Alimentació sense fils d’alt rang: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Construïu un sistema de transmissió d'alimentació sense fils que pugui alimentar una bombeta o carregar un telèfon des de fins a 2 peus de distància. S’utilitza un sistema de bobines ressonants per enviar camps magnètics des d’una bobina transmissora a una bobina receptora.

Ho hem utilitzat com a demostració durant un sermó sobre les quatre grans equacions de Maxwell a la nostra església. Mireu-ho a:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Pas 1: coses que necessitareu

• Fil magnètic de calibre 18. Tingueu en compte que no podeu utilitzar filferro normal, heu d’utilitzar filferro magnètic (que té un aïllament d’esmalt molt prim). Un exemple està disponible a Amazon aquí:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Una bombeta LED regulable de 12W AC / DC 12V o menys. Un exemple és aquí:

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

• Els condensadors 1uF (no electrolítics, han de ser no polaritzats). Aquí teniu algunes opcions. Si construïu una versió de baix consum, podeu obtenir condensadors de 250V 1uF de Radio Shack o Frys. Si voleu construir una versió d’alta potència, haureu d’aconseguir condensadors especials de 560V de Digikey.
• Condensador de 0,47 uF (no electrolític, ha de ser no polaritzat)
• Algun tipus d'amplificador de potència. Hem utilitzat un amplificador HI-FI de 450W. Podeu fer servir qualsevol cosa, des d'aquí fins a un altaveu de PC. Com més potència utilitzeu, més autonomia en traureu.
• Soldadura i soldadura de ferro. Talladors de filferro
• Un tros de fusta contraxapada i algunes ungles petites (que s’utilitzen per bobinar bobines)
• Cinta elèctrica negra
• Cinta de mesurar i regle
• Fil aïllat
• Martell

• Font d'àudio amb freqüència i amplitud variables que generen un to sinusoïdal de 8khz. És fàcil utilitzar un ordinador, un ordinador portàtil o un telèfon amb programari de generació de to disponible de forma gratuïta i connectar-se a la presa per a auriculars. He utilitzat un Mac amb aquest programari:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… O bé podeu utilitzar aquest programari per a un PC: també podeu utilitzar un generador de funcions si en teniu un (equip car de prova)

Llista de parts del condensador NTE (per a la versió de baix consum). Podeu obtenir aquestes parts a Frys

Condensador de 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (per fixar-lo a la bombeta i a la petita bobina)

1 x condensador 50V 0.47uF, NTE CML474M50 (per connectar-lo a la bombeta i la petita bobina en paral·lel amb taps de 1uF)

1 x condensador 1uF 250V, NTE MLR105K250 (per connectar a la bobina gran)

Digikey Order (per a la versió d'alta potència)

S'adjunta una llista de peces Digikey que podeu utilitzar per a la versió de major consum. Aquests condensadors pugen fins a 560V, cosa que us permet utilitzar un amplificador de ~ 500W i pujar fins a gairebé dos metres d’abast. La versió adjunta només inclou les parts mínimes. Sempre que feu una comanda de Digikey, demaneu alguns extres en cas que cometeu un error o exploti algun (això és particularment cert amb els díodes de protecció TVS, que he fumat diverses vegades).

Pas 2: feu el bobinador

Per enrotllar les bobines, necessiteu un marc per enrotllar-les.

En un tros de fusta contraxapada, heu d’utilitzar una brúixola per dibuixar un cercle precís de 20 cm i un cercle precís de 40 cm.

Ungles de martell repartides uniformement al voltant del cercle. Per al cercle de 20 cm, he fet servir al voltant de 12 claus i per al cercle de 40 cm, he fet servir al voltant de 16. En un punt del cercle, voldreu fer un punt d’entrada que mantingui el fil mentre comenceu el primer bobinat.. En aquest lloc, martellegeu un altre clau a prop d’un clau i després un altre a uns quants centímetres de distància.

Pas 3: enroleu la bobina de 40 cm amb 20 voltes i la bobina de 20 cm amb 15 voltes

Primer faràs uns bucles amb el filferro a l’ungla exterior per ancorar el filferro i, a continuació, iniciaràs el bucle al voltant de la bobina. Assegureu-vos de deixar molts cables addicionals al començament i al final de la bobina. Deixeu 3 peus per estar segur (ho necessitareu per connectar-vos a l'electrònica).

