Bezdrátové napájení vysokého dosahu: 9 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Postavte bezdrátový systém přenosu energie, který dokáže napájet žárovku nebo nabíjet telefon až ze vzdálenosti 2 stop! To používá systém rezonančních cívek k odesílání magnetických polí z vysílací cívky do přijímací cívky.

Použili jsme to jako demo během kázání o Maxwellových čtyřech velkých rovnicích v našem kostele! Podívejte se na:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Krok 1: Věci, které budete potřebovat

• Magnetický drát velikosti 18. Všimněte si toho, že nemůžete použít běžný drát, musíte použít magnetický drát (který má velmi tenkou smaltovanou izolaci). Jeden příklad je k dispozici na Amazonu zde:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6W (nebo méně) AC/DC 12V stmívatelná LED žárovka. Jeden příklad je zde:

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

• Kondenzátory 1uF (ne elektrolytické, musí být nepolarizované). Tady máte nějaké možnosti. Pokud stavíte verzi s nízkým výkonem, můžete získat kondenzátory 250V 1uF od společnosti Radio Shack nebo Frys. Pokud chcete postavit vysoce výkonnou verzi, budete potřebovat speciální kondenzátory 560 V od společnosti Digikey.
• 0,47uF kondenzátor (ne elektrolytický, musí být nepolarizovaný)
• Nějaký druh výkonového zesilovače. Použili jsme 450W HI-FI koncový zesilovač. Můžete použít cokoli od toho až po reproduktor PC. Čím více energie použijete, tím větší dosah z ní získáte.
• Páječka a páječka. Nůžky na drát
• Kousek překližky a několik malých hřebíků (používá se k navíjení cívek)
• Černá elektrická páska
• Měřicí páska a pravítko
• Izolovaný drát
• Kladivo

• Zdroj zvuku s proměnnou frekvencí a amplitudou, který generuje 8kHz sinusový tón. Je snadné používat počítač, notebook nebo telefon s volně dostupným softwarem pro generování tónů a připojit se ke konektoru pro sluchátka. Použil jsem Mac s tímto softwarem:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Nebo můžete tento software použít pro PC: Můžete také použít generátor funkcí, pokud jej máte (drahé testovací zařízení)

Seznam součástí kondenzátoru NTE (pro verzi s nízkým výkonem). Tyto díly seženete u společnosti Frys

3 x 1uF 50V kondenzátor, NTE CML105M50 (pro připojení k žárovce a malé cívce)

1 x 0,47uF 50V kondenzátor, NTE CML474M50 (pro připojení k žárovce a malé cívce paralelně s 1uF kryty)

1 x 1uF 250V kondenzátor, NTE MLR105K250 (pro připojení k velké cívce)

Digikey Order (pro verzi s vysokým výkonem)

Připojen je seznam dílů Digikey, který můžete použít pro verzi s vyšším výkonem. Tyto kondenzátory dosahují až 560 V, což vám umožňuje použít zesilovač ~ 500 W, a získat dosah téměř dvou stop. Připojená verze obsahuje pouze nezbytné minimum dílů. Dokud děláte objednávku Digikey, objednejte si nějaké doplňky pro případ, že uděláte chybu nebo ji vyhodíte do vzduchu (to platí zejména pro ochranné diody TVS, které jsem několikrát kouřil).

Krok 2: Vytvořte navíječ cívek

K navíjení cívek potřebujete rám, který je navíjí.

Na kus překližky musíte pomocí kompasu nakreslit přesný kruh 20 cm a přesný kruh 40 cm.

Hřebíky kladiva rovnoměrně rozmístěné kolem kruhu. Na 20 cm kruh jsem použil asi 12 hřebíků a na 40 cm kruh jsem použil kolem 16. Na jednom místě v kruhu budete chtít vytvořit vstupní bod, který bude držet drát, zatímco začnete první vinutí. V tom místě zatlučte další hřebík blízko jednoho hřebíku, pak další o pár centimetrů daleko.

Krok 3: Naviňte 40cm cívku 20 otáčkami a 20cm cívku 15 otáčkami

Nejprve vytvoříte několik smyček s drátem na vnějším hřebíku pro ukotvení drátu, poté spustíte smyčku kolem cívky. Ujistěte se, že na začátku a na konci cívky necháte spoustu dalšího drátu. Ponechejte 3 stopy v bezpečí (budete to potřebovat k připojení k elektronice).

