Drahtlose High-Range-Leistung - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Bauen Sie ein drahtloses Stromübertragungssystem, das eine Glühbirne mit Strom versorgen oder ein Telefon aus einer Entfernung von bis zu 60 cm aufladen kann! Diese verwendet ein Resonanzspulensystem, um Magnetfelder von einer Sendespule an eine Empfangsspule zu senden.

Wir haben dies als Demo während einer Predigt über die Vier Großen Gleichungen von Maxwell in unserer Kirche verwendet! Schau es dir an unter:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Schritt 1: Dinge, die Sie brauchen

• 18-Gauge-Magnetdraht. Beachten Sie, dass Sie keinen normalen Draht verwenden können, sondern Magnetdraht (der eine sehr dünne Emailisolierung hat). Ein Beispiel gibt es hier bei Amazon:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Eine 6W (oder weniger) AC/DC 12V dimmbare LED-Glühbirne. Ein Beispiel ist hier:

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

• 1uF-Kondensatoren (keine Elektrolyte, müssen nicht polarisiert sein). Sie haben hier einige Möglichkeiten. Wenn Sie eine Low-Power-Version bauen, erhalten Sie 250V 1uF-Kondensatoren von Radio Shack oder Frys. Wenn Sie eine Hochleistungsversion bauen möchten, benötigen Sie spezielle 560-V-Kondensatoren von Digikey.
• 0,47 uF Kondensator (keine Elektrolyte, muss nicht polarisiert sein)
• Eine Art Leistungsverstärker. Wir haben eine 450W HI-FI-Endstufe verwendet. Sie könnten alles verwenden, bis hin zu einem PC-Lautsprecher. Je mehr Leistung Sie verwenden, desto mehr Reichweite haben Sie.
• Löten & Lötkolben. Kabelschneider
• Ein Stück Sperrholz und einige kleine Nägel (zum Wickeln von Spulen verwendet)
• Schwarzes Isolierband
• Maßband & Lineal
• Isolierter Draht
• Hammer

• Audioquelle mit variabler Frequenz und Amplitude, die einen 8-kHz-Sinuston erzeugt. Es ist einfach, einen PC, Laptop oder Telefon mit kostenlos erhältlicher Tonerzeugungssoftware zu verwenden und an die Kopfhörerbuchse anzuschließen. Ich habe einen Mac mit dieser Software verwendet:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…Oder Sie könnten diese Software für einen PC verwenden:Sie könnten auch einen Funktionsgenerator verwenden, wenn Sie einen haben (teures Testgerät)

NTE-Kondensator-Teileliste (für die Low-Power-Version). Sie können diese Teile bei Frys bekommen

3 x 1uF 50V Kondensator, NTE CML105M50 (zum Anbringen an der Glühbirne und der kleinen Spule)

1 x 0,47uF 50V Kondensator, NTE CML474M50 (zum Anbringen an die Glühbirne & kleine Spule parallel mit 1uF Kappen)

1 x 1uF 250V Kondensator, NTE MLR105K250 (zum Anbringen an die große Spule)

Digikey Order (für die Hochleistungsversion)

Beigefügt ist eine Digikey-Teileliste, die Sie für die Version mit höherer Leistung verwenden können. Diese Kondensatoren reichen bis zu 560 V, wodurch Sie einen ~500-W-Verstärker verwenden und eine Reichweite von fast 60 cm erreichen können. Die angehängte Version enthält nur das Nötigste. Solange Sie eine Digikey-Bestellung aufgeben, bestellen Sie einige Extras, falls Sie einen Fehler machen oder eine sprengen (das gilt insbesondere für die TVS-Schutzdioden, die ich mehrmals geraucht habe).

Schritt 2: Machen Sie den Spulenwickler

Um die Spulen zu wickeln, benötigen Sie einen Rahmen, um sie herumzuwickeln.

Auf einem Stück Sperrholz müssen Sie mit einem Zirkel einen präzisen 20-cm-Kreis und einen genauen 40-cm-Kreis zeichnen.

Hämmern Sie die Nägel gleichmäßig um den Kreis herum. Für den 20-cm-Kreis habe ich etwa 12 Nägel verwendet und für den 40-cm-Kreis etwa 16. An einer Stelle im Kreis möchten Sie einen Einstiegspunkt machen, der den Draht hält, während Sie mit der ersten Wicklung beginnen. Hämmern Sie an dieser Stelle einen weiteren Nagel in der Nähe eines Nagels, dann einen weiteren ein paar Zentimeter entfernt.

Schritt 3: Wickeln Sie die 40cm Spule mit 20 Umdrehungen und die 20cm Spule mit 15 Umdrehungen

Sie machen zuerst ein paar Schlaufen mit dem Draht auf dem äußeren Nagel, um den Draht zu verankern, und beginnen dann die Schlaufe um die Spule. Stellen Sie sicher, dass Sie am Anfang und am Ende der Spule viel zusätzlichen Draht lassen. Lassen Sie 3 Fuß, um sicher zu sein (Sie benötigen dies, um an die Elektronik anzuschließen).

