High-Range trådlös effekt: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Bygg ett trådlöst kraftöverföringssystem som kan driva en glödlampa eller ladda en telefon från upp till 2 meter bort! Detta använder ett resonansspolsystem för att skicka magnetfält från en överförande spole till en mottagande spole.

Vi använde detta som en demo under en predikan om Maxwells fyra stora ekvationer i vår kyrka! Kolla in det på:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Steg 1: Saker du behöver

• 18 gauge magnetisk tråd. Observera att du inte kan använda vanlig tråd, du måste använda magnetisk tråd (som har en mycket tunn emaljisolering på sig). Ett exempel finns på Amazon här:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• En 6W (eller mindre) AC/DC 12V dimbar LED -lampa. Ett exempel är här:

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

• 1uF-kondensatorer (ej elektrolytisk, måste vara opolariserad). Du har några val här. Om du bygger en lågeffektsversion kan du få 250V 1uF kondensatorer från Radio Shack eller Frys. Om du vill bygga en högeffektsversion måste du skaffa speciella 560V kondensatorer från Digikey.
• 0.47uF kondensator (ej elektrolytisk, måste vara opolariserad)
• Någon slags effektförstärkare. Vi använde en 450W HI-FI-förstärkare. Du kan använda allt från det ner till en PC -högtalare. Ju mer kraft du använder, desto mer räckvidd får du ut ur den.
• Löd- och lödjärn. Avbitartång
• En bit plywood och några små spikar (används för lindning av spolar)
• Svart eltejp
• Måttband & linjal
• Isolerad tråd
• Hammare

• Ljudkälla med variabel frekvens och amplitud som genererar en sinus på 8 kHz. Det är enkelt att använda en dator, bärbar dator eller telefon med fritt tillgänglig tongenereringsprogramvara och ansluta till hörlursuttaget. Jag använde en Mac med denna programvara:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Eller så kan du använda den här programvaran för en PC: Du kan också använda en funktionsgenerator om du har en (dyr testutrustning)

NTE -kondensatorns partilista (för lågeffektsversionen). Du kan få dessa delar på Frys

3 x 1uF 50V kondensator, NTE CML105M50 (för att fästa på glödlampan och den lilla spolen)

1 x 0.47uF 50V kondensator, NTE CML474M50 (för att fästas på glödlampan och en liten spole parallellt med 1uF -lock)

1 x 1uF 250V kondensator, NTE MLR105K250 (för att fästa på den stora spolen)

Digikey Order (för högeffektsversionen)

Bifogad är en Digikey -partilista som du kan använda för den högre drivna versionen. Dessa kondensatorer går upp till 560V, vilket gör att du kan använda en ~ 500W förstärkare och få upp nästan två fot av räckvidd. Den bifogade versionen innehåller bara de lägsta delarna. Så länge du gör en Digikey -beställning, beställ några tillägg om du gör ett misstag eller spränger en (det gäller särskilt TVS -skyddsdioderna, som jag rökte flera gånger).

Steg 2: Gör Coil Winder

För att linda spolarna behöver du en ram för att linda dem runt.

På en plywoodbit måste du använda en kompass för att rita ut en exakt 20 cm cirkel och en exakt 40 cm cirkel.

Hammarspikar jämnt fördelade runt cirkeln. För cirkeln på 20 cm använde jag cirka 12 spikar och för cirkeln på 40 cm använde jag cirka 16. På en plats i cirkeln vill du göra en ingång som håller tråden medan du börjar den första lindningen. På den platsen, slå en annan spik nära en spik, sedan en annan ett par centimeter bort.

Steg 3: Vinda 40 cm spole med 20 varv och 20 cm spole med 15 varv

Du gör först några slingor med tråden på den yttre spiken för att förankra tråden, sedan startar du slingan runt spolen. Se till att du lämnar mycket extra tråd i början och slutet av spolen. Lämna 3 fot för att vara säker (du behöver detta för att ansluta till elektronik).

