Ασύρματη ισχύς μεγάλης εμβέλειας: 9 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Δημιουργήστε ένα ασύρματο σύστημα μετάδοσης ισχύος που μπορεί να τροφοδοτήσει έναν λαμπτήρα ή να φορτίσει ένα τηλέφωνο από απόσταση έως και 2 πόδια! Αυτό χρησιμοποιεί ένα ηχηρό σύστημα πηνίου για την αποστολή μαγνητικών πεδίων από ένα πηνίο εκπομπής σε ένα πηνίο λήψης.

Το χρησιμοποιήσαμε ως επίδειξη κατά τη διάρκεια ενός κηρύγματος στις Τέσσερις Μεγάλες Εξισώσεις του Μάξγουελ στην εκκλησία μας! Δείτε το στη διεύθυνση:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Βήμα 1: Πράγματα που θα χρειαστείτε

• Μαγνητικό σύρμα 18 μετρητών. Σημειώστε ότι δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε κανονικό σύρμα, πρέπει να χρησιμοποιήσετε μαγνητικό σύρμα (το οποίο έχει πολύ λεπτή μόνωση σμάλτου). Ένα παράδειγμα είναι διαθέσιμο στο Amazon εδώ:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Ένας λαμπτήρας 6W (ή λιγότερο) AC/DC 12V Dimmable LED. Ένα παράδειγμα είναι εδώ:

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

• Πυκνωτές 1uF (όχι ηλεκτρολυτικοί, πρέπει να είναι μη πολωμένοι). Έχετε κάποιες επιλογές εδώ. Εάν δημιουργήσετε μια έκδοση χαμηλής ισχύος, μπορείτε να πάρετε πυκνωτές 250V 1uF από το Radio Shack ή το Frys. Εάν θέλετε να δημιουργήσετε μια έκδοση υψηλής ισχύος, θα πρέπει να προμηθευτείτε ειδικούς πυκνωτές 560V από την Digikey.
• Πυκνωτής 0.47uF (όχι ηλεκτρολυτικοί, πρέπει να είναι μη πολωμένος)
• Κάποιος ενισχυτής ισχύος. Χρησιμοποιήσαμε έναν ενισχυτή ισχύος 450W HI-FI. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε οτιδήποτε από αυτό μέχρι ένα ηχείο υπολογιστή. Όσο περισσότερο καταναλώνετε, τόσο μεγαλύτερο εύρος θα έχετε.
• Συγκολλητικό & Συγκολλητικό σίδερο. Συρματοκόπτης
• Ένα κομμάτι κόντρα πλακέ και μερικά μικρά καρφιά (χρησιμοποιούνται για την περιέλιξη πηνίων)
• Μαύρη ηλεκτρική ταινία
• Ταινία μέτρησης & χάρακα
• Μονωμένο σύρμα
• Σφυρί

• Πηγή ήχου με μεταβλητή συχνότητα και πλάτος που παράγουν έναν ηχητικό ήχο 8khz. Είναι εύκολο να χρησιμοποιήσετε υπολογιστή, φορητό υπολογιστή ή τηλέφωνο με ελεύθερα διαθέσιμο λογισμικό δημιουργίας τόνων και να συνδεθείτε στην υποδοχή ακουστικών. Χρησιμοποίησα Mac με αυτό το λογισμικό:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… r θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε αυτό το λογισμικό για υπολογιστή: Θα μπορούσατε επίσης να χρησιμοποιήσετε μια γεννήτρια λειτουργιών εάν έχετε ένα (ακριβό κομμάτι εξοπλισμού δοκιμής)

Λίστα μερών πυκνωτών NTE (για την έκδοση χαμηλής ισχύος). Μπορείτε να προμηθευτείτε αυτά τα μέρη στο Frys

3 x 1uF 50V πυκνωτής, NTE CML105M50 (για σύνδεση με τη λάμπα και το μικρό πηνίο)

1 πυκνωτής 0.47uF 50V, NTE CML474M50 (για σύνδεση με τη λάμπα και το μικρό πηνίο παράλληλα με τα καπάκια 1uF)

