Беспроводная мощность в высоком диапазоне: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Создайте систему беспроводной передачи энергии, которая может питать лампочку или заряжать телефон с расстояния до 2 футов! Это использует систему резонансных катушек для отправки магнитных полей от передающей катушки к приемной катушке.

Мы использовали это как демонстрацию во время проповеди о Четырех великих уравнениях Максвелла в нашей церкви! Проверьте это по адресу:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Шаг 1. Вещи, которые вам понадобятся

• Магнитный провод 18 калибра. Обратите внимание, что нельзя использовать обычный провод, необходимо использовать магнитный провод (с очень тонкой эмалевой изоляцией). Один из примеров доступен на Amazon здесь:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Светодиодная лампа мощностью 6 Вт (или меньше) переменного / постоянного тока 12 В с регулируемой яркостью. Вот один пример:

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

• Конденсаторы емкостью 1 мкФ (не электролитические, должны быть неполяризованными). У вас есть выбор. Если вы создаете версию с низким энергопотреблением, вы можете получить конденсаторы 250 В 1 мкФ от Radio Shack или Frys. Если вы хотите создать версию с высокой мощностью, вам понадобятся специальные конденсаторы на 560 В от Digikey.
• Конденсатор 0,47 мкФ (не электролитический, должен быть неполяризованным)
• Какой-то усилитель мощности. Мы использовали усилитель мощности HI-FI мощностью 450 Вт. Вы можете использовать что угодно, от этого до динамика ПК. Чем больше мощности вы используете, тем больший радиус действия вы получите.
• Припой и паяльник. Кусачки
• Кусок фанеры и небольшие гвозди (используются для намотки катушек)
• Черная изолента
• Измерительная лента и линейка
• Изолированный провод
• Молоток

• Источник звука с переменной частотой и амплитудой, генерирующий синусоидальный тон 8 кГц. Легко использовать ПК, ноутбук или телефон со свободно доступным программным обеспечением тональной генерации и подключаться к разъему для наушников. Я использовал Mac с этим программным обеспечением:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det … Или вы можете использовать это программное обеспечение для ПК: вы также можете использовать генератор функций, если он у вас есть (дорогостоящее тестовое оборудование)

Список деталей конденсатора NTE (для маломощной версии). Вы можете получить эти детали в магазине Frys

Конденсатор 3 x 1 мкФ 50 В, NTE CML105M50 (для крепления к лампочке и маленькой катушке)

1 конденсатор 0,47 мкФ 50 В, NTE CML474M50 (для подключения к лампочке и небольшой катушке параллельно с конденсаторами 1 мкФ)

1 х 1 мкФ 250 В конденсатор, NTE MLR105K250 (для подключения к большой катушке)

Digikey Order (для версии повышенной мощности)

Прилагается список деталей Digikey, который вы можете использовать для более мощной версии. Эти конденсаторы имеют напряжение до 560 В, что позволяет использовать усилитель мощностью ~ 500 Вт и увеличивать дальность действия почти два фута. Прилагаемая версия включает только минимум деталей. Пока вы делаете заказ Digikey, закажите дополнительные принадлежности на случай, если вы ошибетесь или взорвете один (это особенно верно в отношении защитных диодов TVS, которые я выкурил несколько раз).

Шаг 2: Сделайте намотчик катушки

Чтобы намотать катушки, вам понадобится рама, чтобы намотать их.

На куске фанеры вам нужно с помощью циркуля начертить круг диаметром 20 см и круг диаметром 40 см.

Забейте гвозди, равномерно расположенные по кругу. Для круга 20 см я использовал около 12 гвоздей, а для круга 40 см - около 16. В одном месте круга вы захотите сделать точку входа, которая будет удерживать проволоку, пока вы начинаете первую намотку.. В этом месте забейте еще один гвоздь рядом с одним гвоздем, затем еще один на расстоянии пары дюймов.

Шаг 3: Намотайте 40-сантиметровую катушку на 20 витков и 20-сантиметровую катушку на 15 витков

Сначала вы сделаете несколько петель из проволоки на внешнем гвозде, чтобы закрепить проволоку, а затем запустите петлю вокруг катушки. Убедитесь, что вы оставили много лишнего провода в начале и конце катушки. Оставьте 3 фута на всякий случай (это понадобится для подключения к электронике).

На удивление сложно отследить количество витков. Используйте друга, чтобы помочь вам.

