Putere wireless de mare autonomie: 9 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Construiți un sistem de transmisie wireless a energiei care poate alimenta un bec sau poate încărca un telefon de până la 2 metri distanță! Acesta utilizează un sistem de bobine rezonante pentru a trimite câmpuri magnetice de la o bobină de transmisie la o bobină de recepție.

Am folosit acest lucru ca o demonstrație în timpul unei predici la cele patru ecuații mari ale lui Maxwell la biserica noastră! Verificați-l la:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Pasul 1: Lucruri de care ai nevoie

• Sârmă magnetică de calibru 18. Rețineți că nu puteți folosi sârmă obișnuită, trebuie să utilizați sârmă magnetică (care are o izolație foarte subțire de smalț pe ea). Un exemplu este disponibil pe Amazon aici:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Un bec de 6W (sau mai puțin) AC / DC 12V Dimmable LED. Un exemplu este aici:

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

• Condensatorii 1uF (nu electrolitici, trebuie să fie nepolarizați). Aici aveți câteva alegeri. Dacă construiți o versiune de consum redus, puteți obține condensatori 250V 1uF de la Radio Shack sau Frys. Dacă doriți să construiți o versiune de mare putere, va trebui să obțineți condensatori speciali de 560V de la Digikey.
• Condensator 0.47uF (nu electrolitic, trebuie să fie nepolarizat)
• Un fel de amplificator de putere. Am folosit un amplificator HI-FI de 450W. Puteți folosi orice, de la asta până la un difuzor pentru PC. Cu cât folosiți mai multă putere, cu atât veți obține mai multă autonomie.
• Solder & Solder fier. Freze de sârmă
• O bucată de placaj și câteva unghii mici (utilizate pentru bobinarea bobinelor)
• Bandă electrică neagră
• Banda de măsurare și rigla
• Sârmă izolată
• Ciocan

• Sursă audio cu frecvență și amplitudine variabile care generează un ton sinusoidal de 8 kHz. Este ușor de utilizat un computer, laptop sau telefon cu software de generare a tonurilor disponibil gratuit și conectarea la mufa pentru căști. Am folosit un Mac cu acest software:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Sau ați putea folosi acest software pentru un computer: puteți utiliza și un generator de funcții dacă aveți unul (echipament de testare scump)

Lista pieselor condensatorului NTE (pentru versiunea cu consum redus). Puteți obține aceste piese de la Frys

3 x 1uF 50V condensator, NTE CML105M50 (pentru atașarea la bec și bobina mică)

1 x condensator 50V 0.47uF, NTE CML474M50 (pentru a se atașa la bec și bobină mică în paralel cu capacele 1uF)

1 x condensator 1uF 250V, NTE MLR105K250 (pentru atașare la bobina mare)

Digikey Order (pentru versiunea de mare putere)

Atașat este o listă de piese Digikey pe care o puteți utiliza pentru versiunea cu putere mai mare. Acești condensatori merg până la 560V, ceea ce vă permite să utilizați un amplificator de ~ 500W și să vă ridicați la o distanță de aproape două metri. Versiunea atașată include doar piesele minime. Atâta timp cât faceți o comandă Digikey, comandați câteva extra în cazul în care faceți o greșeală sau aruncați-o în aer (acest lucru este valabil mai ales pentru diodele de protecție TVS, pe care le-am fumat de mai multe ori).

Pasul 2: Faceți bobina

Pentru a înfășura bobinele, aveți nevoie de un cadru pentru a le înfășura.

Pe o bucată de placaj, trebuie să folosiți o busolă pentru a desena un cerc precis de 20 cm și un cerc precis de 40 cm.

Cuie de ciocan distanțate uniform în jurul cercului. Pentru cercul de 20 cm, am folosit aproximativ 12 cuie, iar pentru cercul de 40 cm, am folosit aproximativ 16. La un punct din cerc, veți dori să creați un punct de intrare care să țină firul în timp ce începeți prima înfășurare. În acel loc, ciocănește un alt cui aproape de un cui, apoi altul la câțiva centimetri distanță.

Pasul 3: Înfășurați bobina de 40 cm cu 20 de ture și bobina de 20 cm cu 15 ture

Mai întâi veți face câteva bucle cu firul de pe cuiul exterior pentru a ancora firul, apoi veți începe bucla în jurul bobinei. Asigurați-vă că lăsați o mulțime de sârmă suplimentară la începutul și la sfârșitul bobinei. Lăsați 3 picioare pentru a fi în siguranță (veți avea nevoie de acest lucru pentru a vă conecta la electronice).

