Høy trådløs strøm: 9 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Bygg et trådløst kraftoverføringssystem som kan drive en lyspære eller lade en telefon fra opptil 2 meter unna! Dette bruker et resonansspolesystem for å sende magnetfelt fra en sendingsspole til en mottaksspole.

Vi brukte dette som en demo under en preken om Maxwells fire store ligninger i kirken vår! Sjekk det ut på:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Trinn 1: Ting du trenger

• 18 gauge magnetisk ledning. Vær oppmerksom på at du ikke kan bruke vanlig ledning, du må bruke magnetisk ledning (som har en veldig tynn emaljeisolasjon på den). Ett eksempel er tilgjengelig på Amazon her:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• En 6W (eller mindre) AC/DC 12V dimbar LED -lyspære. Ett eksempel er her:

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

• 1uF kondensatorer (ikke elektrolytisk, må være upolarisert). Du har noen valg her. Hvis du bygger en laveffektsversjon, kan du få 250V 1uF kondensatorer fra Radio Shack eller Frys. Hvis du vil bygge en kraftig versjon, må du kjøpe spesielle 560V kondensatorer fra Digikey.
• 0.47uF kondensator (ikke elektrolytisk, må være upolarisert)
• En slags effektforsterker. Vi brukte en 450W HI-FI effektforsterker. Du kan bruke alt fra det ned til en PC -høyttaler. Kraften mer du bruker, jo mer rekkevidde får du ut av den.
• Lodde- og loddejern. Avbitertang
• Et stykke kryssfiner og noen små spiker (brukt til vikling av spoler)
• Svart elektrisk tape
• Målebånd og linjal
• Isolert ledning
• Hammer

• Lydkilde med variabel frekvens og amplitude som genererer en 8khz sinustone. Det er enkelt å bruke en PC, bærbar PC eller telefon med fritt tilgjengelig tonegenereringsprogramvare og koble til hodetelefonkontakten. Jeg brukte en Mac med denne programvaren:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Eller kan du bruke denne programvaren til en PC: Du kan også bruke en funksjonsgenerator hvis du har en (dyrt testutstyr)

NTE kondensatordeliste (for laveffektsversjonen). Du kan få disse delene på Frys

3 x 1uF 50V kondensator, NTE CML105M50 (for å feste til lyspæren og den lille spolen)

1 x 0.47uF 50V kondensator, NTE CML474M50 (for å feste til lyspæren og den lille spolen parallelt med 1uF caps)

1 x 1uF 250V kondensator, NTE MLR105K250 (for å feste til den store spolen)

Digikey Order (for high power -versjonen)

Vedlagt er en Digikey -deleliste som du kan bruke for den høyere drevne versjonen. Disse kondensatorene går opp til 560V, som lar deg bruke en ~ 500W forsterker og få opp nesten to fot rekkevidde. Den vedlagte versjonen inneholder bare minimale deler. Så lenge du foretar en Digikey -bestilling, må du bestille noen tillegg i tilfelle du gjør en feil eller sprenger en (det gjelder spesielt TVS -beskyttelsesdiodene, som jeg røykte flere ganger).

Trinn 2: Lag Coil Winder

For å spole spolene trenger du en ramme for å sno dem rundt.

På et stykke kryssfiner må du bruke et kompass for å tegne en nøyaktig 20 cm sirkel og en presis 40 cm sirkel.

Hammerspiker jevnt fordelt rundt sirkelen. For 20 cm -sirkelen brukte jeg rundt 12 spiker og for sirkelen på 40 cm brukte jeg rundt 16. På et sted i sirkelen vil du lage et inngangspunkt som holder tråden mens du begynner den første viklingen. På det stedet, hamre en annen spiker nær en spiker, deretter en annen et par centimeter unna.

Trinn 3: Vind 40 cm spolen med 20 omdreininger og 20 cm spolen med 15 omdreininger

Du vil først lage noen sløyfer med ledningen på den ytre spikeren for å forankre ledningen, og deretter starte løkken rundt spolen. Sørg for å legge igjen mye ekstra ledning i begynnelsen og slutten av spolen. La tre fot stå for å være trygg (du trenger dette for å koble til elektronikk).

