High-Range trådløs strøm: 9 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:30

Byg et trådløst strømtransmissionssystem, der kan drive en pære eller oplade en telefon fra op til 2 fod væk! Dette bruger et resonansspolesystem til at sende magnetfelter fra en transmitterende spole til en modtagende spole.

Vi brugte dette som en demo under en prædiken om Maxwells fire store ligninger i vores kirke! Tjek det ud på:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Trin 1: Ting du skal bruge

• 18 gauge magnetisk ledning. Bemærk, at du ikke kan bruge almindelig ledning, du skal bruge magnetisk ledning (som har en meget tynd emaljeisolering på sig). Et eksempel er tilgængeligt på Amazon her:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• En 6W (eller mindre) AC/DC 12V dæmpbar LED -pære. Et eksempel er her:

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

• 1uF kondensatorer (ikke elektrolytiske, skal være upolariserede). Du har nogle valg her. Hvis du bygger en laveffektversion, kan du få 250V 1uF kondensatorer fra Radio Shack eller Frys. Hvis du vil bygge en kraftfuld version, skal du få specielle 560V kondensatorer fra Digikey.
• 0.47uF kondensator (ikke elektrolytisk, skal være upolariseret)
• En slags effektforstærker. Vi brugte en 450W HI-FI forstærker. Du kan bruge alt fra det ned til en pc -højttaler. Jo mere strøm du bruger, jo mere rækkevidde får du ud af det.
• Lodde- og loddejern. Trådskærere
• Et stykke krydsfiner og nogle små søm (bruges til vikling af spoler)
• Sort elektrisk tape
• Målebånd & lineal
• Isoleret ledning
• Hammer

• Lydkilde med variabel frekvens og amplitude, der genererer en 8khz sinustone. Det er let at bruge en pc, bærbar computer eller telefon med frit tilgængelig tonegenereringssoftware og tilslutte til hovedtelefonstikket. Jeg brugte en Mac med denne software:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Eller kan du bruge denne software til en pc: Du kan også bruge en funktionsgenerator, hvis du har et (dyrt stykke testudstyr)

NTE -kondensator -deleliste (til laveffektversionen). Du kan få disse dele på Frys

3 x 1uF 50V kondensator, NTE CML105M50 (til fastgørelse til pæren og den lille spole)

1 x 0.47uF 50V kondensator, NTE CML474M50 (til fastgørelse til pæren og lille spole parallelt med 1uF kapper)

1 x 1uF 250V kondensator, NTE MLR105K250 (til fastgørelse til den store spole)

Digikey -ordre (til versionen med høj effekt)

Vedhæftet er en Digikey -deleliste, som du kan bruge til den højere drevne version. Disse kondensatorer går op til 560V, hvilket giver dig mulighed for at bruge en ~ 500W forstærker og få en rækkevidde på næsten to fod. Den vedhæftede version indeholder kun de minimale dele. Så længe du laver en Digikey -ordre, skal du bestille nogle ekstra, hvis du begår en fejl eller sprænger en (det gælder især TVS -beskyttelsesdioderne, som jeg røg flere gange).

Trin 2: Lav spolevinderen

For at vikle spolerne skal du bruge en ramme til at sno dem rundt.

På et stykke krydsfiner skal du bruge et kompas til at tegne en præcis 20 cm cirkel og en præcis 40 cm cirkel.

Hammer søm jævnt fordelt rundt om cirklen. Til cirklen på 20 cm brugte jeg omkring 12 søm og til cirklen på 40 cm brugte jeg omkring 16. På et sted i cirklen vil du gerne lave et indgangspunkt, der holder tråden, mens du begynder den første vikling. På det sted skal du hamre en anden søm tæt på et søm, derefter en anden et par centimeter væk.

Trin 3: Vind 40 cm spolen med 20 omdrejninger og 20 cm spolen med 15 omdrejninger

Du laver først et par sløjfer med ledningen på den udvendige søm for at forankre tråden, og derefter starter løkken omkring spolen. Sørg for at efterlade en masse ekstra ledning i begyndelsen og slutningen af spolen. Forlad 3 fod for at være sikker (du skal bruge dette for at tilslutte elektronik).

