Bežično napajanje velikog dometa: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Izgradite sustav bežičnog prijenosa energije koji može napajati žarulju ili puniti telefon s udaljenosti do 2 metra! Ovo koristi sustav rezonantne zavojnice za slanje magnetskih polja iz zavojnice za odašiljanje na zavojnicu za prijem.

Ovo smo koristili kao demonstraciju tijekom propovijedi o Maxwellovim Četiri velike jednadžbe u našoj crkvi! Provjerite na:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Korak 1: Stvari koje će vam trebati

• Magnetna žica 18 mjerača. Imajte na umu da ne možete koristiti običnu žicu, morate koristiti magnetsku žicu (koja ima vrlo tanku emajliranu izolaciju na sebi). Jedan primjer dostupan je na Amazonu ovdje:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6 W (ili manje) AC/DC 12V zatamljiva LED žarulja. Jedan primjer je ovdje:

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

• 1uF kondenzatori (ne elektrolitički, moraju biti nepolarizirani). Ovdje imate neke izbore. Ako napravite verziju male snage, možete nabaviti 250V 1uF kondenzatore iz Radio Shacka ili Frysa. Ako želite izgraditi verziju velike snage, morat ćete nabaviti posebne 560V kondenzatore od Digikey -a.
• 0,47uF kondenzator (ne elektrolitički, mora biti nepolariziran)
• Nekakvo pojačalo snage. Koristili smo HI-FI pojačalo snage 450W. Možete koristiti bilo što od toga do zvučnika za računalo. Što više energije iskoristite, to ćete iz nje izvući veći domet.
• Lemljenje i lemljeno željezo. Rezači žice
• Komad šperploče i neki mali čavli (koriste se za namatanje zavojnica)
• Crna električna traka
• Mjerna traka i ravnalo
• Izolirana žica
• Čekić

• Audio izvor s promjenjivom frekvencijom i amplitudom koji generira sinusni ton od 8 kHz. Lako je koristiti računalo, prijenosno računalo ili telefon sa slobodno dostupnim softverom za generiranje tonova i spojiti se na utičnicu za slušalice. Koristio sam Mac sa ovim softverom:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Ili biste mogli koristiti ovaj softver za računalo: možete koristiti i generator funkcija ako ga imate (skup testni uređaj)

Popis dijelova NTE kondenzatora (za verziju male snage). Ove dijelove možete nabaviti u Frysu

3 x 1uF 50V kondenzator, NTE CML105M50 (za pričvršćivanje na žarulju i malu zavojnicu)

1 x 0,47uF 50V kondenzator, NTE CML474M50 (za pričvršćivanje na žarulju i malu zavojnicu paralelno s poklopcima od 1uF)

1 x 1uF 250V kondenzator, NTE MLR105K250 (za pričvršćivanje na veliku zavojnicu)

Digikey Order (za verziju velike snage)

U privitku se nalazi Digikey popis dijelova koji možete koristiti za jaču verziju. Ovi kondenzatori idu do 560V, što vam omogućuje da koristite pojačalo od ~ 500W i dosegnete gotovo dva metra dometa. Priložena verzija uključuje samo minimalne dijelove. Sve dok naručujete Digikey, naručite neke dodatke u slučaju da pogriješite ili dignete u zrak (posebno se to odnosi na zaštitne diode TVS -a, koje sam nekoliko puta pušio).

Korak 2: Odvijte zavojnicu

Da biste namotali zavojnice, potreban vam je okvir kako biste ih namotali.

Na komadu šperploče trebate pomoću kompasa izvući točan krug od 20 cm i krug od 40 cm.

Čekići za čekiće ravnomjerno raspoređeni po krugu. Za krug od 20 cm koristio sam oko 12 čavala, a za krug od 40 cm koristio sam oko 16. Na jednom mjestu u krugu htjet ćete napraviti ulaznu točku koja će držati žicu dok započinjete s prvim navijanjem. Na tom mjestu zakucajte još jedan čavao blizu jednog čavla, a zatim još nekoliko centimetara dalje.

Korak 3: Namotajte zavojnicu od 40 cm s 20 okretaja i zavojnicu od 20 cm s 15 okreta

Prvo ćete napraviti nekoliko petlji s žicom na vanjskom noktu kako biste učvrstili žicu, a zatim pokrenuti petlju oko zavojnice. Ostavite puno dodatne žice na početku i na kraju zavojnice. Ostavite 3 stope na sigurnom (ovo će vam trebati za spajanje na elektroniku).