Det er overraskende vanskelig å holde styr på antall viklinger. Bruk en venn til å hjelpe deg.

Gjør viklingene VIRKELIG stramme. Hvis du ender opp med løse viklinger, blir spolen et rot.

Det er virkelig vanskelig å holde viklingene i orden (spesielt hvis du bruker 18 gaugewire, er 24 wire gauge lettere å håndtere, men har mye mer tap). Så du trenger noen få mennesker for å hjelpe deg med å holde den nede mens du snurrer den.

Etter at du er ferdig med svingene, vil du vri innløpstråden og utløpstråden for å holde spolen stødig. Tape deretter spolen med elektrisk tape flere steder.

Når du er ferdig med dette trinnet, bør du ha to spoler, en spole med en diameter på 20 cm og 15 omdreininger og en spole med en diameter på 40 cm og 20 omdreininger. Spolene skal vikles tett og festes med tape. Du bør være i stand til å plukke dem opp og håndtere dem enkelt uten at de faller fra hverandre eller slapper av.

Trinn 4: Legg lyspæren og elektronikken til 20 cm spolen

Deretter skal du feste lyspæren til den lille spolen. Du må lodde tre 1uf (1 mikrofarad, eller sagt på annen måte 1, 000nF) og en 0.47uF (sagt på en annen måte, 470nF) kondensatorer til lyspærestolpene. Det er totalt 3,47uF (kondensatorer summeres parallelt). Hvis du gjør høyeffektversjonen, bør du også lodde en 20V toveis TVS -diode mellom lyspærestolpene som beskyttelse mot overspenning.

Etter at du har loddet kondensatorene, må du vri endene på spoletråden helt over midten av spolen. Ledningen er stiv nok til å støtte lyspæren. Etter at du har vridd ledningen helt over diameteren, skal du bare kutte endene på ledningen og la dem stå åpne.

Deretter plasserer du lyspæren i midten av den vridde ledningen. Du vil trekke vendingene fra hverandre, slik at hver ledning berører en terminal på lyspæren. Deretter skraper du av trådemaljen med en kniv og lodder deretter den rengjorte ledningen til lyspærestolpene. Sørg for at du bruker kolofoniumlodde. Du vil kanskje legge til ekstra kolofonium, som hjelper til med å rense bitene av emalje.

Trinn 5: Fest 40 cm -spolen til elektronikken

Deretter må du koble 40 cm spolen til en 1uF kondensator. Her vises høyeffektsversjonen, hvor jeg har koblet 10x 0.1uF kondensatorer parallelt for å lage en 1uF kondensator (kondensatorer parallelt legg opp). Kondensatoren går mellom spolen og effektforsterkerens positive utgang. Den andre siden av spolen går direkte til effektforsterkeren GND.

Trinn 6: Koble en sinusbølge til en forsterker og prøv det

Det siste trinnet er å lage en sinusbølge. Du kan laste ned en funksjonsgenerator -app på telefonen eller den bærbare eller stasjonære datamaskinen. Du vil eksperimentere for å finne den beste operasjonsfrekvensen.

Du kobler sinuskilden til lydforsterkeren, og kobler deretter lydstrømampen til 40 cm spolen og 1uF kondensator, og så skal alt fungere!

Hvis du bruker en lydforsterker med høy effekt (100W eller mer), VÆR FORSIKTIG! Den kan generere svært høye spenninger over +/- 500V. Jeg testet med et høyspenningsomfang for å sikre at jeg ikke skulle sprenge kondensatorene. Det er også lett å bli sjokkert hvis du berører en eksponert ledning.

Hvis du også bruker en lydforsterker med høy effekt, kan du ikke få 20 cm -spolen for nær 40 cm -spolen. Hvis de er for nær, vil TVS -dioden eller LED -lyspæren brenne opp på grunn av overdreven strøm.