Je překvapivě těžké sledovat počet vinutí. Použijte přítele, aby vám pomohl.

Naviňte SKUTEČNĚ vinutí. Pokud skončíte s volnými vinutími, bude cívka nepořádek.

Je opravdu těžké udržovat vinutí v pořádku (zvláště pokud používáte 18 -mi vodičový vodič, 24 drátový rozchod se snáze ovládá, ale má mnohem větší ztráty). Takže budete potřebovat několik lidí, kteří vám pomohou udržet to při navíjení.

Poté, co dokončíte otáčky, budete chtít otočit přívodní a výstupní vodič tak, aby byla cívka stabilní. Poté na několika místech přilepte cívku elektrickou páskou.

Až budete s tímto krokem hotovi, měli byste mít dvě cívky, jednu cívku o průměru 20 cm a 15 závitů a jednu cívku o průměru 40 cm a 20 závitů. Cívky by měly být pevně navinuty a zajištěny páskou. Měli byste být schopni je sebrat a snadno s nimi manipulovat, aniž by se rozpadly nebo odmotaly.

Krok 4: Přidejte žárovku a elektroniku do 20cm cívky

Dále připojíte žárovku k malé cívce. Ke sloupkům žárovky musíte připájet tři kondenzátory 1uf (1 mikrofarad nebo jinak 1 000nF) a jeden 0,47uF (jinak řečeno 470nF). To je celkem 3,47uF (kondenzátory se sčítají paralelně). Pokud používáte vysokovýkonnou verzi, měli byste také pájet 20V obousměrnou diodu TVS mezi sloupky žárovky jako ochranu proti přepětí.

Poté, co kondenzátory připájíte, musíte konce drátu cívky překroutit úplně přes střed cívky. Drát je dostatečně tuhý, aby unesl žárovku. Poté, co drát přetočíte po celém průměru, zkrátíte konce drátu a necháte je otevřené.

Poté umístíte žárovku doprostřed stočeného drátu. Odtrhnete závity tak, aby se každý vodič dotýkal jednoho konce žárovky. Poté nožem seškrábnete drátěnou sklovinu a poté očistěte drát k žárovkovým žárovkám. Ujistěte se, že používáte jádrovou pájku. Možná budete chtít přidat další kalafunu, která pomůže vyčistit kousky skloviny.

Krok 5: Připojte 40cm cívku k elektronice

Dále budete muset připojit 40cm cívku ke kondenzátoru 1uF. Zde je zobrazena verze s vysokým výkonem, kde jsem paralelně připojil 10x 0,1uF kondenzátory, abych vytvořil jeden 1uF kondenzátor (paralelně se sčítají kondenzátory). Kondenzátor jde mezi kladný výstup cívky a výkonového zesilovače. Druhá strana cívky jde přímo k výkonovému zesilovači GND.

Krok 6: Připojte zdroj sinusové vlny k výkonovému zesilovači a vyzkoušejte to

Posledním krokem je vytvoření sinusové vlny. Aplikaci generátoru funkcí si můžete stáhnout do telefonu, notebooku nebo počítače. Budete chtít experimentovat, abyste našli nejlepší frekvenci provozu.

Připojte svůj sinusový zdroj ke zvukovému výkonovému zesilovači a poté připojte zvukový výkonový zesilovač ke 40cm cívce a 1uF kondenzátoru a vše by mělo fungovat!

Pokud používáte vysoce výkonný zvukový zesilovač (100 W nebo vyšší), buďte OPATRNÍ! Může generovat velmi vysoká napětí přesahující +/- 500V. Testoval jsem s rozsahem vysokého napětí, abych se ujistil, že nevyhodím do vzduchu kondenzátory. Je také snadné dostat se do šoku, když se dotknete odhaleného vodítka.

Také pokud používáte vysoce výkonný zvukový zesilovač, nemůžete dostat cívku 20 cm příliš blízko k 40 cm cívce. Pokud jsou příliš blízko, dioda TVS nebo LED žárovka shoří kvůli nadměrnému výkonu.

Krok 7: Vytvořte bezdrátovou nabíječku telefonu

Obvod můžete snadno upravit pro nabíjení telefonu. Postavil jsem druhou 20cm cívku a poté přidal všechny obvody. Je použit stejný kondenzátor 3,47uF a dioda TVS. Následuje můstkový usměrňovač (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), za ním 5V lineární regulátor (Fairchild LM7805CT), následovaný tantalovým kondenzátorem 47uF. Díky vysokému výkonovému zesilovači dokáže obvod snadno nabít váš telefon ze vzdálenosti jedné stopy a půl!