Сделайте обмотки ДЕЙСТВИТЕЛЬНО тугими. Если в конечном итоге у вас будут ослабленные обмотки, катушка будет в беспорядке.

Очень сложно содержать обмотки в порядке (особенно если вы используете провод 18 калибра, сечение провода 24 калибра легче в обращении, но потери намного больше). Поэтому вам понадобится несколько человек, которые помогут вам удерживать его при намотке.

После того, как вы закончите повороты, вы захотите скрутить входной и выходной провод, чтобы удерживать катушку устойчиво. Затем обмотайте катушку изолентой в нескольких местах.

Когда вы закончите с этим шагом, у вас должно быть две катушки: одна катушка диаметром 20 см и 15 витками и одна катушка диаметром 40 см и 20 витками. Катушки должны быть плотно намотаны и закреплены лентой. Вы должны уметь подбирать их и легко обращаться с ними, чтобы они не развалились и не раскрутились.

Шаг 4: Добавьте лампочку и электронику к 20-сантиметровой катушке

Затем вы прикрепите лампочку к маленькой катушке. Вам нужно припаять три конденсатора емкостью 1 мкФ (1 микрофарад, или, иначе говоря, 1000 нФ) и один конденсатор 0,47 мкФ (иначе говоря, 470 нФ) к клеммам лампочки. Это всего 3,47 мкФ (конденсаторы складываются параллельно). Если вы используете версию с высокой мощностью, вам также следует припаять двунаправленный TVS-диод на 20 В между выводами лампочки для защиты от перенапряжения.

После того, как вы припаяете конденсаторы, вам нужно скрутить концы провода катушки до упора в центре катушки. Провод достаточно жесткий, чтобы выдержать лампочку. После того, как вы скрутите проволоку по всему диаметру, вам нужно просто обрезать концы проволоки и оставить их открытыми.

Затем поместите лампочку в центр скрученного провода. Вы разорвите витки так, чтобы каждый провод касался одного вывода лампочки. Затем вы соскабливаете ножом эмаль с проволоки, а затем припаиваете очищенный провод к клеммам лампочки. Убедитесь, что вы используете канифольный припой для сердечников. Возможно, вы захотите добавить дополнительную канифоль, которая поможет очистить кусочки эмали.

Шаг 5: Присоедините 40-сантиметровую катушку к электронике

Затем вам нужно подключить катушку 40 см к конденсатору 1 мкФ. Здесь показана версия с высокой мощностью, в которой я подключил 10 конденсаторов по 0,1 мкФ параллельно, чтобы получить один конденсатор 1 мкФ (конденсаторы, включенные параллельно, складываются). Конденсатор находится между катушкой и положительным выходом усилителя мощности. Другая сторона катушки идет прямо на GND усилителя мощности.

Шаг 6: Подключите источник синусоидальной волны к усилителю мощности и попробуйте

Последний шаг - создать синусоидальную волну. Вы можете скачать приложение-генератор функций на свой телефон, ноутбук или настольный компьютер. Вы захотите поэкспериментировать, чтобы найти лучшую частоту работы.

Вы подключаете свой синусоидальный источник к усилителю мощности звука, а затем подключаете усилитель мощности звука к катушке 40 см и конденсатору 1 мкФ, и тогда все должно работать!

Если вы используете аудиоусилитель высокой мощности (100 Вт или больше), БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ! Он может генерировать очень высокое напряжение, превышающее +/- 500 В. Я проверил с помощью высоковольтного прицела, чтобы убедиться, что я не собираюсь взорвать конденсаторы. Также легко получить шок, если прикоснуться к оголенному проводу.

Кроме того, если вы используете аудиоусилитель высокой мощности, вы не сможете расположить 20-сантиметровую катушку слишком близко к 40-сантиметровой катушке. Если они расположены слишком близко, TVS-диод или светодиодная лампочка перегорят из-за чрезмерной мощности.

Шаг 7. Создайте зарядное устройство для беспроводного телефона

Вы можете легко модифицировать схему для зарядки телефона. Я построил вторую катушку диаметром 20 см, а затем добавил все схемы. Используется тот же конденсатор емкостью 3,47 мкФ и TVS-диод. За ним следует мостовой выпрямитель (номер изделия Comchip: CDBHM240L-HF), за ним следует линейный стабилизатор 5 В (Fairchild LM7805CT), а затем танталовый конденсатор емкостью 47 мкФ. С усилителем высокой мощности схема может легко заряжать ваш телефон с расстояния в полтора фута!

