Brezžično napajanje visokega dosega: 9 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Zgradite brezžični sistem prenosa energije, ki lahko napaja žarnico ali polni telefon do razdalje do 2 čevljev! Ta uporablja resonančni sistem tuljav za pošiljanje magnetnih polj od oddajne tuljave do sprejemne tuljave.

To smo uporabili kot predstavitev med pridigo o Maxwellovih štirih velikih enačbah v naši cerkvi! Preverite na:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Korak: Stvari, ki jih boste potrebovali

• 18 -palčna magnetna žica. Upoštevajte, da običajne žice ne morete uporabiti, morate uporabiti magnetno žico (na kateri je zelo tanka emajlirana izolacija). En primer je na voljo na Amazonu tukaj:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6W (ali manj) AC/DC 12V zatemnilna LED žarnica. En primer je tukaj:

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

• 1uF kondenzatorji (ne elektrolitični, morajo biti nepolarizirani). Tukaj imate nekaj izbire. Če izdelate različico z nizko porabo, lahko dobite 250V 1uF kondenzatorje iz Radio Shack ali Frys. Če želite zgraditi različico z visoko močjo, boste morali od Digikeyja dobiti posebne 560V kondenzatorje.
• 0,47uF kondenzator (ne elektrolitski, mora biti nepolariziran)
• Nekakšen ojačevalnik moči. Uporabili smo 450W HI-FI ojačevalnik moči. Uporabite lahko vse od tega do zvočnika za računalnik. Več moči kot porabite, večji doseg boste imeli iz nje.
• Spajkanje in spajkanje železa. Rezalniki žice
• Kos vezanega lesa in nekaj majhnih žebljev (uporablja se za navijanje tuljav)
• Črni električni trak
• Merilni trak in ravnilo
• Izolirana žica
• Kladivo

• Zvočni vir s spremenljivo frekvenco in amplitudo, ki ustvarja sinusni ton 8 kHz. Z osebnim računalnikom, prenosnim računalnikom ali telefonom je enostavno uporabljati prosto dostopno programsko opremo za ustvarjanje tonov in se priključiti na priključek za slušalke. S to programsko opremo sem uporabil Mac:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Lahko pa uporabite to programsko opremo za osebni računalnik: uporabite lahko tudi generator funkcij, če ga imate (drag kos testne opreme)

Seznam delov kondenzatorja NTE (za različico z nizko porabo energije). Te dele lahko dobite pri Frysu

3 x 1uF 50V kondenzator, NTE CML105M50 (za pritrditev na žarnico in majhno tuljavo)

1 x 0,47uF 50V kondenzator, NTE CML474M50 (za pritrditev na žarnico in majhno tuljavo vzporedno s pokrovi 1uF)

1 x 1uF 250V kondenzator, NTE MLR105K250 (za pritrditev na veliko tuljavo)

Digikey Order (za visoko zmogljivo različico)

V prilogi je seznam delov Digikey, ki ga lahko uporabite za različico z večjo močjo. Ti kondenzatorji segajo do 560 V, kar vam omogoča uporabo ojačevalnika ~ 500 W in dosežete skoraj dva metra dosega. Priložena različica vsebuje le minimalne dele. Dokler naročate Digikey, naročite nekaj dodatkov, če naredite napako ali jo razstrelite (to še posebej velja za zaščitne diode TVS, ki sem jih večkrat kadil).

Korak: Naredite navitje tuljave

Za navijanje tuljav potrebujete okvir, ki jih bo navijal.

Na kosu vezanega lesa morate s kompasom narisati natančen krog 20 cm in krog natančno 40 cm.

Žeblji za kladivo so enakomerno razporejeni po krogu. Za krog 20 cm sem uporabil približno 12 žebljev, za krog 40 cm pa okoli 16. Na enem mestu v krogu boste želeli narediti vstopno točko, ki bo držala žico, medtem ko začnete s prvim navijanjem.. Na to mesto zabodite še en žebelj blizu enega žeblja, nato pa še nekaj centimetrov stran.

3. korak: 40 cm tuljavo navijte z 20 zavoji in 20 cm tuljavo s 15 zavoji

Najprej boste naredili nekaj zank z žico na zunanjem žeblju za pritrditev žice, nato pa začeli zanko okoli tuljave. Na začetku in na koncu tuljave pustite veliko dodatne žice. Pustite 3 čevlje za varnost (to boste potrebovali za priključitev na elektroniko).