Iznenađujuće je teško pratiti broj namota. Pomozite prijatelju da vam pomogne.

Učinite namote zaista zbijenima. Ako završite s labavim namotima, zavojnica će biti u neredu.

Zaista je teško održavati namote u redu (pogotovo ako koristite žicu od 18 žica, 24 žice su lakše rukovati, ali imaju puno više gubitaka). Zato će vam trebati nekoliko ljudi koji će vam pomoći da je držite pritisnutu dok je navijate.

Nakon što završite zavoje, htjet ćete uviti ulaznu i izlaznu žicu kako biste zavojnicu držali stabilno. Zatim zalijepite zavojnicu električnom trakom na nekoliko mjesta.

Kada završite s ovim korakom, trebali biste imati dvije zavojnice, jednu zavojnicu promjera 20 cm i 15 zavoja i jednu zavojnicu promjera 40 cm i 20 zavoja. Zavojnice treba dobro namotati i učvrstiti trakom. Trebali biste ih moći podići i lako rukovati bez da se raspadnu ili odmotaju.

Korak 4: Dodajte žarulju i elektroniku u zavojnicu od 20 cm

Zatim ćete žarulju pričvrstiti na malu zavojnicu. Morate lemiti tri 1uf (1 mikrofarad, ili drugačije rečeno 1 000nF) i jedan 0,47 uF (rečeno na drugačiji način, 470nF) kondenzatora na stupove žarulje. To je ukupno 3.47uF (kondenzatori se zbrajaju paralelno). Ako radite s snažnom verzijom, trebali biste lemiti i 20V dvosmjernu TVS diodu između stupova žarulje kao zaštitu od prenapona.

Nakon što lemite kondenzatore, morate uviti krajeve žice zavojnice do kraja po sredini zavojnice. Žica je dovoljno kruta da podrži žarulju. Nakon što uvrnete žicu do kraja po promjeru, samo ćete odrezati krajeve žice i ostaviti ih otvorene.

Zatim ćete postaviti žarulju u središte upletene žice. Rastavit ćete zavoje, tako da svaka žica dodiruje jedan terminal žarulje. Zatim nožem sastružete žičani emajl, a zatim očistite žicu lemljenjem na stupove žarulje. Obavezno koristite lemljenje jezgre kolofonija. Možda biste htjeli dodati još kolofonija, koji će vam pomoći očistiti komadiće cakline.

Korak 5: Pričvrstite zavojnicu od 40 cm na elektroniku

Zatim ćete morati spojiti zavojnicu od 40 cm na kondenzator od 1uF. Ovdje je prikazana verzija velike snage, gdje sam paralelno spojio 10x 0,1uF kondenzatore kako bih napravio jedan 1uF kondenzator (paralelno se zbrajaju kondenzatori). Kondenzator ide između zavojnice i pozitivnog izlaza pojačala snage. Druga strana zavojnice ide izravno na pojačalo snage GND.

Korak 6: Spojite izvor sinusnog vala na pojačalo i isprobajte

Posljednji korak je stvaranje sinusnog vala. Aplikaciju za generiranje funkcija možete preuzeti na telefon, prijenosno računalo ili radnu površinu. Morat ćete eksperimentirati kako biste pronašli najbolju frekvenciju rada.

Spojite svoj sinusni izvor na audio pojačalo, a zatim priključite audio pojačalo na zavojnicu od 40 cm i kondenzator od 1 uF, i tada bi sve trebalo raditi!

Ako koristite audio pojačalo velike snage (100 W ili više), Budite oprezni! Može generirati vrlo visoke napone veće od +/- 500V. Testirao sam s opsegom visokog napona kako bih se uvjerio da neću eksplodirati kondenzatore. Također je lako šokirati se ako dodirnete izloženi kabel.

Također, ako koristite audio pojačalo velike snage, zavojnicu od 20 cm ne možete približiti zavojnici od 40 cm. Ako su preblizu, TVS dioda ili LED žarulja će izgorjeti zbog prekomjerne snage.

Korak 7: Izradite punjač za bežični telefon

Lako možete promijeniti kolo za punjenje telefona. Napravio sam drugu zavojnicu od 20 cm, a zatim dodao sve krugove. Koristi se isti kondenzator od 3.47uF i TVS dioda. Nakon toga slijedi ispravljač mosta (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), zatim linearni regulator od 5 V (Fairchild LM7805CT), nakon čega slijedi tantalni kondenzator od 47uF. S pojačalom velike snage, krug može lako napuniti vaš telefon s udaljenosti od stope i pol!