Este surprinzător de greu să țineți evidența numărului de înfășurări. Folosește un prieten pentru a te ajuta.

Faceți înfășurările ADEVĂRAT. Dacă ajungeți la înfășurări libere, bobina va fi o mizerie.

Este foarte greu să păstrezi înfășurările în ordine (mai ales dacă folosești sârmă de 18 coli, manometrul cu 24 de fire este mai ușor de manevrat, dar are mult mai multe pierderi). Așadar, veți avea nevoie de câțiva oameni care să vă ajute să îl țineți apăsat în timp ce îl înfășurați.

După ce terminați virajele, veți dori să răsuciți firul de intrare și firul de ieșire pentru a menține bobina constantă. Apoi lipiți bobina cu bandă electrică în mai multe locuri.

Când ați terminat acest pas, ar trebui să aveți două bobine, o bobină cu un diametru de 20cm și 15 spire și o bobină cu un diametru de 40cm și 20 de spire. Bobinele ar trebui să fie înfășurate strâns și fixate cu bandă. Ar trebui să le puteți ridica și manipula cu ușurință, fără ca acestea să se destrame sau să se desfacă.

Pasul 4: Adăugați becul și electronica la bobina de 20 cm

Apoi, veți atașa becul la bobina mică. Trebuie să lipiți trei condensatori de 1uf (1 microfarad, sau un mod diferit 1, 000nF) și un condensator de 0,47uF (spus altfel, 470nF) la posturile becului. Este un total de 3,47 uF (condensatorii se adaugă în paralel). Dacă faceți versiunea de mare putere, ar trebui să lipiți și o diodă TVS bidirecțională de 20V între posturile becului ca protecție împotriva supratensiunii.

După ce lipiți condensatorii, trebuie să răsuciți capetele firului bobinei până la capăt în centrul bobinei. Firul este suficient de rigid pentru a susține becul. După ce răsuciți firul pe tot diametrul, veți tăia doar capetele firului și le veți lăsa deschise.

Apoi veți plasa becul în centrul firului răsucit. Veți îndepărta răsucirile, astfel încât fiecare fir să atingă un terminal al becului. Apoi, îndepărtați smalțul de sârmă cu un cuțit și apoi lipiți firul curățat pe stâlpii becului. Asigurați-vă că utilizați lipirea miezului de colofoniu. S-ar putea să doriți să adăugați colofon suplimentar, care va ajuta la curățarea bucăților de smalț.

Pasul 5: Atașați bobina de 40 cm la electronică

Apoi, va trebui să conectați bobina de 40 cm la un condensator de 1 uF. Aici este prezentată versiunea de mare putere, unde am conectat condensatori de 10x 0.1uF în paralel pentru a face un condensator de 1uF (condensatorii în paralel se adună). Condensatorul merge între bobină și ieșirea pozitivă a amplificatorului de putere. Cealaltă parte a bobinei merge direct la amplificatorul de putere GND.

Pasul 6: Conectați o sursă de undă sinusoidală la un amplificator de putere și încercați

Ultimul pas este crearea unei unde sinusoidale. Puteți descărca o aplicație generator de funcții pe telefon sau laptop sau desktop. Veți dori să experimentați pentru a găsi cea mai bună frecvență de operare.

Vă conectați sursa sinusoidală la amplificatorul de putere audio, apoi conectați puterea audio la bobina de 40 cm și la condensatorul 1uF, iar apoi totul ar trebui să funcționeze!

Dacă utilizați un amplificator audio de mare putere (100W sau mai mare), FII ATENȚIE! Poate genera tensiuni foarte mari care depășesc +/- 500V. Am testat cu un scop de înaltă tensiune pentru a mă asigura că nu voi exploda condensatorii. De asemenea, este ușor să vă șocați dacă atingeți un cablu expus.

De asemenea, dacă utilizați un amplificator audio de mare putere, nu puteți obține bobina de 20 cm prea aproape de bobina de 40 cm. Dacă sunt prea aproape, dioda TVS sau becul LED se vor arde din cauza unei puteri excesive.

Pasul 7: Creați încărcătorul de telefon fără fir

Puteți modifica cu ușurință circuitul pentru a încărca un telefon. Am construit o a doua bobină de 20 cm și apoi am adăugat toate circuitele. Se utilizează același condensator 3.47uF și diodă TVS. Acesta este urmat de un redresor cu punte (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), urmat de un regulator liniar de 5 V (Fairchild LM7805CT), urmat de un condensator de tantal de 47 uF. Cu un amplificator de mare putere, circuitul vă poate încărca cu ușurință telefonul de la o distanță de un picior și jumătate!

