Bezdrôtové napájanie vysokého dosahu: 9 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Vybudujte si systém bezdrôtového prenosu energie, ktorý dokáže napájať žiarovku alebo nabíjať telefón až zo vzdialenosti 2 stôp! Toto používa systém rezonančných cievok na odosielanie magnetických polí z vysielacej cievky do prijímacej cievky.

Použili sme to ako ukážku počas kázne o Maxwellových štyroch veľkých rovniciach v našom kostole! Pozrite sa na:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Krok 1: Veci, ktoré budete potrebovať

• Magnetický drôt s rozmerom 18. Všimnite si toho, že nemôžete používať obyčajný drôt, musíte použiť magnetický drôt (ktorý má veľmi tenkú emailovú izoláciu). Jeden príklad je k dispozícii na Amazone tu:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6W (alebo menej) AC/DC 12V stmievateľná žiarovka LED. Jeden príklad je tu:

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

• 1uF kondenzátory (nie elektrolytické, musia byť nepolarizované). Tu máte niekoľko možností. Ak postavíte nízkoenergetickú verziu, môžete získať kondenzátory 250V 1uF od spoločnosti Radio Shack alebo Frys. Ak chcete postaviť vysokovýkonnú verziu, budete musieť získať špeciálne 560V kondenzátory od spoločnosti Digikey.
• 0,47uF kondenzátor (nie elektrolytický, musí byť nepolarizovaný)
• Nejaký druh zosilňovača výkonu. Použili sme 450W HI-FI zosilňovač. Môžete použiť čokoľvek od toho až po reproduktor PC. Čím viac energie použijete, tým väčší dosah z nej získate.
• Spájkovačka a spájkovačka. Strihač káblov
• Kus preglejky a niekoľko malých klincov (používa sa na navíjanie cievok)
• Čierna elektrická páska
• Meracia páska a pravítko
• Izolovaný drôt
• Kladivo

• Zdroj zvuku s premenlivou frekvenciou a amplitúdou, ktorý generuje 8kHz sínusový tón. Pripojenie ku konektoru pre slúchadlá je jednoduché pomocou počítača, prenosného počítača alebo telefónu s voľne dostupným softvérom na generovanie tónov. Použil som počítač Mac s týmto softvérom:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Alebo môžete tento softvér použiť pre PC: Môžete tiež použiť generátor funkcií, ak ho máte (drahý kus testovacieho zariadenia)

Zoznam súčiastok kondenzátora NTE (pre nízkoenergetickú verziu). Tieto diely dostanete vo Frys

3 x 1uF 50V kondenzátor, NTE CML105M50 (na pripevnenie k žiarovke a malej cievke)

1 x 0,47uF 50V kondenzátor, NTE CML474M50 (na pripojenie k žiarovke a malej cievke paralelne s krytkami 1uF)

1 x 1uF 250V kondenzátor, NTE MLR105K250 (na pripojenie k veľkej cievke)

Objednávka Digikey (pre vysokovýkonnú verziu)

Priložený je zoznam dielov Digikey, ktorý môžete použiť pre verziu s vyšším výkonom. Tieto kondenzátory dosahujú až 560 V, čo vám umožňuje použiť zosilňovač ~ 500 W, a dosah takmer dvoch stôp. Pripojená verzia obsahuje iba nevyhnutné minimálne diely. Pokiaľ robíte objednávku Digikey, objednajte si nejaké doplnky pre prípad, že by ste sa pomýlili alebo vyhodili do vzduchu (to platí najmä pre ochranné diódy TVS, ktoré som niekoľkokrát fajčil).

Krok 2: Vytvorte navíjač cievok

Na navíjanie cievok potrebujete rám, ktorý ich naviňte.

Na kus preglejky musíte pomocou kompasu nakresliť presný 20 cm kruh a presný 40 cm kruh.

Klince na kladivo rovnomerne rozmiestnené okolo kruhu. Na 20 cm kruh som použil asi 12 klincov a na 40 cm kruh som použil asi 16. Na jednom mieste v kruhu budete chcieť vytvoriť vstupný bod, ktorý bude držať drôt a na začiatku bude prvé vinutie.. V tom mieste zatlačte ďalší klinec blízko jedného klinca a potom o niekoľko centimetrov ďalej.

Krok 3: 40 cm cievku naviňte na 20 otáčok a 20 cm cievku na 15 závitov

Najprv pomocou drôtu na vonkajšom klinci urobíte niekoľko slučiek na ukotvenie drôtu a potom spustíte slučku okolo cievky. Uistite sa, že na začiatku a na konci cievky necháte veľa drôtu navyše. Nechajte 3 stopy v bezpečí (budete to potrebovať na pripojenie k elektronike).

