Nagy hatótávolságú vezeték nélküli teljesítmény: 9 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Építsen vezeték nélküli erőátviteli rendszert, amely akár 2 méteres távolságból is képes villanykörtét táplálni vagy tölteni! Ez rezonancia tekercs rendszert használ a mágneses mezők küldésére az adó tekercsből a fogadó tekercsbe.

Ezt demóként használtuk a Maxwell négy nagy egyenletéről szóló prédikációnk során a templomunkban! Nézze meg itt:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

1. lépés: A szükséges dolgok

• 18 -as mágneses huzal. Ne feledje, hogy nem használhat hagyományos huzalt, mágneses huzalt kell használnia (amely nagyon vékony zománcszigeteléssel rendelkezik). Egy példa elérhető az Amazon -on itt:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6 W (vagy kevesebb) AC/DC 12 V -os tompítható LED -es izzó. Egy példa itt:

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

• 1uF kondenzátorok (nem elektrolitikus, nem polarizált). Itt van néhány választásod. Ha kis teljesítményű verziót épít, 250 V -os 1uF kondenzátorokat szerezhet be a Radio Shack -től vagy a Frys -tól. Ha nagy teljesítményű változatot szeretne építeni, akkor speciális 560 V -os kondenzátorokat kell beszereznie a Digikey -től.
• 0,47uF kondenzátor (nem elektrolitikus, nem polarizált)
• Valamilyen erősítő. 450 W-os HI-FI erősítőt használtunk. Ettől kezdve bármit használhat a PC hangszóróig. Minél több energiát használ, annál nagyobb hatótávolságot ér el.
• Forrasztó és forrasztópáka. Drótvágók
• Egy darab rétegelt lemez és néhány kis köröm (tekercsek tekercseléséhez)
• Fekete elektromos szalag
• Mérőszalag és vonalzó
• Szigetelt huzal
• Kalapács

• Hangforrás változó frekvenciával és amplitúdóval, 8 khz szinuszos hangot generálva. Könnyen használható a PC, a laptop vagy a telefon szabadon elérhető hanggeneráló szoftverrel, és csatlakoztatható a fejhallgató -csatlakozóhoz. Mac -et használtam ezzel a szoftverrel:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Vagy használhatja ezt a szoftvert számítógéphez: Funkciógenerátort is használhat, ha rendelkezik ilyennel (drága tesztberendezés)

NTE kondenzátor alkatrészlista (az alacsony fogyasztású változathoz). Ezeket az alkatrészeket beszerezheti a Frys -nál

3 x 1uF 50V kondenzátor, NTE CML105M50 (az izzóhoz és a kis tekercshez való rögzítéshez)

1 x 0.47uF 50V kondenzátor, NTE CML474M50 (az izzóhoz és a kis tekercshez 1uF kupakkal párhuzamosan rögzíthető)

1 x 1uF 250V kondenzátor, NTE MLR105K250 (a nagy tekercshez rögzíthető)

Digikey Order (a nagy teljesítményű verzióhoz)

A mellékelt Digikey alkatrészlista a nagyobb teljesítményű változathoz használható. Ezek a kondenzátorok 560 V -ig terjednek, ami lehetővé teszi ~ 500 W -os erősítő használatát, és közel két láb hatótávolságot ér el. A mellékelt változat csak a minimális alkatrészeket tartalmazza. Amíg Digikey rendelést rendel, rendeljen néhány extrát, ha hibázik vagy felrobbant egyet (ez különösen igaz a TVS védő diódákra, amelyeket többször elszívtam).

2. lépés: Készítse el a tekercselőt

A tekercsek feltekeréséhez keretre van szükség a tekercseléshez.

Egy rétegelt lemezre iránytű segítségével pontos 20 cm -es és 40 cm -es kört rajzolhat ki.

Kalapácsszegek egyenletesen elosztva a kör körül. A 20 cm -es körhöz 12 körmöt használtam, a 40 cm -es körhöz pedig 16 -ot. A kör egyik pontján olyan belépési pontot kell létrehoznia, amely megtartja a vezetéket az első tekercselés kezdetekor. Ezen a helyen kalapáljon egy másik szöget az egyik köröm közelébe, majd egy másikat néhány centiméterrel arrébb.

3. lépés: Tekerje fel a 40 cm -es tekercset 20 fordulattal, a 20 cm -es tekercset pedig 15 fordulattal

Először készítsen néhány hurkot a huzallal a külső szögen, hogy rögzítse a vezetéket, majd indítsa el a hurkot a tekercs körül. Győződjön meg róla, hogy sok extra vezetéket hagy a tekercs elején és végén. Hagyjon 3 lábat biztonságban (erre szüksége lesz az elektronika csatlakoztatásához).