Es ist überraschend schwer, die Anzahl der Wicklungen im Auge zu behalten. Verwenden Sie einen Freund, um Ihnen zu helfen.

Machen Sie die Wicklungen WIRKLICH fest. Wenn Sie lose Wicklungen haben, wird die Spule ein Durcheinander sein.

Es ist wirklich schwierig, die Wicklungen in Ordnung zu halten (besonders wenn Sie 18er Draht verwenden, 24er Draht ist einfacher zu handhaben, hat aber viel mehr Verlust). Sie brauchen also ein paar Leute, die Ihnen helfen, es beim Aufziehen festzuhalten.

Nachdem Sie die Drehungen beendet haben, sollten Sie den Einlassdraht und den Auslassdraht verdrehen, um die Spule stabil zu halten. Dann die Spule an mehreren Stellen mit Isolierband abkleben.

Wenn Sie mit diesem Schritt fertig sind, sollten Sie zwei Spulen haben, eine Spule mit 20 cm Durchmesser und 15 Windungen und eine Spule mit 40 cm Durchmesser und 20 Windungen. Die Spulen sollten fest gewickelt und mit Klebeband gesichert werden. Sie sollten in der Lage sein, sie aufzuheben und leicht zu handhaben, ohne dass sie auseinanderfallen oder sich abwickeln.

Schritt 4: Fügen Sie die Glühbirne und die Elektronik der 20-cm-Spule hinzu

Als nächstes werden Sie die Glühbirne an der kleinen Spule befestigen. Sie müssen drei 1uf (1 Mikrofarad oder anders gesagt 1.000 nF) und einen 0,47 uF (anders gesagt 470 nF) Kondensatoren an die Glühbirnenpfosten löten. Das sind insgesamt 3,47uF (Kondensatoren addieren sich parallel). Bei der High Power Version sollte zusätzlich eine 20V bidirektionale TVS Diode zwischen die Glühbirnenpfosten als Überspannungsschutz gelötet werden.

Nachdem Sie die Kondensatoren gelötet haben, müssen Sie die Enden des Spulendrahts ganz über die Mitte der Spule verdrehen. Der Draht ist steif genug, um die Glühbirne zu tragen. Nachdem Sie den Draht über den gesamten Durchmesser verdreht haben, schneiden Sie einfach die Enden des Drahtes ab und lassen sie offen.

Dann platzieren Sie die Glühbirne in der Mitte des verdrillten Drahtes. Du ziehst die Windungen auseinander, sodass jeder Draht einen Anschluss der Glühbirne berührt. Dann kratzt man mit einem Messer den Drahtlack ab und lötet dann den gereinigten Draht an die Glühbirnenpfosten. Stellen Sie sicher, dass Sie Kolophoniumkernlot verwenden. Vielleicht möchten Sie zusätzliches Kolophonium hinzufügen, um die Emaillestücke zu reinigen.

Schritt 5: Befestigen Sie die 40-cm-Spule an der Elektronik

Als nächstes müssen Sie die 40-cm-Spule an einen 1uF-Kondensator anschließen. Hier gezeigt ist die Hochleistungsversion, bei der ich 10x 0,1uF-Kondensatoren parallel geschaltet habe, um einen 1uF-Kondensator zu bilden (Kondensatoren in Parallelschaltung addieren sich). Der Kondensator geht zwischen die Spule und den positiven Ausgang des Leistungsverstärkers. Die andere Seite der Spule geht direkt zum Leistungsverstärker GND.

Schritt 6: Schließen Sie eine Sinuswellenquelle an eine Endstufe an und probieren Sie es aus

Der letzte Schritt besteht darin, eine Sinuswelle zu erstellen. Sie können eine Funktionsgenerator-App auf Ihr Telefon, Laptop oder Desktop herunterladen. Sie sollten experimentieren, um die beste Betriebsfrequenz zu finden.

Sie schließen Ihre Sinusquelle an die Audio-Endstufe an und schließen dann die Audio-Endstufe an die 40-cm-Spule und den 1uF-Kondensator an, und dann sollte alles funktionieren!

Seien Sie VORSICHTIG, wenn Sie einen Hochleistungs-Audioverstärker (100 W oder mehr) verwenden! Es kann sehr hohe Spannungen von mehr als +/-500 V erzeugen. Ich habe mit einem Hochspannungsbereich getestet, um sicherzustellen, dass ich die Kondensatoren nicht sprengen würde. Es ist auch leicht, einen Schock zu bekommen, wenn Sie eine freiliegende Leitung berühren.

Auch wenn Sie einen Hochleistungs-Audioverstärker verwenden, können Sie die 20-cm-Spule nicht zu nahe an die 40-cm-Spule heranbringen. Wenn sie zu nahe sind, brennt die TVS-Diode oder die LED-Glühbirne aufgrund zu hoher Leistung durch.