Det er overraskende svært at holde styr på antallet af viklinger. Brug en ven til at hjælpe dig.

Gør viklingerne VIRKELIG stramme. Hvis du ender med løse viklinger, bliver spolen et rod.

Det er virkelig svært at holde viklingerne i orden (især hvis du bruger 18 måttråd, er 24 trådmåler lettere at håndtere, men har meget mere tab). Så du skal bruge et par mennesker til at hjælpe dig med at holde den nede, mens du vikler den.

Når du er færdig med svingene, vil du gerne dreje indgangstråden og udløbskablet for at holde spolen stabil. Tape derefter spolen med elektrisk tape flere steder.

Når du er færdig med dette trin, skal du have to spoler, en spole med en diameter på 20 cm og 15 omdrejninger og en spole med en diameter på 40 cm og 20 omdrejninger. Spolerne skal vikles tæt og sikres med tape. Du bør være i stand til at tage dem op og håndtere dem let, uden at de falder fra hinanden eller afvikles.

Trin 4: Tilføj lyspære og elektronik til 20 cm spolen

Dernæst skal du vedhæfte pæren til den lille spole. Du skal lodde tre 1uf (1 mikrofarad, eller sagt på anden måde 1, 000nF) og en 0.47uF (sagt på en anden måde, 470nF) kondensatorer til pærerne på pærerne. Det er i alt 3,47uF (kondensatorer tilføjes parallelt). Hvis du laver high -power -versionen, bør du også lodde en 20V tovejs TVS -diode mellem pærepælene som beskyttelse mod overspænding.

Når du har loddet kondensatorerne, skal du sno enderne på spoletråden helt hen over midten af spolen. Tråden er stiv nok til at understøtte pæren. Når du har snoet ledningen hele vejen over diameteren, skal du bare skære enderne af ledningen og lade dem være åbne.

Derefter placerer du pæren i midten af den snoede ledning. Du trækker vendingerne fra hinanden, så hver ledning rører ved en terminal på pæren. Derefter skraber du trådemaljen af med en kniv og lodder derefter den rensede ledning til pærepælene. Sørg for at bruge kolofoniumlodning. Du vil måske tilføje ekstra kolofonium, som hjælper med at rense emaljestykkerne.

Trin 5: Sæt 40 cm spolen på elektronikken

Dernæst skal du tilslutte 40 cm spolen til en 1uF kondensator. Her er vist højeffektsversionen, hvor jeg har tilsluttet 10x 0.1uF kondensatorer parallelt for at lave en 1uF kondensator (kondensatorer parallelt tilføjelse). Kondensatoren går mellem spolen og effektforstærkerens positive output. Den anden side af spolen går direkte til effektforstærkeren GND.

Trin 6: Tilslut en sinusbølge til en forstærker, og prøv det

Det sidste trin er at oprette en sinusbølge. Du kan downloade en funktionsgenerator -app på din telefon eller bærbare eller desktop. Du vil eksperimentere for at finde den bedste driftsfrekvens.

Du tilslutter din sinus kilde til lydforstærkeren, og slutter derefter lydstyrken til 40 cm spolen og 1uF kondensatoren, og så skulle alt fungere!

Hvis du bruger en lydforstærker med høj effekt (100W eller mere), skal du være FORSIGTIG! Det kan generere meget høje spændinger over +/- 500V. Jeg testede med et højspændingsomfang for at sikre, at jeg ikke ville sprænge kondensatorerne. Det er også let at blive chokeret, hvis du rører ved en udsat bly.

Hvis du også bruger en lydforstærker med høj effekt, kan du ikke komme 20 cm spolen for tæt på 40 cm spolen. Hvis de er for tæt på, brænder TVS -dioden eller LED -pæren op på grund af overdreven strøm.

Trin 7: Opret den trådløse telefonoplader

Du kan nemt ændre kredsløbet for at oplade en telefon. Jeg byggede en anden 20 cm spole og tilføjede derefter alle kredsløb. Den samme 3.47uF kondensator og TVS -diode bruges. Det efterfølges af en bro-ensretter (Comchip P/N: CDBHM240L-HF) efterfulgt af en 5V lineær regulator (Fairchild LM7805CT) efterfulgt af en 47uF tantal kondensator. Med en høj effektforstærker kan kredsløbet let oplade din telefon på en afstand af halvanden fod!