Πυκνωτής 1 x 1uF 250V, NTE MLR105K250 (για σύνδεση με το μεγάλο πηνίο)

Digikey Order (για την έκδοση υψηλής ισχύος)

Επισυνάπτεται μια λίστα τμημάτων Digikey που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για την έκδοση με μεγαλύτερη ισχύ. Αυτοί οι πυκνωτές ανεβαίνουν στα 560V, ο οποίος σας επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν ενισχυτή ~ 500W και να φτάσετε σε απόσταση σχεδόν δύο ποδιών. Η συνημμένη έκδοση περιλαμβάνει μόνο τα ελάχιστα ανταλλακτικά. Όσο κάνετε μια παραγγελία Digikey, παραγγείλετε μερικά πρόσθετα σε περίπτωση που κάνετε λάθος ή ανατινάξετε ένα (αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τις δίοδοι προστασίας TVS, τις οποίες κάπνισα αρκετές φορές).

Βήμα 2: Φτιάξτε το Coil Winder

Για να τυλίξετε τα πηνία, χρειάζεστε ένα πλαίσιο για να τα τυλίξετε.

Σε ένα κομμάτι κόντρα πλακέ, πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια πυξίδα για να σχεδιάσετε έναν ακριβή κύκλο 20 εκατοστών και έναν ακριβή κύκλο 40 εκατοστών.

Τα καρφιά σφυριού ομοιόμορφα τοποθετημένα γύρω από τον κύκλο. Για τον κύκλο 20 εκατοστών, χρησιμοποίησα περίπου 12 καρφιά και για τον κύκλο 40 εκατοστά, χρησιμοποίησα περίπου 16. Σε ένα σημείο του κύκλου, θα θελήσετε να δημιουργήσετε ένα σημείο εισόδου που θα συγκρατεί το σύρμα ενώ ξεκινάτε την πρώτη περιέλιξη Το Σε εκείνο το σημείο, σφυρίξτε ένα άλλο καρφί κοντά στο ένα καρφί και μετά ένα άλλο μερικά εκατοστά μακριά.

Βήμα 3: Τυλίξτε το πηνίο 40εκ με 20 στροφές και το πηνίο 20εκ με 15 στροφές

Θα κάνετε πρώτα μερικούς βρόχους με το σύρμα στο εξωτερικό καρφί για να αγκυρώσετε το σύρμα και, στη συνέχεια, ξεκινήστε τον βρόχο γύρω από το πηνίο. Βεβαιωθείτε ότι έχετε αφήσει πολύ επιπλέον σύρμα στην αρχή και στο τέλος του πηνίου. Αφήστε 3 πόδια για να είστε ασφαλείς (θα χρειαστείτε αυτό για να συνδεθείτε με τα ηλεκτρονικά).

Είναι εκπληκτικά δύσκολο να παρακολουθούμε τον αριθμό των περιελίξεων. Χρησιμοποιήστε έναν φίλο για να σας βοηθήσει.

Κάντε τις περιελίξεις ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ σφιχτές. Εάν καταλήξετε με χαλαρά τυλίγματα, το πηνίο θα είναι ένα χάος.

Είναι πραγματικά δύσκολο να διατηρήσετε τις περιελίξεις σε τάξη (ειδικά εάν χρησιμοποιείτε σύρμα 18 guage, το 24μετρο μετρητή είναι ευκολότερο να χειριστεί αλλά έχει πολύ μεγαλύτερη απώλεια). Έτσι, θα χρειαστείτε μερικά άτομα που θα σας βοηθήσουν να το κρατήσετε πατημένο καθώς το τυλίγετε.

Αφού τελειώσετε τις στροφές, θα θέλετε να στρίψετε το καλώδιο εισόδου και το καλώδιο εξόδου για να κρατήσετε το πηνίο σταθερό. Στη συνέχεια, κολλήστε το πηνίο με ηλεκτρική ταινία σε πολλά σημεία.