Pasul 8: Rezultatele

Sunt atașate curbele măsurate de tensiune versus distanță.

Măsurători de proiectare și comparație cu simulare și teorie

Bobină de 40cm

• Bobina principală = 0,2 m rază, 0,4 m diametru. Sârmă de calibru 18 20 înfășurări
• Rezistență teoretică = 20.95e-3 * (2 * pi * 0.2 * 20 + 0.29 * 2) = 0.5387 ohmi
• Rezistența reală = 0,609 ohmi. Varianța de la teorie: + 13%
• Inductanță simulată = 0,435 mH Inductanță reală: 0,49 mH. Varianța de la simulare: + 12%

Bobină de 20cm

• Primirea bobinei = 0,1 m rază 0,2 m diametru 18 cablu de sârmă 15 înfășurări
• Rezistența teoretică = (2 * pi * 0,1 * 15 + 0,29 * 2) * 0,0209 = 0,2091
• Rezistența reală = 0,2490. Varianta de la simulare: + 19%
• Inductanță simulată = 0,105mH. Inductanță reală = 0.1186mH. Varianța de la simulare: + 12%

Pasul 9: Simulare, optimizare și discuții

Cum am simulat designul

Am simulat și optimizat designul într-un simulator mangetostatic 2-D și cu SPICE.

Am folosit simulatorul 2-D mangetostatic gratuit numit Infolytica. Puteți descărca gratuit aici:

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

Am folosit simulatorul SPICE gratuit numit LTSPICE. O puteți descărca de aici:

www.linear.com/designtools/software/

Fișierele de proiectare pentru ambele simulatoare sunt atașate.

Discuţie

Acest design utilizează transmisie de putere magnetostatică rezonantă. Amplificatorul audio de putere produce un curent electric care curge prin bobina de transmisie și generează un câmp magnetic oscilant. Acest câmp magnetic este primit de bobina de recepție și transformat într-un câmp electric. În teorie, am putea face asta fără componente (adică fără condensatori). Cu toate acestea, eficiența este extrem de scăzută. Am dorit inițial să facem un design mai simplu, care să folosească doar bobinele și alte componente, cu toate acestea, eficiența energetică a fost atât de slabă încât nu a putut aprinde LED-ul. Așa că am trecut la un sistem rezonant. Condensatorul pe care l-am adăugat rezonează la o frecvență deosebită (în acest caz aproximativ 8kHz). La toate celelalte frecvențe circuitul este extrem de ineficient, dar la frecvența rezonantă exactă devine foarte eficient. Inductorul și condensatorul acționează ca un fel de transformator. Pe bobina de transmisie, introducem o tensiune mică și un curent mare (10Vrms și 15Arms). Aceasta ajunge să producă> 400Vrms pe condensator, dar la un curent mult mai mic. Aceasta este magia circuitelor rezonante! Circuitele rezonante sunt cuantificate prin „factorul Q”. În bobina transmițătorului cu diametrul de 40 cm, factorul Q măsurat este de aproximativ 40, ceea ce înseamnă că este destul de eficient.

Am simulat și optimizat bobina cu ajutorul simulatorului magneto-static 2-Infolytica. Simulatorul respectiv ne-a oferit o inductanță simulată pentru fiecare bobină și inductanța reciprocă între cele două bobine.

Valori magnetice simulate:

• Bobina de transmisie = 4,35mH
• Bobină de recepție = 0,105mH
• Inductanță reciprocă = 9,87 uH. K = 6.87e-3 (cu bobinele separate de 0.2m)

Am luat apoi aceste numere și le-am alimentat în SPICE pentru a simula caracteristicile electrice.

Puteți descărca fișierele de simulare atașate și puteți încerca să faceți optimizările și măsurătorile!

De asemenea, sunt atașate graficele de câmp, care arată câmpul magnetic produs de bobine. Este interesant faptul că, deși punem multă putere, câmpurile absolute sunt destul de mici (în gama milliTesla). Asta pentru că câmpurile sunt întinse pe o suprafață mare. Deci, dacă adăugați (integrați) câmpul magnetic pe suprafața mare, ar fi substanțial. Dar în orice moment dat al volumului este mic. Ca o notă laterală, acesta este motivul pentru care transformatoarele folosesc miezuri de fier, astfel încât câmpul magnetic să se concentreze într-o zonă.