проектиране на измервания и сравнение със симулация и теория

Бобина 40 см

• Основна намотка = радиус 0,2 м, диаметър 0,4 м. 18 проводник 20 намотки
• Теоретично съпротивление = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 ома
• Действително съпротивление = 0,609 ома. Отклонение от теорията: +13%
• Симулирана индуктивност = 0.435mH Действителна индуктивност: 0.49mH. Отклонение от симулацията: +12%

20см бобина

• Получаване на намотка = 0,1 m радиус 0,2 m диаметър 18 тел. 15 намотки
• Теоретично съпротивление = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Действително съпротивление = 0,2490. Отклонение от симулацията: +19%
• Симулирана индуктивност = 0,105 mH. Действителна индуктивност = 0.1186mH. Отклонение от симулацията: +12%

Стъпка 9: Симулация, оптимизация и дискусия

Как симулирахме дизайна

Ние симулирахме и оптимизирахме дизайна в 2-D мангетостатичен симулатор и със SPICE.

Използвахме безплатния 2-D мангетостатичен симулатор, наречен Infolytica. Можете да изтеглите безплатно тук:

www.infolytica.com/bg/products/trial/magnet…

Използвахме безплатния симулатор на SPICE, наречен LTSPICE. Можете да го изтеглите от тук:

www.linear.com/designtools/software/

Прикачени са дизайнерски файлове за двата симулатора.

Дискусия

Този дизайн използва резонансно магнитостатично предаване на мощност. Аудио усилвателят на мощност произвежда електрически ток, който протича през предаващата бобина и генерира трептящо магнитно поле. Това магнитно поле се приема от приемната намотка и се превръща в електрическо поле. На теория бихме могли да направим това без никакви компоненти (т.е. без кондензатори). Ефективността обаче е изключително ниска. Първоначално искахме да направим по -опростен дизайн, който да използва само намотките и никакви други компоненти, но енергийната ефективност беше толкова слаба, че не можеше да включи светодиода. Така че преминахме към резонансна система. Кондензаторът, който добавихме, резонира на една особено честота (в този случай около 8kHz). При всички други честоти веригата е изключително неефективна, но при точната резонансна честота става много ефективна. Индукторът и кондензаторът действат като нещо като трансформатор. На предавателната намотка поставяме малко напрежение и висок ток (10Vrms и 15Arms). Това в крайна сметка произвежда> 400Vrms в кондензатора, но при много по -нисък ток. Това е магията на резонансните вериги! Резонансните вериги се определят количествено чрез "коефициента Q". В намотката на предавателя с диаметър 40 см измереният Q фактор е около 40, което означава, че това е доста ефективно.

Ние симулирахме и оптимизирахме бобината с 2-D магнитен статичен симулатор на Infolytica. Този симулатор ни даде симулирана индуктивност за всяка намотка и взаимната индуктивност между двете намотки.

Магнитно симулирани стойности:

• Предавателна бобина = 4,35 mH
• Получаваща намотка = 0,105 mH
• Взаимна индуктивност = 9.87uH. K = 6.87e-3 (с бобини, разделени от 0.2m)

След това взехме тези числа и ги подадохме в SPICE, за да симулираме електрическите характеристики.

Можете да изтеглите приложените симулационни файлове и да опитате да направите своите оптимизации и измервания!

Прикрепени са и полеви графики, които показват магнитното поле, генерирано от намотките. Интересно е, че въпреки че влагаме много енергия, абсолютните полета са доста малки (в диапазона на milliTesla). Това е така, защото полетата са разпръснати върху голяма площ. Така че, ако добавите (интегрирате) магнитното поле върху голямата повърхност, това би било значително. Но във всеки един момент от обема той е малък. Като странична бележка, затова трансформаторите използват железни сърцевини, така че магнитното поле се концентрира в една област.