Zasilanie bezprzewodowe o dużym zasięgu: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Zbuduj system bezprzewodowej transmisji mocy, który może zasilać żarówkę lub ładować telefon z odległości do 2 stóp! Wykorzystuje system cewek rezonansowych do wysyłania pól magnetycznych z cewki nadawczej do cewki odbiorczej.

Wykorzystaliśmy to jako demonstrację podczas kazania na temat Czterech Wielkich Równań Maxwella w naszym kościele! Sprawdź to na:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Krok 1: Rzeczy, których będziesz potrzebować

• Przewód magnetyczny o grubości 18 mm. Zauważ, że nie możesz użyć zwykłego drutu, musisz użyć drutu magnetycznego (który ma bardzo cienką izolację emaliowaną). Jeden przykład jest dostępny na Amazon tutaj:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Ściemnialna żarówka LED o mocy 6 W (lub mniej) AC/DC 12 V. Oto jeden przykład:

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

• Kondensatory 1uF (nie elektrolityczne, muszą być niespolaryzowane). Masz tu kilka możliwości. Jeśli zbudujesz wersję o małej mocy, możesz dostać kondensatory 250V 1uF z Radio Shack lub Frys. Jeśli chcesz zbudować wersję o dużej mocy, będziesz musiał zaopatrzyć się w specjalne kondensatory 560V firmy Digikey.
• Kondensator 0,47uF (nie elektrolityczny, musi być niespolaryzowany)
• Jakiś wzmacniacz mocy. Użyliśmy wzmacniacza mocy HI-FI 450W. Możesz użyć wszystkiego, od tego do głośnika PC. Im więcej użyjesz mocy, tym większy zasięg z niej uzyskasz.
• Lutowane i lutowane żelazo. Nożyce do drutu
• Kawałek sklejki i kilka małych gwoździ (używanych do nawijania cewek)
• Czarna taśma elektryczna
• Miarka i linijka
• Izolowany drut
• Młotek

• Źródło dźwięku o zmiennej częstotliwości i amplitudzie, które generuje dźwięk sinusoidalny 8 kHz. Łatwo jest korzystać z komputera, laptopa lub telefonu z ogólnodostępnym oprogramowaniem do generowania tonów i podłączyć do gniazda słuchawkowego. Użyłem Maca z tym oprogramowaniem:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…Lub możesz użyć tego oprogramowania na PC:Możesz również użyć generatora funkcji, jeśli go masz (drogi sprzęt testowy)

Lista części kondensatorów NTE (dla wersji o małej mocy). Te części możesz zdobyć u Frysa

Kondensator 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (do podłączenia do żarówki i małej cewki)

1 x kondensator 0,47uF 50V, NTE CML474M50 (do podłączenia do żarówki i małej cewki równolegle z nasadkami 1uF)

1 x kondensator 1uF 250V, NTE MLR105K250 (do podłączenia do dużej cewki)

Zamówienie Digikey (dla wersji o dużej mocy)

Dołączona jest lista części Digikey, której można użyć w wersji o wyższej mocy. Kondensatory te osiągają napięcie do 560 V, co pozwala na użycie wzmacniacza o mocy ~500 W i uzyskanie prawie dwóch stóp zasięgu. Załączona wersja zawiera tylko minimalne części. Tak długo, jak robisz zamówienie Digikey, zamów dodatki na wypadek pomyłki lub wysadzenia jednego (dotyczy to szczególnie diod zabezpieczających TVS, które paliłem kilka razy).

Krok 2: Zrób nawijacz cewki

Do nawijania cewek potrzebna jest rama do ich nawijania.

Na kawałku sklejki należy za pomocą cyrkla narysować precyzyjne koło 20 cm i precyzyjne koło 40 cm.

Gwoździe młotkowe równomiernie rozmieszczone wokół koła. Do koła 20 cm użyłem około 12 gwoździ, a do koła 40 cm około 16. W jednym miejscu koła będziesz chciał zrobić punkt wejścia, który przytrzyma drut podczas rozpoczynania pierwszego nawijania. W tym miejscu wbij kolejny gwóźdź blisko jednego gwoździa, a następnie drugi kilka cali dalej.

Krok 3: Nawiń 40cm cewkę 20 zwojami, a 20cm cewkę 15 zwojami

Najpierw zrobisz kilka pętli z drutem na zewnętrznym gwoździu, aby zakotwiczyć drut, a następnie zacznij pętlę wokół cewki. Upewnij się, że zostawiłeś dużo dodatkowego drutu na początku i na końcu cewki. Zostaw 3 stopy, aby być bezpiecznym (będziesz potrzebował tego, aby podłączyć się do elektroniki).

Zaskakująco trudno jest śledzić liczbę uzwojeń. Skorzystaj z pomocy znajomego.