Όταν τελειώσετε με αυτό το βήμα, θα πρέπει να έχετε δύο πηνία, ένα πηνίο με διάμετρο 20cm και 15 στροφές και ένα πηνίο με διάμετρο 40cm και 20 στροφές. Τα πηνία πρέπει να τυλίγονται σφιχτά και να στερεώνονται με ταινία. Θα πρέπει να είστε σε θέση να τα μαζέψετε και να τα χειριστείτε εύκολα χωρίς να διαλυθούν ή να χαλαρώσουν.

Βήμα 4: Προσθέστε τη λάμπα & τα ηλεκτρονικά στο πηνίο 20 εκατοστών

Στη συνέχεια, θα συνδέσετε τη λάμπα στο μικρό πηνίο. Πρέπει να συγκολλήσετε τρεις πυκνωτές 1uf (1 microfarad, ή με διαφορετικό τρόπο 1, 000nF) και έναν πυκνωτή 0.47uF (με διαφορετικό τρόπο, 470nF) στις θέσεις του λαμπτήρα. Αυτό είναι συνολικά 3.47uF (οι πυκνωτές αθροίζονται παράλληλα). Εάν χρησιμοποιείτε την έκδοση υψηλής ισχύος, θα πρέπει επίσης να κολλήσετε μια δίοδο 20V αμφίδρομης TVS μεταξύ των στύλων του λαμπτήρα ως προστασία από υπερτάσεις.

Αφού συγκολλήσετε τους πυκνωτές, πρέπει να στρίψετε τα άκρα του σύρματος πηνίου μέχρι το κέντρο του πηνίου. Το σύρμα είναι αρκετά σκληρό για να στηρίξει τον λαμπτήρα. Αφού στρίψετε το σύρμα σε όλη τη διάμετρο, θα κόψετε μόνο τα άκρα του σύρματος και θα τα αφήσετε ανοιχτά.

Στη συνέχεια, θα τοποθετήσετε τη λάμπα στο κέντρο του στριμμένου σύρματος. Θα διαχωρίσετε τις ανατροπές, έτσι ώστε κάθε σύρμα να αγγίζει έναν ακροδέκτη του λαμπτήρα. Στη συνέχεια, αφαιρείτε το συρμάτινο σμάλτο με ένα μαχαίρι και στη συνέχεια κολλάτε το καθαρισμένο σύρμα στις βάσεις του λαμπτήρα. Βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείτε συγκόλληση πυρήνα κολοφώνιο. Μπορεί να θέλετε να προσθέσετε επιπλέον κολοφώνιο, το οποίο θα σας βοηθήσει να καθαρίσετε τα σμάλτα.

Βήμα 5: Συνδέστε το πηνίο 40cm στα Ηλεκτρονικά

Στη συνέχεια, θα χρειαστεί να συνδέσετε το πηνίο 40cm σε έναν πυκνωτή 1uF. Εδώ φαίνεται η έκδοση υψηλής ισχύος, όπου έχω συνδέσει 10x πυκνωτές 0.1uF παράλληλα για να φτιάξω έναν πυκνωτή 1uF (οι πυκνωτές παράλληλα αθροίζονται). Ο πυκνωτής πηγαίνει μεταξύ του πηνίου και της θετικής εξόδου του ενισχυτή ισχύος. Η άλλη πλευρά του πηνίου πηγαίνει απευθείας στον ενισχυτή ισχύος GND.

Βήμα 6: Συνδέστε μια πηγή ημιτονοειδούς κύματος σε έναν ενισχυτή και δοκιμάστε το

Το τελευταίο βήμα είναι η δημιουργία ημιτονοειδούς κύματος. Μπορείτε να κατεβάσετε μια εφαρμογή δημιουργίας λειτουργιών στο τηλέφωνό σας ή στο φορητό υπολογιστή ή στην επιφάνεια εργασίας σας. Θα θέλετε να πειραματιστείτε για να βρείτε την καλύτερη συχνότητα λειτουργίας.

Συνδέετε την πηγή ημιτόνου σας στον ενισχυτή ισχύος ήχου και, στη συνέχεια, συνδέετε την ισχύ του ήχου με το πηνίο 40 εκατοστών και τον πυκνωτή 1uF και, στη συνέχεια, όλα πρέπει να λειτουργήσουν!

