High-Range draadloze kracht - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Bouw een draadloos stroomtransmissiesysteem dat een gloeilamp van stroom kan voorzien of een telefoon kan opladen tot op een afstand van 2 meter! Dit maakt gebruik van een resonantiespoelsysteem om magnetische velden van een zendspoel naar een ontvangende spoel te sturen.

We gebruikten dit als een demonstratie tijdens een preek over Maxwell's Four Great Equations in onze kerk! Bekijk het op:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Stap 1: Dingen die je nodig hebt

• 18 gauge magnetische draad. Merk op dat je geen gewone draad kunt gebruiken, je moet magnetische draad gebruiken (die een zeer dunne emaille isolatie heeft). Een voorbeeld is hier beschikbaar op Amazon:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Een 6W (of minder) AC/DC 12V dimbare LED-lamp. Een voorbeeld staat hier:

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

• 1uF condensatoren (geen elektrolyten, moeten niet-gepolariseerd zijn). Je hebt hier een aantal keuzes. Als je een versie met laag vermogen bouwt, kun je 250V 1uF-condensatoren krijgen van Radio Shack of Frys. Als u een versie met hoog vermogen wilt bouwen, heeft u speciale 560V-condensatoren van Digikey nodig.
• 0.47uF Condensator (geen elektrolyten, moet niet-gepolariseerd zijn)
• Een soort eindversterker. We gebruikten een 450W HI-FI eindversterker. Je zou alles kunnen gebruiken, van dat tot een pc-luidspreker. Hoe meer vermogen je gebruikt, hoe meer bereik je eruit haalt.
• Soldeer & soldeerbout. Draadsnijders
• Een stuk triplex en enkele kleine spijkers (gebruikt voor het opwinden van spoelen)
• Zwarte elektrische tape
• Meetlint & liniaal
• Geïsoleerde draad
• Hamer

• Audiobron met variabele frequentie en amplitude die een 8khz-sinustoon genereert. Het is gemakkelijk om een pc, laptop of telefoon met gratis beschikbare software voor het genereren van toon te gebruiken en aan te sluiten op de hoofdtelefoonaansluiting. Ik gebruikte een Mac met deze software:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…Of je zou deze software voor een pc kunnen gebruiken:Je zou ook een functiegenerator kunnen gebruiken als je die hebt (dure testapparatuur)

NTE-condensatoronderdelenlijst (voor de versie met laag vermogen). Deze onderdelen haal je bij Frys

3 x 1uF 50V condensator, NTE CML105M50 (te bevestigen aan de gloeilamp en de kleine spoel)

1 x 0.47uF 50V condensator, NTE CML474M50 (te bevestigen aan de gloeilamp & kleine spoel parallel met 1uF doppen)

1 x 1uF 250V condensator, NTE MLR105K250 (te bevestigen aan de grote spoel)

Digikey Order (voor de high power versie)

Bijgevoegd is een Digikey-onderdelenlijst die u kunt gebruiken voor de versie met hoger vermogen. Deze condensatoren gaan tot 560 V, waardoor u een versterker van ~ 500 W kunt gebruiken en een bereik van bijna 60 cm kunt bereiken. De bijgevoegde versie bevat alleen de absolute minimum onderdelen. Zolang je een Digikey-bestelling doet, bestel wat extra's voor het geval je een fout maakt of er een opblaast (dat geldt met name voor de TVS-beschermingsdiodes, die ik meerdere keren heb gerookt).

Stap 2: Maak de spoelwinder

Om de spoelen op te winden, heb je een frame nodig om ze op te winden.

Op een stuk triplex moet u een kompas gebruiken om een nauwkeurige cirkel van 20 cm en een nauwkeurige cirkel van 40 cm te tekenen.

Hamer nagels gelijkmatig verdeeld rond de cirkel. Voor de cirkel van 20 cm heb ik ongeveer 12 spijkers gebruikt en voor de cirkel van 40 cm heb ik er ongeveer 16 gebruikt. Op een plek in de cirkel wil je een ingangspunt maken dat de draad vasthoudt terwijl je begint met de eerste wikkeling. Sla op die plek nog een spijker dicht bij de ene spijker en dan nog een paar centimeter verder.

Stap 3: Wind de spoel van 40 cm op met 20 omwentelingen en de spoel van 20 cm met 15 omwentelingen

Je maakt eerst een paar lussen met de draad op de buitenste nagel om de draad te verankeren, en start dan de lus rond de spoel. Zorg ervoor dat je aan het begin en einde van de spoel veel extra draad laat. Laat 3 voet vrij om veilig te zijn (je hebt dit nodig om op elektronica aan te sluiten).