Spraw, aby uzwojenia były NAPRAWDĘ ciasne. Jeśli skończysz z luźnymi uzwojeniami, cewka będzie bałaganem.

Naprawdę trudno jest utrzymać uzwojenia w porządku (zwłaszcza jeśli używasz drutu o grubości 18, drut o średnicy 24 jest łatwiejszy w obsłudze, ale ma znacznie większe straty). Potrzebujesz więc kilku osób, które pomogą Ci go przytrzymać podczas nakręcania.

Po zakończeniu zwojów będziesz chciał skręcić przewód wlotowy i przewód wylotowy, aby utrzymać cewkę stabilnie. Następnie oklej cewkę taśmą elektryczną w kilku miejscach.

Po wykonaniu tego kroku powinieneś mieć dwie cewki, jedną cewkę o średnicy 20cm i 15 zwojach oraz jedną o średnicy 40cm i 20 zwojach. Cewki powinny być ciasno nawinięte i zabezpieczone taśmą. Powinieneś być w stanie je podnieść i łatwo je obsługiwać, bez ich rozpadania się lub rozwijania.

Krok 4: Dodaj żarówkę i elektronikę do cewki 20 cm

Następnie przymocujesz żarówkę do małej cewki. Musisz przylutować trzy kondensatory 1uf (1 mikrofarad, inaczej 1000nF) i jeden 0,47uF (odmiennie 470nF) do słupków żarówek. To łącznie 3,47uF (kondensatory sumują się równolegle). Jeśli robisz wersję o dużej mocy, powinieneś również wlutować dwukierunkową diodę TVS 20V pomiędzy słupkami żarówki jako zabezpieczenie przed przepięciem.

Po przylutowaniu kondensatorów należy skręcić końce drutu cewki przez środek cewki. Drut jest wystarczająco sztywny, aby utrzymać żarówkę. Po skręceniu drutu przez całą średnicę, po prostu odetniesz końce drutu i zostawisz je otwarte.

Następnie umieścisz żarówkę na środku skręconego drutu. Rozerwiesz skręty, tak aby każdy przewód dotykał jednego zacisku żarówki. Następnie zeskrobujesz emalię z drutu nożem, a następnie lutujesz oczyszczony drut do słupków żarówek. Upewnij się, że używasz lutu z rdzeniem kalafonii. Możesz dodać dodatkową kalafonię, która pomoże oczyścić kawałki szkliwa.

Krok 5: Podłącz cewkę 40 cm do elektroniki

Następnie musisz podłączyć cewkę 40cm do kondensatora 1uF. Pokazano tutaj wersję o dużej mocy, w której połączyłem równolegle 10 kondensatorów 0,1uF, aby uzyskać jeden kondensator 1uF (kondensatory równolegle sumują się). Kondensator znajduje się między cewką a dodatnim wyjściem wzmacniacza mocy. Druga strona cewki trafia bezpośrednio do GND wzmacniacza mocy.

Krok 6: Podłącz źródło fali sinusoidalnej do wzmacniacza mocy i wypróbuj

Ostatnim krokiem jest stworzenie fali sinusoidalnej. Możesz pobrać aplikację generatora funkcji na swój telefon, laptop lub komputer stacjonarny. Będziesz chciał poeksperymentować, aby znaleźć najlepszą częstotliwość operacji.

Podłączasz swoje źródło sinusoidalne do wzmacniacza mocy audio, a następnie podłączasz końcówkę mocy audio do cewki 40cm i kondensatora 1uF i wtedy wszystko powinno działać!

Jeśli używasz wzmacniacza audio o dużej mocy (100 W lub większej), BĄDŹ OSTROŻNY! Może generować bardzo wysokie napięcia przekraczające +/-500V. Przetestowałem z zakresem wysokiego napięcia, aby upewnić się, że nie zamierzam wysadzić kondensatorów. Łatwo też doznać szoku, jeśli dotkniesz odsłoniętego ołowiu.

Ponadto, jeśli używasz wzmacniacza audio o dużej mocy, nie możesz zbliżyć cewki 20cm zbyt blisko cewki 40cm. Jeśli są zbyt blisko, dioda TVS lub żarówka LED spali się z powodu nadmiernej mocy.

Krok 7: Utwórz bezprzewodową ładowarkę do telefonu

Możesz łatwo zmodyfikować obwód, aby naładować telefon. Zbudowałem drugą cewkę 20cm, a następnie dodałem wszystkie obwody. Zastosowano ten sam kondensator 3,47uF i diodę TVS. Za nim znajduje się prostownik mostkowy (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), następnie regulator liniowy 5 V (Fairchild LM7805CT), a następnie kondensator tantalowy 47 uF. Dzięki wzmacniaczowi o dużej mocy obwód może z łatwością ładować telefon z odległości półtora stopy!