Krok 8: Výsledky

Křivky naměřeného napětí versus vzdálenost jsou připojeny.

Návrhová měření a srovnání se simulací a teorií

40cm cívka

• Hlavní cívka = poloměr 0,2 m, průměr 0,4 m. Drát 18 měřidla 20 vinutí
• Teoretický odpor = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohmů
• Skutečný odpor = 0,609 ohmů. Odchylka od teorie: +13%
• Simulovaná indukčnost = 0,435 mH Skutečná indukčnost: 0,49 mH. Odchylka od simulace: +12%

20 cm cívka

• Přijímací cívka = poloměr 0,1 m, průměr 0,2 m 18 naváděcího drátu 15 vinutí
• Teoretický odpor = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Skutečný odpor = 0,2490. Odchylka od simulace: +19%
• Simulovaná indukčnost = 0,105 mH. Skutečná indukčnost = 0,1186 mH. Odchylka od simulace: +12%

Krok 9: Simulace, optimalizace a diskuse

Jak jsme simulovali design

Simulovali jsme a optimalizovali design ve 2-D mangetostatickém simulátoru a pomocí SPICE.

Použili jsme bezplatný 2-D mangetostatický simulátor s názvem Infolytica. Zde si můžete zdarma stáhnout:

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

Použili jsme bezplatný simulátor SPICE s názvem LTSPICE. Můžete si jej stáhnout zde:

www.linear.com/designtools/software/

Soubory návrhu pro oba simulátory jsou přiloženy.

Diskuse

Tato konstrukce využívá přenos rezonanční magnetostatické energie. Zesilovač zvuku produkuje elektrický proud, který protéká vysílací cívkou a generuje oscilační magnetické pole. Toto magnetické pole je přijímáno přijímací cívkou a přeměněno na elektrické pole. Teoreticky bychom to mohli udělat bez jakýchkoli komponent (tj. Bez kondenzátorů). Účinnost je však extrémně nízká. Původně jsme chtěli vytvořit jednodušší design, který používal pouze cívky a žádné další součásti, ale energetická účinnost byla tak špatná, že nemohla zapnout LED. Přešli jsme tedy na rezonanční systém. Kondenzátor, který jsme přidali, rezonuje na jedné konkrétní frekvenci (v tomto případě asi 8 kHz). Na všech ostatních frekvencích je obvod extrémně neefektivní, ale na přesné rezonanční frekvenci se stává velmi efektivním. Induktor a kondenzátor fungují jako transformátory svého druhu. Na vysílací cívku vložíme malé napětí a vysoký proud (10Vrms a 15Arms). To nakonec produkuje> 400Vrms přes kondenzátor, ale při mnohem nižším proudu. V tom je kouzlo rezonančních obvodů! Rezonanční obvody jsou kvantifikovány „faktorem Q“. V cívce vysílače o průměru 40 cm je naměřený faktor Q asi 40, což znamená, že je docela efektivní.

Simulovali jsme a optimalizovali cívku pomocí 2-D magneto statického simulátoru Infolytica. Tento simulátor nám poskytl simulovanou indukčnost pro každou cívku a vzájemnou indukčnost mezi oběma cívkami.

Magneticky simulované hodnoty:

• Vysílací cívka = 4,35 mH
• Přijímací cívka = 0,105 mH
• Vzájemná indukčnost = 9,87 uH. K = 6,87 e-3 (s cívkami oddělenými 0,2 m)

Potom jsme tato čísla vzali a vložili je do SPICE, abychom simulovali elektrické charakteristiky.

Můžete si stáhnout přiložené soubory simulací a zkusit provést své optimalizace a měření!

Připojeny jsou také diagramy polí, které ukazují magnetické pole vytvářené cívkami. Je zajímavé, že i když dáváme velký výkon, absolutní pole jsou docela malá (v rozmezí milliTesla). Důvodem je, že pole jsou rozložena na velké ploše. Pokud tedy sečtete (integrujete) magnetické pole na velké ploše, bylo by to podstatné. Ale v jakémkoli daném bodě objemu je to malé. Jako vedlejší poznámku je důvod, proč transformátory používají železná jádra, takže se magnetické pole koncentruje v jedné oblasti.