Het is verrassend moeilijk om het aantal windingen bij te houden. Gebruik een vriend om je te helpen.

Maak de wikkelingen ECHT strak. Als je losse wikkelingen krijgt, wordt de spoel een puinhoop.

Het is echt moeilijk om de wikkelingen op orde te houden (vooral als je 18 gauge draad gebruikt, 24 draads is gemakkelijker te hanteren maar heeft veel meer verlies). Je hebt dus een paar mensen nodig om je te helpen hem vast te houden terwijl je hem opwindt.

Nadat u klaar bent met draaien, wilt u de inlaatdraad en uitlaatdraad draaien om de spoel stabiel te houden. Plak de spoel vervolgens op verschillende plaatsen vast met isolatietape.

Als je klaar bent met deze stap, zou je twee spoelen moeten hebben, een spoel met een diameter van 20 cm en 15 windingen en een spoel met een diameter van 40 cm en 20 windingen. De spoelen moeten strak worden gewikkeld en vastgezet met tape. Je moet ze gemakkelijk kunnen oppakken en hanteren zonder dat ze uit elkaar vallen of afrollen.

Stap 4: voeg de gloeilamp en elektronica toe aan de spoel van 20 cm

Vervolgens ga je de gloeilamp aan de kleine spoel bevestigen. U moet drie 1uf (1 microfarad, of anders gezegd 1, 000nF) en één 0.47uF (op een andere manier gezegd, 470nF) condensatoren aan de gloeilampposten solderen. Dat is in totaal 3,47uF (parallel tellen de condensatoren op). Als je de high power-versie gebruikt, moet je ook een 20V bidirectionele TVS-diode tussen de gloeilampposten solderen als bescherming tegen overspanning.

Nadat u de condensatoren hebt gesoldeerd, moet u de uiteinden van de spoeldraad helemaal over het midden van de spoel draaien. De draad is stijf genoeg om de lamp te ondersteunen. Nadat je de draad helemaal over de diameter hebt gedraaid, knip je gewoon de uiteinden van de draad af en laat je ze open.

Vervolgens plaats je de gloeilamp in het midden van de gedraaide draad. Je trekt de wendingen uit elkaar, zodat elke draad één aansluiting van de gloeilamp raakt. Vervolgens schraapt u met een mes het draadglazuur eraf en soldeert u vervolgens de schoongemaakte draad aan de gloeilamppalen. Zorg ervoor dat u harskernsoldeer gebruikt. Misschien wilt u extra hars toevoegen, waardoor de stukjes glazuur worden schoongemaakt.

Stap 5: Bevestig de spoel van 40 cm aan de elektronica

Vervolgens moet je de spoel van 40 cm aansluiten op een condensator van 1uF. Hier wordt de versie met hoog vermogen weergegeven, waarbij ik 10x 0.1uF-condensatoren parallel heb aangesloten om één 1uF-condensator te maken (parallel condensatoren optellen). De condensator gaat tussen de spoel en de positieve uitgang van de eindversterker. De andere kant van de spoel gaat rechtstreeks naar de eindversterker GND.

Stap 6: Sluit een sinusgolfbron aan op een eindversterker en probeer het uit

De laatste stap is het creëren van een sinusgolf. U kunt een functiegenerator-app downloaden op uw telefoon of laptop of desktop. U zult willen experimenteren om de beste werkfrequentie te vinden.

Je sluit je sinusbron aan op de audio eindversterker, en vervolgens sluit je de audio eindversterker aan op de 40cm spoel en 1uF condensator, en dan zou alles moeten werken!

Als u een audioversterker met hoog vermogen (100 W of meer) gebruikt, WEES VOORZICHTIG! Het kan zeer hoge spanningen genereren van meer dan +/- 500V. Ik heb getest met een hoogspanningsscope om er zeker van te zijn dat ik de condensatoren niet zou opblazen. Het is ook gemakkelijk om een schok te krijgen als je een blootliggende lead aanraakt.

Als u een krachtige audioversterker gebruikt, kunt u de spoel van 20 cm ook niet te dicht bij de spoel van 40 cm krijgen. Als ze te dichtbij zijn, zal de TVS-diode of LED-lamp opbranden vanwege overmatig vermogen.

Stap 7: Maak de draadloze telefoonoplader

U kunt het circuit eenvoudig aanpassen om een telefoon op te laden. Ik bouwde een tweede spoel van 20 cm en voegde vervolgens alle circuits toe. Dezelfde 3.47uF condensator en TVS-diode worden gebruikt. Dat wordt gevolgd door een bruggelijkrichter (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), gevolgd door een 5V lineaire regelaar (Fairchild LM7805CT), gevolgd door een 47uF tantaalcondensator. Met een krachtige versterker kan het circuit je telefoon gemakkelijk opladen vanaf anderhalve meter afstand!