Presenetljivo je težko spremljati število navitij. Uporabite prijatelja, ki vam bo pomagal.

Zavoja naj bo res tesno. Če imate na koncu ohlapna navitja, bo tuljava v neredu.

Zelo težko je vzdrževati navitja v redu (še posebej, če uporabljate žico z oznako 18, je 24 žica lažja za rokovanje, vendar ima veliko več izgub). Zato boste potrebovali nekaj ljudi, ki vam bodo pomagali držati, ko ga navijate.

Ko končate zavoje, boste želeli zasukati vhodno in odvodno žico, da bo tuljava stabilno držana. Nato tuljavo na več mestih prilepite z električnim trakom.

Ko končate s tem korakom, bi morali imeti dve tuljavi, eno tuljavico s premerom 20 cm in 15 obratov ter eno tuljavo s premerom 40 cm in 20 obratov. Tuljave je treba tesno naviti in pritrditi s trakom. Morali bi jih pobrati in zlahka z njimi ravnati, ne da bi se razpadli ali odvili.

4. korak: Dodajte žarnico in elektroniko v 20 -centimetrsko tuljavo

Nato boste žarnico pritrdili na majhno tuljavo. Na stebričke žarnice morate spajkati tri 1uf (1 mikrofarad ali drugače rečeno 1000 nF) in en kondenzator 0,47 uF (drugače rečeno 470 nF). To je skupaj 3,47 μF (kondenzatorji seštevajo vzporedno). Če uporabljate različico z visoko močjo, morate med stebla žarnice spajkati tudi 20V dvosmerno TV -diodo kot zaščito pred prenapetostjo.

Ko spajkate kondenzatorje, morate konce tuljave zaviti do sredine tuljave. Žica je dovolj trdna, da podpira žarnico. Ko zavrtite žico do konca po premeru, boste samo odrezali konce žice in jih pustili odprte.

Nato žarnico postavite v sredino zvite žice. Zavoje boste raztrgali, tako da se vsaka žica dotakne enega priključka žarnice. Nato z nožem strgate žično sklenino, nato pa očiščeno žico spajkate na stebre žarnice. Uporabite spajkalno jedro za kolofonijo. Morda boste želeli dodati dodatno kolofonijo, ki bo pomagala očistiti koščke sklenine.

5. korak: 40 -centimetrsko tuljavo pritrdite na elektroniko

Nato morate 40 -centimetrsko tuljavo priključiti na 1uF kondenzator. Tukaj je prikazana različica z visoko močjo, kjer sem vzporedno priključil 10x 0,1uF kondenzatorje, da naredim en kondenzator 1uF (kondenzatorji se vzporedno seštevajo). Kondenzator gre med tuljavo in pozitivnim izhodom ojačevalnika moči. Druga stran tuljave gre neposredno na ojačevalnik moči GND.

6. korak: Vir sinusnega vala priključite na ojačevalnik moči in ga preizkusite

Zadnji korak je ustvarjanje sinusnega vala. Aplikacijo za ustvarjanje funkcij lahko prenesete v telefon ali prenosni računalnik ali namizje. Poskusili boste najti najboljšo frekvenco delovanja.

Priključite svoj sinusni vir na ojačevalnik zvočne moči, nato pa zvočni ojačevalnik priključite na 40 -centimetrsko tuljavo in 1uF kondenzator, nato pa bi moralo vse delovati!

Če uporabljate močan zvočni ojačevalnik (100 W ali več), Bodite previdni! Lahko ustvari zelo visoke napetosti, ki presegajo +/- 500V. Testiral sem z visokonapetostnim obsegom, da sem zagotovil, da ne bom razstrelil kondenzatorjev. Prav tako je lahko šokirati, če se dotaknete izpostavljenega svinca.

Tudi če uporabljate zvočni ojačevalnik z visoko močjo, se 20 -centimetrska tuljava ne more približati tuljavi 40 cm. Če sta preblizu, bo dioda TVS ali LED žarnica zagorela zaradi prevelike moči.

7. korak: Ustvarite brezžični polnilnik za telefon

Tokokrog lahko preprosto spremenite za polnjenje telefona. Zgradil sem drugo 20 cm tuljavo in nato dodal vse vezje. Uporablja se isti kondenzator 3,47uF in TVS dioda. Temu sledi mostni usmernik (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), ki mu sledi linearni regulator 5V (Fairchild LM7805CT), ki mu sledi 47uF tantalov kondenzator. Z ojačevalnikom velike moči lahko vezje enostavno napolni vaš telefon z razdalje pol in pol!