Шаг 8: Результаты

Кривые зависимости измеренного напряжения от расстояния прилагаются.

Расчетные измерения и сравнение с моделированием и теорией

Катушка 40 см

• Основная катушка = радиус 0,2 м, диаметр 0,4 м. Провод 18 калибра 20 витков
• Теоретическое сопротивление = 20,95e-3 * (2 * pi * 0,2 * 20 + 0,29 * 2) = 0,5387 Ом
• Фактическое сопротивление = 0,609 Ом. Отклонение от теории: + 13%
• Имитационная индуктивность = 0,435 мГн Фактическая индуктивность: 0,49 мГн. Отклонение от моделирования: + 12%

Катушка 20 см

• Приемная катушка = 0,1 м, радиус 0,2 м, диаметр 18-го калибра, 15 витков
• Теоретическое сопротивление = (2 * пи * 0,1 * 15 + 0,29 * 2) * 0,0209 = 0,2091
• Фактическое сопротивление = 0,2490. Отклонение от моделирования: + 19%
• Смоделированная индуктивность = 0,105 мГн. Фактическая индуктивность = 0,1186 мГн. Отклонение от моделирования: + 12%

Шаг 9: Моделирование, оптимизация и обсуждение

Как мы моделировали дизайн

Мы смоделировали и оптимизировали конструкцию в двухмерном манжетостатическом симуляторе и с помощью SPICE.

Мы использовали бесплатный двухмерный манжетостатический симулятор Infolytica. Вы можете бесплатно скачать здесь:

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

Мы использовали бесплатный симулятор SPICE под названием LTSPICE. Вы можете скачать это здесь:

www.linear.com/designtools/software/

Файлы проекта для обоих симуляторов прилагаются.

Обсуждение

В этой конструкции используется резонансная магнитостатическая передача энергии. Усилитель мощности звука вырабатывает электрический ток, который течет через передающую катушку и генерирует колеблющееся магнитное поле. Это магнитное поле воспринимается приемной катушкой и превращается в электрическое поле. Теоретически мы могли бы сделать это без каких-либо компонентов (то есть без конденсаторов). Однако КПД крайне низок. Изначально мы хотели создать более простую конструкцию, в которой использовались бы только катушки и никакие другие компоненты, однако энергоэффективность была настолько низкой, что не мог включить светодиод. Итак, мы перешли к резонансной системе. Добавленный конденсатор резонирует на одной конкретной частоте (в данном случае около 8 кГц). На всех остальных частотах схема крайне неэффективна, но на точной резонансной частоте она становится очень эффективной. Катушка индуктивности и конденсатор действуют как своего рода трансформатор. На передающую катушку мы подаем небольшое напряжение и большой ток (10 В и 15 А). В результате на конденсаторе создается> 400 В среднеквадратического значения, но при гораздо меньшем токе. Это магия резонансных цепей! Резонансные цепи количественно оцениваются «добротностью». В катушке передатчика диаметром 40 см измеренная добротность составляет около 40, что означает, что это довольно эффективно.

Мы смоделировали и оптимизировали катушку с помощью двухмерного магнитостатического симулятора Infolytica. Этот симулятор дал нам смоделированную индуктивность для каждой катушки и взаимную индуктивность между двумя катушками.

Значения, смоделированные с помощью магнитного поля:

• Передающая катушка = 4,35 мГн
• Приемная катушка = 0,105 мГн
• Взаимная индуктивность = 9,87 мкГн. K = 6,87e-3 (при расстоянии между витками 0,2 м)

Затем мы взяли эти числа и загрузили их в SPICE для моделирования электрических характеристик.

Вы можете скачать прикрепленные файлы моделирования и попробовать провести оптимизацию и измерения!

Также прилагаются графики поля, которые показывают магнитное поле, создаваемое катушками. Интересно, что, несмотря на то, что мы вкладываем много энергии, абсолютные поля довольно малы (в диапазоне миллиТесла). Это потому, что поля разбросаны по большой площади. Так что, если вы сложите (интегрируете) магнитное поле по большой площади поверхности, оно будет значительным. Но в любой момент объема он крошечный. В качестве примечания: вот почему в трансформаторах используются железные сердечники, так что магнитное поле концентрируется в одной области.