Stap 8: De resultaten

De gemeten spanning versus afstandscurves zijn bijgevoegd.

Ontwerpmetingen en vergelijking met simulatie en theorie

40cm spoel

• Hoofdspoel = 0,2 m straal, 0,4 m diameter. 18 gauge draad 20 windingen
• Theoretische weerstand = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohm
• Werkelijke weerstand = 0,609 ohm. Afwijking van theorie: +13%
• Gesimuleerde inductantie = 0,435 mH Werkelijke inductantie: 0,49 mH. Afwijking van simulatie: +12%

20cm spoel

• Ontvangstspoel = 0,1 m straal 0,2 m diameter 18 gauge draad 15 windingen
• Theoretische weerstand = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• Werkelijke weerstand = 0,2490. Afwijking van simulatie: +19%
• Gesimuleerde inductie = 0,105 mH. Werkelijke inductantie = 0,1186 mH. Afwijking van simulatie: +12%

Stap 9: Simulatie, optimalisatie en discussie

Hoe we het ontwerp hebben gesimuleerd

We hebben het ontwerp gesimuleerd en geoptimaliseerd in een 2D-mangetostatische simulator en met SPICE.

We gebruikten de gratis 2D-mangetostatische simulator genaamd Infolytica. U kunt hier gratis downloaden:

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

We gebruikten de gratis SPICE-simulator genaamd LTSPICE. Je kunt het hier downloaden:

www.linear.com/designtools/software/

Ontwerpbestanden voor beide simulatoren zijn bijgevoegd.

Discussie

Dit ontwerp maakt gebruik van resonerende magnetostatische krachtoverbrenging. De audio-eindversterker produceert een elektrische stroom die door de zendspoel stroomt en een oscillerend magnetisch veld genereert. Dat magnetische veld wordt opgevangen door de ontvangende spoel en omgezet in een elektrisch veld. In theorie zouden we dat kunnen doen zonder componenten (dus geen condensatoren). Het rendement is echter extreem laag. We wilden in eerste instantie een eenvoudiger ontwerp maken dat alleen de spoelen en geen andere componenten gebruikte, maar de energie-efficiëntie was zo slecht dat de LED niet kon worden ingeschakeld. Dus zijn we overgestapt op een resonantiesysteem. De condensator die we hebben toegevoegd resoneert op een bepaalde frequentie (in dit geval ongeveer 8 kHz). Bij alle andere frequenties is het circuit extreem inefficiënt, maar bij de exacte resonantiefrequentie wordt het zeer efficiënt. De spoel en condensator werken als een soort transformator. Op de zendspoel zetten we een kleine spanning en een hoge stroom (10Vrms en 15Arms). Dat levert uiteindelijk >400Vrms op over de condensator, maar met een veel lagere stroom. Dat is de magie van resonantiecircuits! Resonantiecircuits worden gekwantificeerd door de "Q-factor". In de zenderspoel met een diameter van 40 cm is de gemeten Q-factor ongeveer 40, wat betekent dat dat behoorlijk efficiënt is.

We hebben de spoel gesimuleerd en geoptimaliseerd met Infolytica's 2-D magnetostatische simulator. Die simulator gaf ons een gesimuleerde inductantie voor elke spoel, en de wederzijdse inductantie tussen de twee spoelen.

Magnetische gesimuleerde waarden:

• Zendspoel = 4.35mH
• Ontvangende spoel = 0,105 mH
• Wederzijdse inductie = 9,87uH. K=6.87e-3 (met de spoelen gescheiden door 0.2m)

Vervolgens namen we die cijfers en voerden ze in SPICE in om de elektrische kenmerken te simuleren.

U kunt de bijgevoegde simulatiebestanden downloaden en proberen uw optimalisaties en metingen uit te voeren!

Ook zijn bijgevoegde veldgrafieken die het magnetische veld tonen dat door de spoelen wordt geproduceerd. Het is interessant dat, hoewel we er veel kracht in steken, de absolute velden vrij klein zijn (in het milliTesla-bereik). De velden liggen namelijk verspreid over een groot oppervlak. Dus als je het magnetische veld over het grote oppervlak optelt (integreert), zou het aanzienlijk zijn. Maar op een bepaald punt in het volume is het klein. Terzijde: dit is de reden waarom transformatoren ijzeren kernen gebruiken, zodat het magnetische veld zich in één gebied concentreert.