High-Range Wireless Power: 9 Mga Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:15

Bumuo ng isang Wireless Power Transmission system na maaaring magpagana ng isang bombilya o singilin ang isang telepono mula sa hanggang 2 talampakan ang layo! Gumagamit ito ng isang resonant coil system upang magpadala ng mga magnetic field mula sa isang nagpapadala na coil sa isang tumatanggap na coil.

Ginamit namin ito bilang isang demo sa panahon ng isang sermon tungkol sa Apat na Mahusay na Equation ni Maxwell sa aming simbahan! Suriin ito sa:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Hakbang 1: Mga Bagay na Kakailanganin Mo

• 18 gauge magnetic wire. Tandaan na hindi ka maaaring gumamit ng regular na kawad, kailangan mong gumamit ng magnetic wire (na may isang manipis na pagkakabukod ng enamel dito). Ang isang halimbawa ay magagamit sa Amazon dito:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Isang 6W (o mas kaunti) AC / DC 12V Dimmable LED light bombilya. Ang isang halimbawa ay narito:

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

• Ang 1uF capacitor (hindi electrolytic, dapat na hindi polarised). Mayroon kang ilang mga pagpipilian dito. Kung bumuo ka ng isang mababang bersyon ng kuryente, maaari kang makakuha ng 250V 1uF capacitors mula sa Radio Shack o Frys. Kung nais mong bumuo ng isang mataas na bersyon ng lakas, kakailanganin mong makakuha ng mga espesyal na 560V capacitor mula sa Digikey.
• 0.47uF Capacitor (hindi electrolytic, dapat na hindi polarised)
• Ang ilang uri ng power amplifier. Gumamit kami ng 450W HI-FI power amp. Maaari mong gamitin ang anumang bagay mula sa pababa sa isang PC speaker. Ang lakas na ginagamit mo, mas maraming saklaw ka dito.
• Solder at bakal na bakal. Mga pamutol ng wire
• Isang piraso ng playwud at ilang maliliit na mga kuko (ginagamit para sa paikot-ikot na mga coil)
• Itim na Electrical tape
• Pagsukat ng tape at pinuno
• Insulated wire
• Martilyo

• Pinagmulan ng audio na may dalas ng variable at amplitude na bumubuo ng isang 8khz sine tone. Madaling gamitin ang isang PC, Laptop o telepono na may malayang magagamit na tone-tone na software at kumonekta sa headphone jack. Gumamit ako ng Mac sa software na ito:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… O maaari mong gamitin ang software na ito para sa isang PC: Maaari mo ring gamitin ang isang generator ng pag-andar kung mayroon kang isa (mamahaling piraso ng kagamitan sa pagsubok)

Listahan ng Bahagi ng NTE Capacitor (para sa mababang bersyon ng kuryente). Maaari mong makuha ang mga bahaging ito sa Frys

3 x 1uF 50V capacitor, NTE CML105M50 (upang ilakip sa bombilya at ang maliit na likid)

1 x 0.47uF 50V capacitor, NTE CML474M50 (upang ilakip sa light bombilya at maliit na likid na kahanay ng 1uF cap)

1 x 1uF 250V capacitor, NTE MLR105K250 (upang ilakip sa malaking likid)

Digikey Order (para sa mataas na bersyon ng lakas)

Nakalakip ay isang Digikey Part List na maaari mong gamitin para sa mas mataas na pinalakas na bersyon. Ang mga capacitor na ito ay umakyat sa 560V, na nagbibigay-daan sa iyo upang gumamit ng isang ~ 500W amplifier, at bumangon ng halos dalawang talampakan ang saklaw. Ang nakalakip na bersyon ay nagsasama lamang ng mga hubad na pinakamaliit na bahagi. Hangga't gumagawa ka ng isang order na Digikey, mag-order ng ilang mga extra kung sakaling nagkamali ka o pumutok (partikular na totoo iyon sa mga diode ng proteksyon ng TVS, na pinausukan ko ng maraming beses).

Hakbang 2: Gawin ang Coil Winder

Upang maiwaksi ang mga coil, kailangan mo ng isang frame upang paikutin ang mga ito sa paligid.

Sa isang piraso ng playwud, kailangan mong gumamit ng isang compass upang maglabas ng isang tumpak na 20 cm na bilog at isang tumpak na 40 cm na bilog.

