Bežično napajanje visokog dometa: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:09

Izgradite bežični sistem prijenosa energije koji može napajati sijalicu ili puniti telefon na udaljenosti do 2 metra! Ovo koristi sistem rezonantne zavojnice za slanje magnetnih polja iz zavojnice za odašiljanje do zavojnice za prijem.

Ovo smo koristili kao demonstraciju za vrijeme propovijedi o Maxwell -ovim Četiri velike jednadžbe u našoj crkvi! Proverite na:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Korak 1: Stvari koje će vam trebati

• Magnetna žica kalibra 18. 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-Warranty-Dimmable-R…

• 1uF kondenzatori (ne elektrolitički, moraju biti nepolarizirani). Ovdje imate neke izbore. Ako napravite verziju male snage, možete nabaviti 250V 1uF kondenzatore od 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)
• Neka vrsta pojačala snage. Koristili smo HI-FI pojačalo snage 450W. Možete koristiti bilo šta od toga do zvučnika za računar. Što više energije iskoristite, to ćete više imati domet.
• Lemljenje i lemljenje. Rezači žice
• Komad šperploče i neki mali ekseri (koriste se za namatanje zavojnica)
• Crna električna traka
• Merna traka i lenjir
• Izolovana žica
• Hammer

• Audio izvor s promjenjivom frekvencijom i amplitudom koji generira sinusni ton od 8 kHz. Lako je koristiti računar, laptop ili telefon sa slobodno dostupnim softverom za generisanje tonova i povezati se sa priključkom 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 (skupocjena oprema za testiranje)

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 prilogu je Digikey popis dijelova koji možete koristiti za verziju sa većim napajanjem. 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 vazduh (to se posebno odnosi na TVS zaštitne diode, koje sam nekoliko puta pušio).

Korak 2: Odvijte zavojnicu

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

Na komadu šperploče morate pomoću kompasa izvući precizan krug od 20 cm i krug od 40 cm.

Čekići za čekiće ravnomerno raspoređeni po krugu. Za krug od 20 cm koristio sam oko 12 eksera, a za krug od 40 cm koristio sam ih oko 16. Na jednom mjestu u krugu poželjet ćete napraviti ulaznu točku koja će držati žicu dok započinjete prvo navijanje. Na tom mjestu zakucajte još jedan ekser blizu jednog eksera, 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 sa žicom na vanjskom noktu kako biste žicu učvrstili, a zatim ćete započeti petlju oko zavojnice. Ostavite puno dodatne žice na početku i na kraju zavojnice. Ostavite 3 stope da biste bili sigurni (ovo će vam trebati za povezivanje s elektronikom).

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

Učinite namotaje zaista čvrstim. 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 okretanje, htjet ćete uviti ulaznu i izlaznu žicu kako biste zavojnicu stabilno držali. 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 okreta i jednu zavojnicu promjera 40 cm i 20 zavoja. Zavojnice treba dobro namotati i pričvrstiti 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 pričvrstiti sijalicu na malu zavojnicu. Morate lemiti tri 1uf (1 mikrofarad, ili drugačije rečeno 1 000nF) i jedan 0,47uF (rečeno drugačije, 470nF) kondenzatora na stubove sijalice. To je ukupno 3.47uF (kondenzatori se zbrajaju paralelno). Ako radite sa snažnom verzijom, trebali biste lemiti i 20V dvosmjernu TVS diodu između stupova žarulje kao zaštitu od prenapona.

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

Zatim ćete postaviti žarulju u središte upletene žice. Razdvojit ćete zavoje, tako da svaka žica dodiruje jedan terminal žarulje. Zatim nožem sastružete žičani emajl, a zatim očistite žicu lemljenjem na stubove 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 direktno na pojačalo snage GND.

Korak 6: Priključite izvor sinusnog vala na pojačalo i isprobajte ga

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

Priključite 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. Lako je i 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 prevelike snage.

Korak 7: Kreirajte 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 5V (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 40cm

• Glavna zavojnica = radijus 0,2 m, prečnik 0,4 m. 18 žica 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 = 0.435mH Stvarna induktivnost: 0.49mH. Odstupanje od simulacije: +12%

Zavojnica 20 cm

• Prijemna zavojnica = radijus 0,1m promjera 0,2m promjera 18 žica sa 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. Stvarna induktivnost = 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 mangetostatičkom simulatoru i sa SPICE-om.

Koristili smo besplatni 2-D mangetostatički simulator pod nazivom Infolytica. Možete besplatno preuzeti ovdje:

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

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

www.linear.com/designtools/software/

U prilogu su datoteke dizajna za oba simulatora.

Diskusija

Ovaj dizajn koristi rezonantni magnetostatički prijenos energije. Pojačalo audio snage proizvodi električnu struju koja teče kroz zavojnicu koja odašilje i stvara oscilirajuće magnetsko polje. To magnetsko polje prima prijemna zavojnica i pretvara se u električno polje. U teoriji bismo to mogli učiniti bez ikakvih komponenti (tj. Bez kondenzatora). Međutim, efikasnost je izuzetno niska. U početku smo htjeli napraviti jednostavniji dizajn koji bi koristio samo zavojnice i nikakve druge komponente, međutim, energetska efikasnost je bila toliko loša da nije mogla uključiti LED. Pa smo prešli na rezonantni sistem. Kondenzator koji smo dodali rezonira na jednoj određenoj frekvenciji (u ovom slučaju na oko 8 kHz). Na svim ostalim frekvencijama krug je izuzetno neefikasan, ali na tačnoj rezonantnoj frekvenciji postaje vrlo efikasan. 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 magija rezonantnih kola! Rezonantna kola se kvantificiraju pomoću "Q faktora". U zavojnici predajnika promjera 40 cm izmjereni Q faktor je oko 40, što znači da je to prilično efikasno.

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

Magnetski simulirane vrijednosti:

• Prijenosna zavojnica = 4,35 mH
• Prijemna zavojnica = 0,105 mH
• Međusobna induktivnost = 9.87uH. K = 6,87e-3 (sa 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 milliTesla opsegu). To je zato što su polja rasprostranjena na velikoj površini. Dakle, ako zbrojite (integrirate) magnetsko polje na velikoj površini, to bi bilo značajno. Ali u bilo kojoj tački volumena je sićušan. Kao napomenu, ovo je razlog zašto transformatori koriste željezna jezgra, tako da se magnetsko polje koncentrira u jednom području.