Schritt 7: Erstellen Sie das kabellose Telefonladegerät

Sie können den Stromkreis leicht ändern, um ein Telefon aufzuladen. Ich baute eine zweite 20-cm-Spule und fügte dann die gesamte Schaltung hinzu. Es werden der gleiche 3.47uF-Kondensator und die gleiche TVS-Diode verwendet. Es folgt ein Brückengleichrichter (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), gefolgt von einem 5V-Linearregler (Fairchild LM7805CT), gefolgt von einem 47uF-Tantalkondensator. Mit einem Hochleistungsverstärker kann die Schaltung Ihr Telefon problemlos aus einer Entfernung von anderthalb Fuß aufladen!

Schritt 8: Die Ergebnisse

Die gemessenen Spannungs-Abstands-Kurven sind beigefügt.

Konstruktionsmessungen und Vergleich mit Simulation & Theorie

40cm Spule

• Hauptspule = 0,2 m Radius, 0,4 m Durchmesser. 18 Gauge Draht 20 Wicklungen
• Theoretischer Widerstand = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 Ohm
• Tatsächlicher Widerstand = 0,609 Ohm. Abweichung von der Theorie: +13%
• Simulierte Induktivität = 0,435 mH Tatsächliche Induktivität: 0,49 mH. Abweichung von der Simulation: +12%

20cm Spule

• Empfangsspule = 0,1 m Radius 0,2 m Durchmesser 18 Drahtstärke 15 Windungen
• Theoretischer Widerstand = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Tatsächlicher Widerstand = 0,2490. Abweichung von der Simulation: +19%
• Simulierte Induktivität = 0,105 mH. Tatsächliche Induktivität = 0,1186 mH. Abweichung von der Simulation: +12%

Schritt 9: Simulation, Optimierung & Diskussion

Wie wir das Design simuliert haben

Wir haben das Design in einem 2D-Mangetostatischen Simulator und mit SPICE simuliert und optimiert.

Wir haben den kostenlosen 2D-mangetostatischen Simulator namens Infolytica verwendet. Hier können Sie kostenlos herunterladen:

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

Wir haben den kostenlosen SPICE-Simulator namens LTSPICE verwendet. Sie können es hier herunterladen:

www.linear.com/designtools/software/

Designdateien für beide Simulatoren sind beigefügt.

Diskussion

Dieses Design verwendet eine resonante magnetostatische Kraftübertragung. Die Audio-Endstufe erzeugt einen elektrischen Strom, der durch die Sendespule fließt und ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wird von der Empfangsspule empfangen und in ein elektrisches Feld umgewandelt. Theoretisch könnten wir das ohne Komponenten (also ohne Kondensatoren) tun. Allerdings ist der Wirkungsgrad extrem gering. Wir wollten ursprünglich ein einfacheres Design machen, das nur die Spulen und keine anderen Komponenten verwendet, aber die Energieeffizienz war so schlecht, dass die LED nicht eingeschaltet werden konnte. Also wechselten wir zu einem Resonanzsystem. Der von uns hinzugefügte Kondensator schwingt bei einer bestimmten Frequenz (in diesem Fall etwa 8 kHz). Bei allen anderen Frequenzen ist die Schaltung extrem ineffizient, aber bei der exakten Resonanzfrequenz wird sie sehr effizient. Die Induktivität und der Kondensator wirken wie eine Art Transformator. An der Sendespule legen wir eine kleine Spannung und einen hohen Strom (10Vrms und 15Arms) an. Dies führt zu einer Produktion von > 400 Vrms über den Kondensator, jedoch bei einem viel niedrigeren Strom. Das ist die Magie von Resonanzkreisen! Schwingkreise werden durch den "Q-Faktor" quantifiziert. Bei der Sendespule mit 40 cm Durchmesser beträgt der gemessene Q-Faktor etwa 40, was bedeutet, dass dies ziemlich effizient ist.

Wir haben die Spule mit dem 2-D-Magnetostatischen Simulator von Infolytica simuliert und optimiert. Dieser Simulator gab uns eine simulierte Induktivität für jede Spule und die Gegeninduktivität zwischen den beiden Spulen.

Magnetisch simulierte Werte:

• Sendespule = 4,35 mH
• Empfangsspule = 0,105 mH
• Gegeninduktivität = 9,87uH. K=6.87e-3 (mit 0,2m Abstand zwischen den Spulen)

Wir haben dann diese Zahlen genommen und sie in SPICE eingespeist, um die elektrischen Eigenschaften zu simulieren.

Sie können die beigefügten Simulationsdateien herunterladen und versuchen, Ihre Optimierungen und Messungen vorzunehmen!

Beigefügt sind auch Felddiagramme, die das von den Spulen erzeugte Magnetfeld zeigen. Interessant ist, dass die absoluten Felder trotz des hohen Leistungseinsatzes recht klein sind (im Milli-Tesla-Bereich). Denn die Felder sind über eine große Fläche verteilt. Wenn Sie also das Magnetfeld über die große Oberfläche addieren (integrieren), wäre es erheblich. Aber an jedem beliebigen Punkt in der Lautstärke ist es winzig. Als Randnotiz verwenden Transformatoren deshalb Eisenkerne, damit sich das Magnetfeld auf einen Bereich konzentriert.