Je prekvapivo ťažké sledovať počet vinutí. Pomôžte si pomocou priateľa.

Vinutia SKUTOČNE utiahnite. Ak skončíte s voľnými vinutiami, cievka bude neporiadok.

Je skutočne ťažké udržať vinutia v poriadku (obzvlášť ak používate 18 -vodičový drôt, s 24 -vodičovým rozchodom sa ľahšie manipuluje, ale má oveľa väčšiu stratu). Budete teda potrebovať niekoľko ľudí, ktorí vám pomôžu udržať to pri navíjaní.

Po dokončení zákrut budete chcieť skrútiť vstupný a výstupný drôt, aby cievka držala stabilne. Potom cievku na niekoľkých miestach zalepte elektrickou páskou.

Keď ste s týmto krokom hotoví, mali by ste mať dve cievky, jednu cievku s priemerom 20 cm a 15 závitmi a jednu cievku s priemerom 40 cm a 20 závitmi. Cievky by mali byť pevne navinuté a zaistené páskou. Mali by ste byť schopní ich zdvihnúť a ľahko s nimi manipulovať bez toho, aby sa rozpadali alebo odvíjali.

Krok 4: Pridajte žiarovku a elektroniku k 20 cm cievke

Ďalej pripevnite žiarovku k malej cievke. Na stĺpiky žiaroviek musíte spájkovať tri 1uf (1 mikrofarad alebo inak povedané 1 000nF) a jeden 0,47uF (inak povedané 470nF) kondenzátory. To je spolu 3,47uF (kondenzátory sa súbežne sčítavajú). Ak robíte vysokovýkonnú verziu, mali by ste tiež spájkovať 20V obojsmernú diódu TVS medzi stĺpiky žiarovky ako ochranu proti prepätiu.

Po spájkovaní kondenzátorov musíte konce cievkového drôtu skrútiť úplne cez stred cievky. Drôt je dostatočne tuhý na to, aby uniesol žiarovku. Potom, čo drôt skrútite po celom priemere, prestrihnete konce drôtu a necháte ich otvorené.

Potom umiestnite žiarovku do stredu skrúteného drôtu. Odtrhnete zákruty tak, aby sa každý vodič dotkol jedného konca žiarovky. Potom nožom zoškrabete drôtenú sklovinu a potom očistený drôt spájkujete so stĺpikmi žiarovky. Uistite sa, že používate jadrovú spájku z kolofónie. Môžete pridať ďalšie kolofónie, ktoré pomôžu vyčistiť kúsky skloviny.

Krok 5: Pripojte 40 cm cievku k elektronike

Ďalej budete musieť pripojiť 40 cm cievku k 1uF kondenzátoru. Tu je zobrazená verzia s vysokým výkonom, kde som paralelne pripojil 10x 0,1uF kondenzátory, aby som vytvoril jeden 1uF kondenzátor (paralelne sa sčítavajú kondenzátory). Kondenzátor prechádza medzi kladným výstupom cievky a výkonového zosilňovača. Druhá strana cievky smeruje priamo k výkonovému zosilňovaču GND.

Krok 6: Pripojte zdroj sinusovej vlny k zosilňovaču a vyskúšajte to

Posledným krokom je vytvorenie sínusovej vlny. Aplikáciu generátora funkcií si môžete stiahnuť do telefónu, prenosného počítača alebo počítača. Budete chcieť experimentovať, aby ste našli najlepšiu frekvenciu prevádzky.

Pripojíte svoj sínusový zdroj k zosilňovaču zvuku a potom pripojíte zvukový zdroj k 40 cm cievke a kondenzátoru 1 uF a potom by malo všetko fungovať!

Ak používate zvukový zosilňovač s vysokým výkonom (100 W alebo viac), buďte POZOR! Môže generovať veľmi vysoké napätie presahujúce +/- 500V. Testoval som s rozsahom vysokého napätia, aby som sa ubezpečil, že nevybuchnem kondenzátory. Je tiež ľahké šokovať, ak sa dotknete odhaleného olova.

Tiež, ak používate zvukový zosilňovač s vysokým výkonom, nemôžete dostať 20 cm cievku príliš blízko k 40 cm cievke. Ak sú príliš blízko, dióda TVS alebo žiarovka LED sa vplyvom nadmerného výkonu spáli.

Krok 7: Vytvorte bezdrôtovú nabíjačku telefónu

Obvod na nabíjanie telefónu môžete ľahko upraviť. Postavil som druhú 20 cm cievku a potom pridal všetky obvody. Používa sa rovnaký kondenzátor 3,47uF a dióda TVS. Nasleduje mostíkový usmerňovač (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), za ním nasleduje 5V lineárny regulátor (Fairchild LM7805CT), za ktorým nasleduje tantalový kondenzátor 47uF. Vďaka vysokovýkonnému zosilňovaču dokáže obvod ľahko nabiť váš telefón zo vzdialenosti pol metra!