Trin 8: Resultaterne

Den målte spænding versus afstandskurver er fastgjort.

Designmålinger og sammenligning med simulering og teori

40 cm spole

• Hovedspole = 0,2 m radius, 0,4 m diameter. 18 gauge wire 20 viklinger
• Teoretisk modstand = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohm
• Faktisk modstand = 0,609 ohm. Afvigelse fra teori: +13%
• Simuleret induktans = 0,435mH Faktisk induktans: 0,49mH. Variation fra simulering: +12%

20 cm spole

• Modtag spole = 0,1 m radius 0,2 m diameter 18 måttråd 15 viklinger
• Teoretisk modstand = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Faktisk modstand = 0,2490. Variation fra simulering: +19%
• Simuleret induktans = 0,105mH. Faktisk induktans = 0,11186mH. Variation fra simulering: +12%

Trin 9: Simulering, optimering og diskussion

Hvordan vi simulerede designet

Vi simulerede og optimerede designet i en 2-D mangetostatisk simulator og med SPICE.

Vi brugte den gratis 2-D mangetostatiske simulator kaldet Infolytica. Du kan downloade gratis her:

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

Vi brugte den gratis SPICE -simulator kaldet LTSPICE. Du kan downloade den her:

www.linear.com/designtools/software/

Designfiler til begge simulatorer er vedhæftet.

Diskussion

Dette design bruger resonant magnetostatisk kraftoverførsel. Lydforstærkeren producerer en elektrisk strøm, der strømmer gennem sendespolen og genererer et oscillerende magnetfelt. Det magnetiske felt modtages af den modtagende spole og forvandles til et elektrisk felt. I teorien kunne vi gøre det uden komponenter (dvs. ingen kondensatorer). Effektiviteten er imidlertid ekstremt lav. Vi ønskede oprindeligt at lave et enklere design, der kun brugte spoler og ingen andre komponenter, men strømeffektiviteten var så dårlig, at den ikke kunne tænde LED'en. Så vi flyttede til et resonanssystem. Den kondensator, som vi tilføjede, giver genlyd ved en særlig frekvens (i dette tilfælde omkring 8kHz). Ved alle andre frekvenser er kredsløbet ekstremt ineffektivt, men ved den nøjagtige resonansfrekvens bliver det meget effektivt. Induktoren og kondensatoren fungerer som en slags transformer. På sendespolen satte vi en lille spænding og en høj strøm (10Vrms og 15Arms) i. Det ender med at producere> 400Vrms på tværs af kondensatoren, men med en meget lavere strøm. Det er magien ved resonans kredsløb! Resonantkredsløb kvantificeres med "Q -faktoren". I transmitterspolen med en diameter på 40 cm er den målte Q -faktor omkring 40, hvilket betyder, at det er ret effektivt.

Vi simulerede og optimerede spolen med Infolyticas 2-D magneto statiske simulator. Denne simulator gav os en simuleret induktans for hver spole og den indbyrdes induktans mellem de to spoler.

Magnetiske simulerede værdier:

• Transmitterende spole = 4,35 mH
• Modtagende spole = 0,105mH
• Gensidig induktans = 9,87uH. K = 6,87e-3 (med spolerne adskilt med 0,2 m)

Vi tog derefter disse tal og fodrede dem med SPICE for at simulere de elektriske egenskaber.

Du kan downloade vedhæftede simuleringsfiler og prøve at foretage dine optimeringer og målinger!

Der er også vedhæftet feltplots, der viser magnetfeltet produceret af spolerne. Det er interessant, at selvom vi tilfører meget strøm, er de absolutte felter ret små (i milliTesla -området). Det er fordi markerne er spredt ud over et stort overfladeareal. Så hvis du tilføjer (integrerer) magnetfeltet over det store overfladeareal, ville det være betydeligt. Men på et givet tidspunkt i volumen er det lille. Som en sidebemærkning er det derfor, transformatorer bruger jernkerner, så magnetfeltet bliver koncentreret i et område.