Trinn 7: Lag den trådløse telefonladeren

Du kan enkelt endre kretsen for å lade en telefon. Jeg bygde en andre 20 cm spole og la deretter til alle kretsene. Den samme 3.47uF kondensatoren og TVS -dioden brukes. Det etterfølges av en bro-likeretter (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), etterfulgt av en 5V lineær regulator (Fairchild LM7805CT), etterfulgt av en 47uF tantalkondensator. Med en forsterker med høy effekt kan kretsen enkelt lade telefonen på en og en halv meters avstand!

Trinn 8: Resultatene

Den målte spenningen kontra avstandskurver er festet.

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 motstand = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 ohm
• Faktisk motstand = 0,609 ohm. Avvik fra teori: +13%
• Simulert induktans = 0,435mH Faktisk induktans: 0,49mH. Avvik fra simulering: +12%

20 cm spole

• Motta spole = 0,1 m radius 0,2 m diameter 18 målekabel 15 viklinger
• Teoretisk motstand = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Faktisk motstand = 0,2490. Avvik fra simulering: +19%
• Simulert induktans = 0,105mH. Faktisk induktans = 0,11186mH. Avvik fra simulering: +12%

Trinn 9: Simulering, optimalisering og diskusjon

Hvordan vi simulerte designet

Vi simulerte og optimaliserte designet i en 2-D mangetostatisk simulator, og med SPICE.

Vi brukte den gratis 2-D mangetostatiske simulatoren Infolytica. Du kan laste ned gratis her:

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

Vi brukte gratis SPICE -simulator kalt LTSPICE. Du kan laste den ned her:

www.linear.com/designtools/software/

Designfiler for begge simulatorene er vedlagt.

Diskusjon

Denne designen bruker resonant magnetostatisk kraftoverføring. Lydforsterkeren produserer en elektrisk strøm som strømmer gjennom sendespolen og genererer et oscillerende magnetfelt. Det magnetiske feltet mottas av mottaksspolen og blir til et elektrisk felt. I teorien kunne vi gjøre det uten komponenter (dvs. ingen kondensatorer). Effektiviteten er imidlertid ekstremt lav. Vi ønsket først å lage en enklere design som bare brukte spoler og ingen andre komponenter, men strømeffektiviteten var så dårlig at den ikke kunne slå på LED -en. Så vi flyttet til et resonanssystem. Kondensatoren som vi la til, resonerer med en spesiell frekvens (i dette tilfellet ca 8kHz). På alle andre frekvenser er kretsen ekstremt ineffektiv, men ved den nøyaktige resonansfrekvensen blir den veldig effektiv. Induktoren og kondensatoren fungerer som en slags transformator. På sendespolen setter vi inn en liten spenning og en høy strøm (10Vrms og 15Arms). Det ender med å produsere> 400Vrms over kondensatoren, men med en mye lavere strøm. Det er magien i resonanskretser! Resonantkretser kvantifiseres med "Q -faktoren". I senderspolen med en diameter på 40 cm er den målte Q -faktoren omtrent 40, noe som betyr at den er ganske effektiv.

Vi simulerte og optimaliserte spolen med Infolyticas 2-D magneto statiske simulator. Den simulatoren ga oss en simulert induktans for hver spole, og den gjensidige induktansen mellom de to spolene.

Magnetiske simulerte verdier:

• Overføringsspole = 4,35 mH
• Mottakende spole = 0,105mH
• Gjensidig induktans = 9,87uH. K = 6,87e-3 (med spolene atskilt med 0,2 m)

Vi tok deretter disse tallene og matet dem inn i SPICE for å simulere de elektriske egenskapene.

Du kan laste ned vedlagte simuleringsfiler og prøve å gjøre optimaliseringer og målinger!

Det er også vedlagt feltplott som viser magnetfeltet som produseres av spolene. Det er interessant at selv om vi bruker mye kraft, er de absolutte feltene ganske små (i milliTesla -området). Det er fordi feltene er spredt ut over et stort overflateareal. Så hvis du legger til (integrerer) magnetfeltet over det store overflatearealet, ville det være betydelig. Men på et gitt tidspunkt i volumet er det lite. Som et sidebemerkning, er det derfor transformatorer bruker jernkjerner, slik at magnetfeltet blir konsentrert i ett område.