Εάν χρησιμοποιείτε ενισχυτή ήχου υψηλής ισχύος (100 W ή μεγαλύτερη), ΠΡΟΣΟΧΗ! Μπορεί να παράγει πολύ υψηλές τάσεις άνω των +/- 500V. Δοκίμασα με εύρος υψηλής τάσης για να διασφαλίσω ότι δεν πρόκειται να ανατινάξω τους πυκνωτές. Είναι επίσης εύκολο να σοκαριστείτε εάν αγγίξετε ένα εκτεθειμένο μόλυβδο.

Επίσης, εάν χρησιμοποιείτε ενισχυτή ήχου υψηλής ισχύος, δεν μπορείτε να πάρετε το πηνίο 20 εκατοστών πολύ κοντά στο πηνίο των 40 εκατοστών. Εάν είναι πολύ κοντά, η δίοδος TVS ή ο λαμπτήρας LED θα καούν λόγω υπερβολικής ισχύος.

Βήμα 7: Δημιουργήστε τον ασύρματο φορτιστή τηλεφώνου

Μπορείτε εύκολα να τροποποιήσετε το κύκλωμα για να φορτίσετε ένα τηλέφωνο. Δημιούργησα ένα δεύτερο πηνίο 20 εκατοστών και στη συνέχεια πρόσθεσα όλο το κύκλωμα. Χρησιμοποιείται ο ίδιος πυκνωτής 3.47uF και η δίοδος TVS. Ακολουθεί ανορθωτής γέφυρας (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), ακολουθούμενος από γραμμικό ρυθμιστή 5V (Fairchild LM7805CT), ακολουθούμενος από πυκνωτή τανταλίου 47uF. Με ενισχυτή υψηλής ισχύος, το κύκλωμα μπορεί εύκολα να φορτίσει το τηλέφωνό σας από απόσταση ενάμισι ποδιού!

Βήμα 8: Τα αποτελέσματα

Επισυνάπτονται οι καμπύλες μετρημένης τάσης έναντι απόστασης.

Μετρήσεις σχεδιασμού και σύγκριση με προσομοίωση & θεωρία

Πηνίο 40εκ

• Κύριο πηνίο = ακτίνα 0,2m, διάμετρο 0,4m. Σύρμα 18 μετρητών 20 περιελίξεων
• Θεωρητική αντίσταση = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 ohms
• Πραγματική αντίσταση = 0,609 ohms. Απόκλιση από τη θεωρία: +13%
• Προσομοιωμένη επαγωγή = 0.435mH Πραγματική επαγωγή: 0.49mH. Απόκλιση από προσομοίωση: +12%

Πηνίο 20εκ

• Πηνίο λήψης = ακτίνα 0,1 m διάμετρος 0,2 m 18 σύρμα περιστροφής 15 περιελίξεις
• Θεωρητική αντίσταση = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• Πραγματική αντίσταση = 0,2490. Διακύμανση από προσομοίωση: +19%
• Προσομοιωμένη επαγωγή = 0,105mH. Πραγματική επαγωγή = 0,1186mH. Απόκλιση από προσομοίωση: +12%

Βήμα 9: Προσομοίωση, Βελτιστοποίηση & Συζήτηση

Πώς προσομοιώσαμε το σχέδιο

Προσομοιώσαμε και βελτιστοποιήσαμε τον σχεδιασμό σε έναν 2-δ προσομοιωτή μανγκετοστατικό και με SPICE.

Χρησιμοποιήσαμε τον δωρεάν προσομοιωτή 2-D mangetostatic που ονομάζεται Infolytica. Μπορείτε να κατεβάσετε δωρεάν εδώ:

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

Χρησιμοποιήσαμε τον δωρεάν προσομοιωτή SPICE που ονομάζεται LTSPICE. Μπορείτε να το κατεβάσετε εδώ:

www.linear.com/designtools/software/

Επισυνάπτονται αρχεία σχεδιασμού και για τους δύο προσομοιωτές.