8. korak: Rezultati

Izmerjene krivulje napetosti in razdalje so priložene.

Oblikovalske meritve in primerjava s simulacijo in teorijo

Tuljava 40 cm

• Glavna tuljava = polmer 0,2 m, premer 0,4 m. 18 -žilna žica 20 navitij
• Teoretični upor = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohmov
• Dejanski upor = 0,609 ohma. Odstopanje od teorije: +13%
• Simulirana induktivnost = 0,435 mH Dejanska induktivnost: 0,49 mH. Odstopanje od simulacije: +12%

20 cm tuljava

• Sprejemna tuljava = polmer 0,1 m premer 0,2 m premer 18 žica z žico 15 navitij
• Teoretični upor = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Dejanski upor = 0,2490. Odstopanje od simulacije: +19%
• Simulirana induktivnost = 0,105 mH. Dejanska induktivnost = 0,1186 mH. Odstopanje od simulacije: +12%

9. korak: Simulacija, optimizacija in razprava

Kako smo simulirali oblikovanje

Zasnova smo simulirali in optimizirali v 2-D mangetostatičnem simulatorju in s SPICE.

Uporabili smo brezplačni 2-D mangetostatični simulator, imenovan Infolytica. Brezplačno lahko prenesete tukaj:

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

Uporabili smo brezplačni simulator SPICE, imenovan LTSPICE. Lahko ga prenesete tukaj:

www.linear.com/designtools/software/

Priložene so oblikovalske datoteke za oba simulatorja.

Diskusija

Ta zasnova uporablja resonančni magnetostatični prenos energije. Zvočni ojačevalnik proizvaja električni tok, ki teče skozi oddajno tuljavo in ustvarja nihajoče magnetno polje. To magnetno polje sprejme sprejemna tuljava in se spremeni v električno polje. Teoretično bi to lahko storili brez komponent (torej brez kondenzatorjev). Vendar je učinkovitost zelo nizka. Sprva smo želeli narediti enostavnejšo zasnovo, ki bi uporabljala samo tuljave in brez drugih komponent, vendar je bila učinkovitost porabe tako slaba, da LED ni mogla vklopiti. Tako smo prešli na resonančni sistem. Kondenzator, ki smo ga dodali, odmeva na eni posebno frekvenci (v tem primeru približno 8 kHz). Na vseh drugih frekvencah je vezje izjemno neučinkovito, vendar pri natančni resonančni frekvenci postane zelo učinkovito. Induktor in kondenzator delujeta kot neke vrste transformator. Na oddajni tuljavi vstavimo majhno napetost in visok tok (10Vrms in 15Arms). To na koncu proizvede> 400Vrms v kondenzatorju, vendar pri precej nižjem toku. To je čarovnija resonančnih vezij! Odmevna vezja se količinsko opredelijo s "faktorjem Q". V oddajni tuljavi s premerom 40 cm je izmerjeni faktor Q približno 40, kar pomeni, da je to precej učinkovito.

Tuljavo smo simulirali in optimizirali z 2-D magnetnim statičnim simulatorjem Infolytica. Ta simulator nam je dal simulirano induktivnost za vsako tuljavo in medsebojno induktivnost med obema tuljavama.

Magnetno simulirane vrednosti:

• Oddajna tuljava = 4,35 mH
• Sprejemna tuljava = 0,105 mH
• Medsebojna induktivnost = 9,87uH. K = 6,87e-3 (tuljave ločene z 0,2 m)

Nato smo te številke vzeli in jih vnesli v SPICE za simulacijo električnih značilnosti.

Lahko prenesete priložene simulacijske datoteke in poskusite narediti svoje optimizacije in meritve!

Priložene so tudi polja, ki prikazujejo magnetno polje, ki ga tvorijo tuljave. Zanimivo je, da so absolutna polja, čeprav vložimo veliko moči, precej majhna (v območju milliTesla). To je zato, ker se polja razprostirajo na veliki površini. Če bi torej magnetno polje sešteli (integrirali) na veliko površino, bi bilo to znatno. Toda v kateri koli točki obsega je majhen. Kot stransko opombo, zato transformatorji uporabljajo železna jedra, tako da se magnetno polje koncentrira na enem področju.