Korak 8: Rezultati

Priložene su izmjerene krivulje napona u odnosu na udaljenost.

Dizajn mjerenja i usporedba sa simulacijom i teorijom

Zavojnica 40 cm

• Glavna zavojnica = radijus 0,2 m, promjer 0,4 m. 18 žica kalibra 20 namota
• Teoretski otpor = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohma
• Stvarni otpor = 0,609 ohma. Odstupanje od teorije: +13%
• Simulirana induktivnost = 0,435 mH Stvarna induktivnost: 0,49 mH. Odstupanje od simulacije: +12%

Zavojnica 20 cm

• Prijemna zavojnica = polumjer 0,1 m promjera 0,2 m 18 žica žica 15 namota
• Teoretski otpor = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Stvarni otpor = 0,2490. Odstupanje od simulacije: +19%
• Simulirana induktivnost = 0,105 mH. Stvarni induktivitet = 0,1186 mH. Odstupanje od simulacije: +12%

Korak 9: Simulacija, optimizacija i rasprava

Kako smo simulirali dizajn

Simulirali smo i optimizirali dizajn u 2-D mangetostatskom simulatoru i sa SPICE-om.

Koristili smo besplatni 2-D mangetostatski simulator pod nazivom Infolytica. Ovdje možete besplatno preuzeti:

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

Koristili smo besplatni simulator SPICE pod nazivom LTSPICE. Možete ga preuzeti ovdje:

www.linear.com/designtools/software/

Priložene su datoteke dizajna za oba simulatora.

Rasprava

Ovaj dizajn koristi rezonantni magnetostatski prijenos energije. Pojačalo zvučne snage proizvodi električnu struju koja teče kroz prijenosnu zavojnicu i stvara oscilirajuće magnetsko polje. To magnetsko polje prima prijemna zavojnica i pretvara u električno polje. U teoriji bismo to mogli učiniti bez ikakvih komponenti (tj. Bez kondenzatora). Međutim, učinkovitost je izuzetno niska. U početku smo htjeli napraviti jednostavniji dizajn koji bi koristio samo zavojnice i nikakve druge komponente, međutim, energetska učinkovitost bila je toliko slaba da nije mogla uključiti LED. Tako smo prešli na rezonantni sustav. Kondenzator koji smo dodali rezonira na jednoj posebnoj frekvenciji (u ovom slučaju oko 8 kHz). Na svim ostalim frekvencijama krug je iznimno neučinkovit, ali na točnoj rezonantnoj frekvenciji postaje vrlo učinkovit. Induktor i kondenzator djeluju poput svojevrsnih transformatora. Na zavojnicu za odašiljanje stavljamo mali napon i veliku struju (10Vrms i 15Arms). To na kraju proizvodi> 400Vrms preko kondenzatora, ali pri znatno nižoj struji. To je čarolija rezonantnih krugova! Rezonantni krugovi kvantificirani su "Q faktorom". U zavojnici odašiljača promjera 40 cm izmjereni Q faktor je oko 40, što znači da je to prilično učinkovito.

Simulirali smo i optimizirali zavojnicu pomoću 2-D magnetskog statičkog simulatora tvrtke Infolytica. Taj nam je simulator dao simuliranu induktivnost za svaku zavojnicu i međusobni induktivitet između dvije zavojnice.

Magnetski simulirane vrijednosti:

• Prijenosna zavojnica = 4,35 mH
• Prijemna zavojnica = 0,105 mH
• Međusobna induktivnost = 9,87uH. K = 6,87e-3 (s zavojnicama odvojenim 0,2 m)

Zatim smo uzeli te brojeve i unijeli ih u SPICE kako bismo simulirali električne karakteristike.

Možete preuzeti priložene simulacijske datoteke i pokušati optimizirati i mjeriti!

Također su priloženi grafikoni polja koji prikazuju magnetsko polje koje proizvode zavojnice. Zanimljivo je da iako ulažemo veliku snagu, apsolutna polja su prilično mala (u rasponu miliTesla). To je zato što su polja raširena na velikoj površini. Dakle, ako zbrojite (integrirate) magnetsko polje na velikoj površini, to bi bilo značajno. Ali u bilo kojoj točki volumena to je sićušno. Kao napomenu, ovo je razlog zašto transformatori koriste željezna jezgra, tako da se magnetsko polje koncentrira u jednom području.