Krok 8: Wyniki

Załączone są krzywe zmierzonego napięcia w funkcji odległości.

Pomiary projektowe oraz porównanie z symulacją i teorią

Cewka 40 cm

• Cewka główna = promień 0,2m, średnica 0,4m. Przewód o grubości 18, 20 zwojów
• Rezystancja teoretyczna = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 omów
• Rzeczywista rezystancja = 0,609 oma. Odchylenie od teorii: +13%
• Symulowana indukcyjność = 0,435mH Rzeczywista indukcyjność: 0,49mH. Odchylenie od symulacji: +12%

Cewka 20 cm

• Cewka odbiorcza = 0.1m promień 0.2m średnica 18 drutów 15 zwojów
• Opór teoretyczny = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Rzeczywista rezystancja = 0,2490. Odchylenie od symulacji: +19%
• Symulowana indukcyjność = 0,105 mH. Rzeczywista indukcyjność = 0,1186mH. Odchylenie od symulacji: +12%

Krok 9: Symulacja, optymalizacja i dyskusja

Jak symulowaliśmy projekt

Przesymulowaliśmy i zoptymalizowaliśmy projekt w dwuwymiarowym symulatorze mangetostatycznym oraz SPICE.

Wykorzystaliśmy darmowy symulator mangetostatyczny 2D o nazwie Infolytica. Możesz pobrać bezpłatnie tutaj:

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

Wykorzystaliśmy darmowy symulator SPICE o nazwie LTSPICE. Możesz go pobrać tutaj:

www.linear.com/designtools/software/

W załączeniu pliki projektowe dla obu symulatorów.

Dyskusja

Ta konstrukcja wykorzystuje rezonansową magnetostatyczną transmisję mocy. Wzmacniacz mocy audio wytwarza prąd elektryczny, który przepływa przez cewkę nadawczą i generuje oscylujące pole magnetyczne. To pole magnetyczne jest odbierane przez cewkę odbiorczą i zamieniane w pole elektryczne. Teoretycznie moglibyśmy to zrobić bez żadnych komponentów (czyli bez kondensatorów). Jednak wydajność jest wyjątkowo niska. Początkowo chcieliśmy stworzyć prostszy projekt, który używałby tylko cewek i żadnych innych komponentów, jednak wydajność energetyczna była tak słaba, że nie można było włączyć diody LED. Więc przeszliśmy do systemu rezonansowego. Kondensator, który dodaliśmy, rezonuje z jedną szczególną częstotliwością (w tym przypadku około 8 kHz). Przy wszystkich innych częstotliwościach obwód jest wyjątkowo nieefektywny, ale przy dokładnej częstotliwości rezonansowej staje się bardzo wydajny. Cewka indukcyjna i kondensator działają jak swego rodzaju transformator. Na cewce nadawczej umieszczamy małe napięcie i duży prąd (10Vrms i 15Arms). To kończy się wytwarzaniem >400Vrms na kondensatorze, ale przy znacznie niższym prądzie. To magia obwodów rezonansowych! Obwody rezonansowe są określane ilościowo przez „współczynnik Q”. W cewce nadajnika o średnicy 40 cm zmierzony współczynnik dobroci wynosi około 40, co oznacza, że jest to dość wydajne.

Przesymulowaliśmy i zoptymalizowaliśmy cewkę za pomocą dwuwymiarowego magnetostatycznego symulatora Infolytica. Ten symulator dał nam symulowaną indukcyjność dla każdej cewki i wzajemną indukcyjność między dwiema cewkami.

Symulowane wartości magnetyczne:

• Cewka nadawcza = 4,35 mH
• Cewka odbiorcza = 0,105 mH
• Indukcyjność wzajemna = 9,87uH. K=6,87e-3 (z cewkami oddzielonymi 0,2m)

Następnie wzięliśmy te liczby i wprowadziliśmy je do SPICE, aby zasymulować charakterystykę elektryczną.

Możesz pobrać załączone pliki symulacji i spróbować dokonać optymalizacji i pomiarów!

Dołączone są również wykresy pola, które pokazują pole magnetyczne wytwarzane przez cewki. Ciekawe, że chociaż wkładamy dużo mocy, pola bezwzględne są dość małe (w zakresie miliTesli). Dzieje się tak, ponieważ pola są rozłożone na dużej powierzchni. Więc jeśli zsumujesz (zintegrujesz) pole magnetyczne na dużej powierzchni, będzie to znaczne. Ale w dowolnym momencie tomu jest malutkie. Na marginesie, dlatego transformatory wykorzystują żelazne rdzenie, aby pole magnetyczne było skoncentrowane w jednym obszarze.