Meglepően nehéz nyomon követni a tekercsek számát. Használj egy barátot, hogy segítsen.

A tekercseket TÉNYLEG feszessé kell tenni. Ha laza tekercseléssel végez, a tekercs rendetlenség lesz.

Tényleg nehéz rendben tartani a tekercseket (különösen, ha 18 mérőhuzalt használ, a 24 drótmérőt könnyebb kezelni, de sokkal nagyobb a vesztesége). Szükséged lesz néhány emberre, hogy segítsenek lenyomni, miközben feltekered.

A fordulatok befejezése után meg kell csavarni a bemeneti vezetéket és a kimeneti vezetéket, hogy stabilan tartsa a tekercset. Ezután ragasztja le a tekercset elektromos szalaggal több helyen.

Ha befejezte ezt a lépést, akkor két tekercset kell használnia, egy tekercset 20 cm átmérővel és 15 fordulattal, és egy tekercset 40 cm átmérővel és 20 fordulattal. A tekercseket szorosan fel kell tekerni, és ragasztóval kell rögzíteni. Képesnek kell lennie arra, hogy felvegye és könnyen kezelje őket anélkül, hogy szétesne vagy letekeredne.

4. lépés: Adja hozzá a villanykörtét és az elektronikát a 20 cm -es tekercshez

Ezután rögzítse az izzót a kis tekercshez. Három 1uf (1 mikrofarad, vagy másképp 1 000nF) és egy 0,47uF (másképpen 470nF) kondenzátort kell forrasztani az izzóoszlopokhoz. Ez összesen 3.47uF (párhuzamosan összeadódnak a kondenzátorok). Ha a nagy teljesítményű verziót használja, akkor 20V -os kétirányú TVS -diódát is forrasztania kell az izzóoszlopok közé túlfeszültség elleni védelemként.

A kondenzátorok forrasztása után a tekercs huzalának végét teljesen el kell csavarni a tekercs közepén. A huzal elég merev ahhoz, hogy eltartsa az izzót. Miután teljesen átforgatta a vezetéket az átmérőn, csak levágja a huzal végeit, és nyitva hagyja őket.

Ezután helyezze az izzót a csavart huzal közepére. Húzza szét a fordulatokat úgy, hogy minden vezeték hozzáér a villanykörte egyik csatlakozójához. Ezután késsel lekaparja a drótzománcot, majd a megtisztított drótot az izzóoszlopokhoz forrasztja. Győződjön meg róla, hogy gyantamag forrasztót használ. Érdemes extra gyantát hozzáadni, ami segít megtisztítani a zománcdarabokat.

Lépés: Csatlakoztassa a 40 cm -es tekercset az elektronikához

Ezután csatlakoztatnia kell a 40 cm -es tekercset egy 1uF kondenzátorhoz. Itt látható a nagy teljesítményű változat, ahol párhuzamosan 10x 0,1uF kondenzátort csatlakoztattam egy 1uF kondenzátor előállításához (a párhuzamos kondenzátorok összeadódnak). A kondenzátor a tekercs és a teljesítményerősítő pozitív kimenete között megy. A tekercs másik oldala közvetlenül a GND teljesítményerősítőhöz megy.

6. lépés: Csatlakoztassa a szinuszhullámú forrást egy erősítőhöz, és próbálja ki

Az utolsó lépés egy szinuszhullám létrehozása. Letölthet egy funkciógeneráló alkalmazást telefonjára, laptopjára vagy asztalára. Érdemes kísérletezni, hogy megtalálja a legjobb működési gyakoriságot.

Csatlakoztassa a szinuszforrást az audio teljesítményerősítőhöz, majd csatlakoztassa az audio teljesítményerősítőt a 40 cm -es tekercshez és az 1uF kondenzátorhoz, és akkor mindennek működnie kell!

Ha nagyteljesítményű (100 W vagy nagyobb) audioerősítőt használ, FIGYELEM! Nagyon magas, +/- 500 V-ot meghaladó feszültséget tud generálni. Nagyfeszültségű vizsgálattal ellenőriztem, hogy nem fogom -e felrobbantani a kondenzátorokat. Az is könnyű megdöbbenni, ha megérint egy nyitott vezetéket.

Továbbá, ha nagy teljesítményű audioerősítőt használ, nem tudja a 20 cm -es tekercset túl közel vinni a 40 cm -es tekercshez. Ha túl közel vannak, a TVS dióda vagy a LED izzó kiég a túl nagy teljesítmény miatt.

7. lépés: Hozza létre a vezeték nélküli telefon töltőt

Könnyen módosíthatja az áramkört a telefon töltésére. Építettem egy második 20 cm -es tekercset, majd hozzáadtam az összes áramkört. Ugyanazt a 3,47uF kondenzátort és TVS diódát használják. Ezt követi egy híd egyenirányító (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), majd egy 5 V-os lineáris szabályozó (Fairchild LM7805CT), majd egy 47uF-os tantál kondenzátor. A nagy teljesítményű erősítővel az áramkör másfél láb távolságból is könnyedén feltöltheti telefonját!