És sorprenentment difícil fer un seguiment del nombre de bobinatges. Feu servir un amic per ajudar-vos.

Feu que els bobinats estiguin MOLT ajustats. Si acabes amb bobinatges fluixos, la bobina serà un desastre.

És realment difícil mantenir els bobinats en ordre (sobretot si utilitzeu filferro de 18 fils, el manòmetre de 24 fils és més fàcil de manejar però té moltes més pèrdues). Per tant, necessitareu unes quantes persones que us ajudin a mantenir-lo premut mentre el torneu.

Després d’acabar els girs, voldreu girar el fil d’entrada i de sortida per mantenir la bobina ferma. A continuació, enganxeu la bobina amb cinta elèctrica en diversos punts.

Quan hàgiu acabat aquest pas, haureu de tenir dues bobines, una de 20 cm de diàmetre i 15 voltes i una altra de 40 cm de diàmetre i 20 voltes. Les bobines s’han de enrotllar fortament i fixar-les amb cinta adhesiva. Hauríeu de poder recollir-los i manipular-los fàcilment sense que es desfacin ni es desfacin.

Pas 4: afegiu la bombeta i l'electrònica a la bobina de 20 cm

A continuació, fixareu la bombeta a la petita bobina. Cal soldar tres condensadors de 1uf (1 microfarad, o dit diferent manera 1, 000nF) i un condensador de 0,47uF (dit diferent, 470nF) als pals de les bombetes. Això suposa un total de 3,47 uF (els condensadors se sumen en paral·lel). Si feu la versió d’alta potència, també hauríeu de soldar un díode TVS bidireccional de 20V entre els pals de la bombeta com a protecció contra sobretensions.

Després de soldar els condensadors, heu de girar els extrems del filferro de la bobina fins al centre de la bobina. El cable és prou rígid per suportar la bombeta. Després de girar el fil per tot el diàmetre, només tallareu els extrems del fil i els deixareu oberts.

A continuació, col·loqueu la bombeta al centre del fil trenat. Desmuntareu els girs, de manera que cada cable toqui un terminal de la bombeta. A continuació, rasqueu l’esmalt de filferro amb un ganivet i, a continuació, soldeu el fil netejat als pals de la bombeta. Assegureu-vos que utilitzeu soldadura de nucli de colofònia. És possible que vulgueu afegir colofònia addicional, que us ajudarà a netejar els trossos d’esmalt.

Pas 5: connecteu la bobina de 40 cm a l'electrònica

A continuació, haureu de connectar la bobina de 40 cm a un condensador de 1uF. Aquí es mostra la versió d’alta potència, on he connectat condensadors de 10 x 0,1 uF en paral·lel per formar un condensador de 1 uF (els condensadors en paral·lel es sumen). El condensador va entre la bobina i l'amplificador de potència de sortida positiva. L’altra cara de la bobina va directament a l’amplificador de potència GND.

Pas 6: connecteu una font d'ona sinusoïdal a un amplificador de potència i proveu-ho

L'últim pas és crear una ona sinusoïdal. Podeu descarregar una aplicació de generador de funcions al telèfon, al portàtil o a l’escriptori. Voldreu experimentar per trobar la millor freqüència d’operació.

Connecteu la font sinusoïdal a l'amplificador de potència d'àudio i, a continuació, connecteu la potència d'àudio a la bobina de 40 cm i al condensador 1uF, i tot hauria de funcionar.

Si utilitzeu un amplificador d’àudio d’alta potència (100 W o superior), TINGUEU ATENCIÓ! Pot generar tensions molt altes superiors a +/- 500V. Vaig provar amb un abast d'alta tensió per assegurar-me que no volaria explotar els condensadors. També és fàcil sorprendre’s si toqueu un cable exposat.

A més, si utilitzeu un amplificador d’àudio d’alta potència, no podreu acostar la bobina de 20 cm a la bobina de 40 cm. Si són massa a prop, el díode TVS o la bombeta LED es cremaran a causa d’una potència excessiva.

Pas 7: creeu el carregador de telèfon sense fils

Podeu modificar fàcilment el circuit per carregar un telèfon. Vaig construir una segona bobina de 20 cm i després vaig afegir tots els circuits. S'utilitza el mateix condensador 3.47uF i el díode TVS. A continuació, es troba un rectificador de pont (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), seguit d’un regulador lineal de 5V (Fairchild LM7805CT), seguit d’un condensador de tàntal de 47uF. Amb un amplificador d’alta potència, el circuit pot carregar fàcilment el telèfon des d’una distància de peu i mig.