Det är förvånansvärt svårt att hålla reda på antalet lindningar. Använd en vän för att hjälpa dig.

Gör lindningarna RIKTIGT täta. Om du slutar med lösa lindningar blir spolen en röra.

Det är verkligen svårt att hålla lindningarna i ordning (speciellt om du använder 18 mättråd, 24 trådmätare är lättare att hantera men har mycket mer förlust). Så du behöver några personer som hjälper dig att hålla den nere när du lindar den.

När du har avslutat svängarna vill du vrida inloppstråden och utloppstråden för att hålla spolen stadig. Tejpa sedan spolen med eltejp på flera ställen.

När du är klar med detta steg bör du ha två spolar, en spole med en diameter på 20 cm och 15 varv och en spole med en diameter på 40 cm och 20 varv. Spolarna ska lindas tätt och fästas med tejp. Du bör kunna plocka upp dem och hantera dem enkelt utan att de faller isär eller avlindas.

Steg 4: Lägg till glödlampan och elektroniken i 20 cm spolen

Därefter ska du fästa glödlampan på den lilla spolen. Du måste löda tre 1uf (1 mikrofarad, eller sagt på olika sätt 1, 000nF) och en 0.47uF (sagt på ett annat sätt, 470nF) kondensatorer till glödlampans stolpar. Det är totalt 3,47uF (kondensatorer summeras parallellt). Om du gör högeffektsversionen bör du också löda en 20V dubbelriktad TVS -diod mellan glödlampans stolpar som skydd mot överspänning.

När du har lödat kondensatorerna måste du vrida spoltrådens ändar hela vägen över spolens mitt. Tråden är tillräckligt styv för att stödja glödlampan. När du har vridit tråden hela vägen över diametern kommer du bara att klippa trådändarna och lämna dem öppna.

Sedan placerar du glödlampan i mitten av den vridna tråden. Du kommer att dra isär vridningarna så att varje tråd vidrör en lampa. Sedan skrapar du bort trådemaljen med en kniv och lödar sedan den rengjorda tråden till glödlampestolparna. Se till att du använder kolofoniumkärlödning. Du kanske vill lägga till extra kolofonium, vilket hjälper till att rengöra emaljbitarna.

Steg 5: Fäst 40 cm spolen på elektroniken

Därefter måste du ansluta 40 cm spolen till en 1uF kondensator. Här visas högeffektsversionen, där jag har anslutit 10x 0.1uF kondensatorer parallellt för att skapa en 1uF kondensator (kondensatorer parallellt). Kondensatorn går mellan spolen och effektförstärkarens positiva utgång. Den andra sidan av spolen går direkt till effektförstärkaren GND.

Steg 6: Anslut en sinusvågskälla till en effektförstärkare och prova

Det sista steget är att skapa en sinusvåg. Du kan ladda ner en funktionsgenerator -app på din telefon eller laptop eller stationära dator. Du vill experimentera för att hitta den bästa driftsfrekvensen.

Du ansluter din sinuskälla till ljudförstärkaren och ansluter sedan ljudströmmen till 40 cm spole och 1uF kondensator, och då ska allt fungera!

Om du använder en ljudförstärkare med hög effekt (100W eller mer), VAR FÖRSIKTIG! Det kan generera mycket höga spänningar över +/- 500V. Jag testade med ett högspänningsomfång för att säkerställa att jag inte skulle spränga kondensatorerna. Det är också lätt att bli chockad om du rör vid en exponerad ledning.

Om du använder en hög effektförstärkare kan du inte få 20 cm -spolen för nära 40 cm -spolen. Om de är för nära brinner TVS -dioden eller LED -lampan upp på grund av överdriven ström.

Steg 7: Skapa den trådlösa telefonladdaren

Du kan enkelt ändra kretsen för att ladda en telefon. Jag byggde en andra 20 cm spole och lade sedan till alla kretsar. Samma 3.47uF kondensator och TVS -diod används. Det följs av en brygglikriktare (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), följt av en 5V linjär regulator (Fairchild LM7805CT), följt av en 47uF tantalkondensator. Med en hög effektförstärkare kan kretsen enkelt ladda din telefon från ett och ett halvt avstånd!