8. lépés: Az eredmények

A mért feszültség -távolság görbék csatolva vannak.

Tervezési mérések és összehasonlítás a szimulációval és az elmélettel

40 cm -es tekercs

• Főtekercs = 0,2 m sugarú, 0,4 m átmérőjű. 18 méteres huzal 20 tekercs
• Elméleti ellenállás = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohm
• Tényleges ellenállás = 0,609 ohm. Eltérés az elmélettől: +13%
• Szimulált induktivitás = 0,435mH Tényleges induktivitás: 0,49mH. Eltérés a szimulációtól: +12%

20 cm -es tekercs

• Fogadótekercs = 0,1 m sugarú 0,2 m átmérőjű 18 mérőhuzal 15 tekercs
• Elméleti ellenállás = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Tényleges ellenállás = 0,2490. Eltérés a szimulációtól: +19%
• Szimulált induktivitás = 0,105mH. Tényleges induktivitás = 0,1186 mH. Eltérés a szimulációtól: +12%

9. lépés: Szimuláció, optimalizálás és vita

Hogyan szimuláltuk a tervezést

Szimuláltuk és optimalizáltuk a tervezést egy 2-D mangetosztatikus szimulátorban, és a SPICE segítségével.

Az ingyenes, 2-D mangetosztatikus szimulátort használtuk, Infolytica néven. Itt ingyen letöltheti:

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

Az ingyenes LICEPICE szimulátort használtuk. Letöltheti innen:

www.linear.com/designtools/software/

Mindkét szimulátor tervezési fájlja csatolva van.

Vita

Ez a kialakítás rezonáns magnetosztatikus erőátvitelt használ. Az audio erősítő elektromos áramot termel, amely áthalad az adó tekercsen, és rezgő mágneses mezőt hoz létre. Ezt a mágneses mezőt a fogadó tekercs fogadja, és elektromos mezővé alakítja. Elméletileg ezt megtehetnénk alkatrészek (azaz kondenzátorok nélkül) nélkül. A hatékonyság azonban rendkívül alacsony. Kezdetben egy egyszerűbb konstrukciót akartunk készíteni, amely csak a tekercseket használja, és nem tartalmaz más alkatrészeket, azonban az energiahatékonyság olyan gyenge volt, hogy nem tudta bekapcsolni a LED -et. Így áttértünk egy rezonáns rendszerre. A hozzáadott kondenzátor egy bizonyos frekvencián rezonál (ebben az esetben körülbelül 8 kHz). Minden más frekvencián az áramkör rendkívül nem hatékony, de a pontos rezonancia frekvencián nagyon hatékony lesz. Az induktivitás és a kondenzátor valamilyen transzformátorként működik. Az átviteli tekercsen kis feszültséget és nagy áramot (10Vrms és 15Arms) helyezünk. Ennek eredményeként a kondenzátoron keresztül> 400Vrms keletkezik, de sokkal alacsonyabb árammal. Ez a rezonáns áramkörök varázsa! A rezonáns áramköröket a "Q tényező" számszerűsíti. A 40 cm átmérőjű adó -tekercsben a mért Q -tényező körülbelül 40, vagyis ez elég hatékony.

Szimuláltuk és optimalizáltuk a tekercset az Infolytica 2-D mágneses statikus szimulátorával. Ez a szimulátor szimulált induktivitást adott nekünk minden tekercshez, és a két tekercs közötti kölcsönös induktivitást.

Mágneses szimulált értékek:

• Átviteli tekercs = 4,35mH
• Fogadótekercs = 0,105mH
• Kölcsönös induktivitás = 9,87uH. K = 6.87e-3 (a tekercseket 0,2 m választja el egymástól)

Ezután felvettük ezeket a számokat, és betápláltuk őket a SPICE -ba, hogy szimuláljuk az elektromos jellemzőket.

Letöltheti a mellékelt szimulációs fájlokat, és megpróbálhatja optimalizálni és mérni!

Szintén csatolva vannak a terepi ábrák, amelyek a tekercsek által létrehozott mágneses teret mutatják. Érdekes, hogy bár sok energiát fektetünk be, az abszolút mezők meglehetősen kicsik (a milliTesla tartományban). Ez azért van, mert a mezők nagy felületen vannak elosztva. Tehát ha összeadja (integrálja) a mágneses mezőt a nagy felületen, az jelentős lenne. De a kötet bármely pontján apró. Mellékben megjegyzem, hogy ezért a transzformátorok vasmagokat használnak, így a mágneses mező egy területre koncentrálódik.