Krok 8: Výsledky

Priložené sú krivky nameraného napätia voči vzdialenosti.

Merania návrhu a porovnanie so simuláciou a teóriou

40 cm cievka

• Hlavná cievka = polomer 0,2 m, priemer 0,4 m. Drôt 18 meradla 20 vinutí
• Teoretický odpor = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohmov
• Skutočný odpor = 0,609 ohmov. Odchýlka od teórie: +13%
• Simulovaná indukčnosť = 0,435 mH Skutočná indukčnosť: 0,49 mH. Odchýlka od simulácie: +12%

20 cm cievka

• Prijímacia cievka = polomer 0,1 m priemer 0,2 m 18 navádzací drôt 15 vinutí
• Teoretický odpor = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Skutočný odpor = 0,2490. Odchýlka od simulácie: +19%
• Simulovaná indukčnosť = 0,105 mH. Skutočná indukčnosť = 0,1186 mH. Odchýlka od simulácie: +12%

Krok 9: Simulácia, optimalizácia a diskusia

Ako sme simulovali dizajn

Dizajn sme simulovali a optimalizovali v 2-D mangetostatickom simulátore a pomocou SPICE.

Použili sme bezplatný 2-D mangetostatický simulátor s názvom Infolytica. Tu si môžete zadarmo stiahnuť:

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

Použili sme bezplatný simulátor SPICE s názvom LTSPICE. Môžete si ho stiahnuť tu:

www.linear.com/designtools/software/

Priložené sú návrhové súbory pre oba simulátory.

Diskusia

Tento dizajn používa rezonančný magnetostatický prenos energie. Zvukový zosilňovač vytvára elektrický prúd, ktorý preteká vysielacou cievkou a vytvára oscilačné magnetické pole. Toto magnetické pole je zachytené prijímajúcou cievkou a zmenené na elektrické pole. Teoreticky by sme to mohli urobiť bez akýchkoľvek komponentov (t.j. bez kondenzátorov). Účinnosť je však extrémne nízka. Pôvodne sme chceli vytvoriť jednoduchší dizajn, ktorý používal iba cievky a žiadne ďalšie súčasti, ale energetická účinnosť bola taká slabá, že nemohla zapnúť LED. Presunuli sme sa teda do rezonančného systému. Kondenzátor, ktorý sme pridali, rezonuje na jednej konkrétnej frekvencii (v tomto prípade asi 8 kHz). Na všetkých ostatných frekvenciách je obvod extrémne neefektívny, ale pri presnej rezonančnej frekvencii sa stáva veľmi efektívnym. Induktor a kondenzátor pôsobia ako nejaký transformátor. Na vysielaciu cievku vložíme malé napätie a vysoký prúd (10Vrms a 15Arms). To nakoniec produkuje> 400 Vrms cez kondenzátor, ale pri oveľa nižšom prúde. V tom je to kúzlo rezonančných obvodov! Rezonančné obvody sú kvantifikované „faktorom Q“. V cievke vysielača s priemerom 40 cm je nameraný faktor Q asi 40, čo znamená, že je veľmi efektívny.

Simulovali sme a optimalizovali cievku pomocou 2-D magneto statického simulátora Infolytica. Tento simulátor nám poskytol simulovanú indukčnosť pre každú cievku a vzájomnú indukčnosť medzi týmito dvoma cievkami.

Magneticky simulované hodnoty:

• Vysielacia cievka = 4,35 mH
• Prijímacia cievka = 0,105 mH
• Vzájomná indukčnosť = 9,87uH. K = 6,87 e-3 (s cievkami oddelenými 0,2 m)

Potom sme tieto čísla vzali a vložili ich do SPICE, aby sme simulovali elektrické charakteristiky.

Môžete si stiahnuť priložené súbory simulácií a pokúsiť sa vykonať svoje optimalizácie a merania!

Tiež sú pripojené poľné grafy, ktoré ukazujú magnetické pole produkované cievkami. Je zaujímavé, že aj keď vkladáme veľa energie, absolútne polia sú dosť malé (v rozsahu miliTesla). Je to preto, že polia sú rozložené na veľkej ploche. Ak by ste teda spočítali (integrovali) magnetické pole na veľkej ploche, bolo by to podstatné. Ale v každom danom bode objemu je to malé. Ako vedľajšiu poznámku je dôvod, prečo transformátory používajú železné jadrá, aby sa magnetické pole koncentrovalo do jednej oblasti.