Συζήτηση

Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί συντονισμένη μαγνητοστατική μετάδοση ισχύος. Ο ενισχυτής ισχύος ήχου παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μέσω του πηνίου εκπομπής και δημιουργεί ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό το μαγνητικό πεδίο λαμβάνεται από το πηνίο λήψης και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό πεδίο. Θεωρητικά, θα μπορούσαμε να το κάνουμε χωρίς κανένα στοιχείο (δηλαδή χωρίς πυκνωτές). Ωστόσο, η απόδοση είναι εξαιρετικά χαμηλή. Αρχικά θέλαμε να κάνουμε έναν απλούστερο σχεδιασμό που χρησιμοποιούσε μόνο τα πηνία και κανένα άλλο εξάρτημα, ωστόσο, η απόδοση της ενέργειας ήταν τόσο κακή που δεν μπορούσε να ανάψει το LED. Έτσι περάσαμε σε ένα ηχηρό σύστημα. Ο πυκνωτής που προσθέσαμε αντηχεί σε μία ιδιαίτερα συχνότητα (σε αυτή την περίπτωση περίπου 8kHz). Σε όλες τις άλλες συχνότητες το κύκλωμα είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικό, αλλά στην ακριβή συχνότητα συντονισμού γίνεται πολύ αποδοτικό. Ο επαγωγέας και ο πυκνωτής λειτουργούν σαν μετασχηματιστές. Στο πηνίο εκπομπής, βάζουμε μια μικρή τάση και ένα υψηλό ρεύμα (10Vrms και 15Arms). Αυτό καταλήγει να παράγει> 400Vrms στον πυκνωτή, αλλά σε πολύ χαμηλότερο ρεύμα. Αυτή είναι η μαγεία των κυκλωμάτων αντήχησης! Τα κυκλώματα συντονισμού ποσοτικοποιούνται με τον "συντελεστή Q". Στο πηνίο πομπού διαμέτρου 40 εκατοστών, ο μετρημένος συντελεστής Q είναι περίπου 40, που σημαίνει ότι είναι αρκετά αποδοτικός.

Προσομοιώσαμε & βελτιστοποιήσαμε το πηνίο με τον μαγνητικό στατικό προσομοιωτή 2-D της Infolytica. Αυτός ο προσομοιωτής μας έδωσε μια προσομοιωμένη επαγωγή για κάθε πηνίο και την αμοιβαία επαγωγή μεταξύ των δύο πηνίων.

Μαγνητικές προσομοιωμένες τιμές:

• Πηνίο εκπομπής = 4,35mH
• Πηνίο λήψης = 0,105mH
• Αμοιβαία επαγωγή = 9,87uH. K = 6.87e-3 (με τα πηνία χωρισμένα κατά 0.2m)

Στη συνέχεια πήραμε αυτούς τους αριθμούς και τους τροφοδοτήσαμε με SPICE για να προσομοιώσουμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά.

Μπορείτε να κατεβάσετε τα συνημμένα αρχεία προσομοίωσης και να προσπαθήσετε να κάνετε τις βελτιστοποιήσεις και τις μετρήσεις σας!

Επίσης επισυνάπτονται γραφήματα πεδίου, που δείχνουν το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τα πηνία. Είναι ενδιαφέρον ότι παρόλο που βάζουμε πολλή ισχύ, τα απόλυτα πεδία είναι αρκετά μικρά (στην περιοχή milliTesla). Αυτό συμβαίνει επειδή τα χωράφια απλώνονται σε μεγάλη επιφάνεια. Έτσι, αν προσθέσετε (ενσωματώσετε) το μαγνητικό πεδίο σε μια μεγάλη επιφάνεια, θα είναι σημαντικό. Αλλά σε οποιοδήποτε σημείο του τόμου είναι μικροσκοπικό. Ως δευτερεύουσα σημείωση, αυτός είναι ο λόγος που οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούν πυρήνες σιδήρου, έτσι ώστε το μαγνητικό πεδίο να συγκεντρώνεται σε μία περιοχή.