Pas 8: els resultats

S'adjunten les corbes mesurades de tensió versus distància.

Mesures de disseny i comparació amb simulació i teoria

Bobina de 40cm

• Bobina principal = 0,2 m de radi, 0,4 m de diàmetre. Filferro de calibre 18 20 bobinatges
• Resistència teòrica = 20,95e-3 * (2 * pi * 0,2 * 20 + 0,29 * 2) = 0,5387 ohms
• Resistència real = 0,609 ohms. Variació de la teoria: + 13%
• Inductància simulada = 0,435 mH Inductància real: 0,49 mH. Variació de la simulació: + 12%

Bobina de 20cm

• Bobina de recepció = 0,1m de radi 0,2m de diàmetre 18 filferro de 15 bobinatges
• Resistència teòrica = (2 * pi * 0,1 * 15 + 0,29 * 2) * 0,0209 = 0,2091
• Resistència real = 0,2490. Variació de la simulació: + 19%
• Inductància simulada = 0,105mH. Inductància real = 0.1186mH. Variació de la simulació: + 12%

Pas 9: simulació, optimització i discussió

Com hem simulat el disseny

Hem simulat i optimitzat el disseny en un simulador mangetostàtic 2-D i amb SPICE.

Hem utilitzat el simulador mangetostàtic 2-D gratuït anomenat Infolytica. Podeu descarregar gratuïtament aquí:

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

Hem utilitzat el simulador gratuït SPICE anomenat LTSPICE. Podeu descarregar-lo aquí:

www.linear.com/designtools/software/

S'adjunten fitxers de disseny per a tots dos simuladors.

Debat

Aquest disseny utilitza una transmissió de potència magnetostàtica de ressonància. L’ampli de potència d’àudio produeix un corrent elèctric que flueix a través de la bobina transmissora i genera un camp magnètic oscil·lant. Aquest camp magnètic és rebut per la bobina receptora i es converteix en un camp elèctric. En teoria, podríem fer-ho sense cap component (és a dir, sense condensadors). Tot i això, l’eficiència és extremadament baixa. Inicialment volíem fer un disseny més senzill que només utilitzés les bobines i cap altre component, però l’eficiència energètica era tan baixa que no podia encendre el LED. Així que vam passar a un sistema ressonant. El condensador que hem afegit ressona a una freqüència particular (en aquest cas aproximadament a 8 kHz). A la resta de freqüències, el circuit és extremadament ineficient, però a la freqüència de ressonància exacta es torna molt eficient. L’inductor i el condensador actuen com un transformador. A la bobina transmissora, posem un voltatge petit i un corrent elevat (10Vrms i 15Arms). Això acaba produint> 400Vrms a través del condensador, però a un corrent molt inferior. Aquesta és la màgia dels circuits ressonants! Els circuits ressonants es quantifiquen pel "factor Q". A la bobina del transmissor de 40 cm de diàmetre, el factor Q mesurat és d’uns 40, cosa que significa que és bastant eficient.

Hem simulat i optimitzat la bobina amb el simulador magnetoestàtic 2-D d’Infolytica. Aquest simulador ens va proporcionar una inductància simulada per a cada bobina i la inductància mútua entre les dues bobines.

Valors simulats magnètics:

• Bobina transmissora = 4,35 mH
• Bobina receptora = 0,105 mH
• Inductància mútua = 9,87 uH. K = 6,87e-3 (amb les bobines separades per 0,2 m)

Després vam agafar aquests números i els vam alimentar a SPICE per simular les característiques elèctriques.

Podeu descarregar els fitxers de simulació adjunts i provar de fer les vostres optimitzacions i mesures.

També s’adjunten gràfics de camp, que mostren el camp magnètic produït per les bobines. És interessant que, tot i que estem aportant molta potència, els camps absoluts són força reduïts (a la gamma milliTesla). Això es deu al fet que els camps s’estenen per una gran superfície. Per tant, si sumeu (integreu) el camp magnètic sobre la gran superfície, seria substancial. Però en qualsevol moment del volum és petit. Com a nota lateral, és per això que els transformadors fan servir nuclis de ferro, de manera que el camp magnètic es concentra en una àrea.