Steg 8: Resultaten

Den uppmätta spänningen kontra avståndskurvorna är fästa.

Designmätningar och jämförelse med simulering och teori

40 cm spole

• Huvudspole = 0,2 m radie, 0,4 m diameter. 18 gauge tråd 20 lindningar
• Teoretiskt motstånd = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohm
• Faktiskt motstånd = 0,609 ohm. Avvikelse från teori: +13%
• Simulerad induktans = 0,435mH Faktisk induktans: 0,49mH. Variation från simulering: +12%

20 cm spole

• Ta emot spole = 0,1 m radie 0,2 m diameter 18 måttråd 15 lindningar
• Teoretiskt motstånd = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Faktiskt motstånd = 0,2490. Variation från simulering: +19%
• Simulerad induktans = 0,105 mH. Faktisk induktans = 0,11186mH. Variation från simulering: +12%

Steg 9: Simulering, optimering och diskussion

Hur vi simulerade designen

Vi simulerade och optimerade designen i en 2-D mangetostatisk simulator och med SPICE.

Vi använde den gratis 2-D-mangetostatiska simulatorn Infolytica. Du kan ladda ner gratis här:

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

Vi använde den gratis SPICE -simulatorn LTSPICE. Du kan ladda ner den här:

www.linear.com/designtools/software/

Designfiler för båda simulatorerna bifogas.

Diskussion

Denna design använder resonant magnetostatisk kraftöverföring. Ljudförstärkaren producerar en elektrisk ström som strömmar genom sändarspolen och genererar ett oscillerande magnetfält. Det magnetfältet tas emot av den mottagande spolen och förvandlas till ett elektriskt fält. I teorin skulle vi kunna göra det utan några komponenter (dvs. inga kondensatorer). Effektiviteten är dock extremt låg. Vi ville inledningsvis göra en enklare design som endast använde spolar och inga andra komponenter, men energieffektiviteten var så dålig att den inte kunde slå på lysdioden. Så vi flyttade till ett resonanssystem. Kondensatorn som vi lade till resonerar vid en speciell frekvens (i det här fallet cirka 8 kHz). Vid alla andra frekvenser är kretsen extremt ineffektiv, men vid den exakta resonansfrekvensen blir den mycket effektiv. Induktorn och kondensatorn fungerar som en slags transformator. På sändspolen lägger vi in en liten spänning och en hög ström (10Vrms och 15Arms). Det slutar producera> 400Vrms över kondensatorn, men med en mycket lägre ström. Det är magin i resonanskretsar! Resonantkretsar kvantifieras med "Q -faktorn". I sändarspolen med 40 cm diameter är den uppmätta Q -faktorn cirka 40, vilket betyder att det är ganska effektivt.

Vi simulerade och optimerade spolen med Infolyticas 2-D magneto statiska simulator. Den simulatorn gav oss en simulerad induktans för varje spole och den ömsesidiga induktansen mellan de två spolarna.

Magnetiska simulerade värden:

• Sändspole = 4,35 mH
• Mottagande spole = 0,105mH
• Ömsesidig induktans = 9,87uH. K = 6,87e-3 (med spolarna separerade med 0,2 m)

Vi tog sedan dessa siffror och matade in dem i SPICE för att simulera de elektriska egenskaperna.

Du kan ladda ner bifogade simuleringsfiler och försöka göra dina optimeringar och mätningar!

Fältdiagram som visar magnetfältet som produceras av spolarna bifogas också. Det är intressant att även om vi lägger på mycket kraft är de absoluta fälten ganska små (i milliTesla -intervallet). Det beror på att fälten är utspridda över en stor yta. Så om du lägger till (integrerar) magnetfältet över den stora ytarean skulle det vara betydande. Men vid varje given punkt i volymen är den liten. Som en sidnot är det därför transformatorer använder järnkärnor, så att magnetfältet koncentreras till ett område.