Ang mga kuko ng martilyo ay pantay na spaced sa paligid ng bilog. Para sa bilog na 20 cm, ginamit ko ang paligid ng 12 mga kuko at para sa bilog na 40 cm, ginamit ko ang paligid ng 16. Sa isang lugar sa bilog, gugustuhin mong gumawa ng isang entry point na hawakan ang kawad habang ang iyong simula ay ang unang paikot-ikot. Sa lugar na iyon, martilyo ng isa pang kuko na malapit sa isang kuko, pagkatapos ay isa pang isang pulgada ang layo.

Hakbang 3: Hangin ang 40cm Coil Na May 20 Turns at ang 20cm Coil Na May 15 Turns

Gagawa ka muna ng ilang mga loop na may kawad sa labas ng kuko upang mai-angkla ang kawad, pagkatapos ay simulan ang loop sa paligid ng likid. Tiyaking nag-iiwan ka ng maraming sobrang kawad sa simula at dulo ng likid. Iwanan ang 3 talampakan upang maging ligtas (kakailanganin mo ito upang mag-hook up sa electronics).

Nakakagulat na mahirap subaybayan ang bilang ng mga paikot-ikot. Gumamit ng isang kaibigan upang matulungan ka.

Gawing masikip ang mga windings. Kung napunta ka sa maluwag na paikot-ikot, ang coil ay magiging gulo.

Mahirap talagang panatilihin ang pagkakasunud-sunod ng mga windings (lalo na kung gumagamit ka ng 18 guage wire, mas madaling hawakan ang 24 wire gauge ngunit may mas maraming pagkawala). Kaya kakailanganin mo ang ilang mga tao upang matulungan kang hawakan ito habang pinapaligiran mo ito.

Matapos mong tapusin ang mga liko, gugustuhin mong iikot ang inlet wire at outlet wire upang hawakan ang coil na matatag. Pagkatapos ay i-tape ang coil na may electrical tape sa maraming mga spot.

Kapag tapos ka na sa hakbang na ito dapat kang magkaroon ng dalawang coil, isang coil na may diameter na 20cm at 15 liko at isang coil na may 40cm diameter at 20 turn. Ang mga coil ay dapat na sugat mahigpit, at naka-secure sa tape. Dapat mong kunin ang mga ito at mahawakan ang mga ito nang madali nang hindi sila nagwasak o nag-unwind.

Hakbang 4: Idagdag ang Lightbulb & Electronics sa 20cm Coil

Susunod, ikakabit mo ang bombilya sa maliit na likid. Kailangan mong maghinang ng tatlong 1uf (1 microfarad, o sinabing iba't ibang paraan 1, 000nF) at isang 0.47uF (sinabi ng ibang paraan, 470nF) na mga capacitor sa mga ilaw na post ng bombilya. Iyon ay isang kabuuang 3.47uF (ang mga capacitor ay nagdaragdag nang kahanay). Kung ginagawa mo ang mataas na bersyon ng lakas, dapat mo ring maghinang ng isang 20V na bidirectional TVS na diode sa pagitan ng mga post ng bombilya bilang proteksyon laban sa sobrang lakas ng lakas.

Pagkatapos mong solder ang mga capacitor, kailangan mong i-twist ang mga dulo ng coil wire hanggang sa gitna ng coil. Ang kawad ay sapat na matigas upang suportahan ang bombilya. Pagkatapos mong paikutin ang kawad hanggang sa diameter, puputulin mo lang ang mga dulo ng kawad at iwanan silang bukas.

Pagkatapos ay ilalagay mo ang ilaw na bombilya sa gitna ng baluktot na kawad. Hihiwalay mo ang mga twist, upang ang bawat kawad ay hawakan ang isang terminal ng bombilya. Pagkatapos ay i-scrape mo ang wire enamel gamit ang isang kutsilyo at pagkatapos ay ihihinang ang nalinis na kawad sa mga poste ng bombilya. Tiyaking gumagamit ka ng rosin core solder. Maaaring gusto mong magdagdag ng labis na rosin, na makakatulong sa paglilinis ng mga piraso ng enamel.

Hakbang 5: Ikabit ang 40cm Coil sa Electronics

Susunod kailangan mong ikonekta ang 40cm coil sa isang 1uF capacitor. Ipinakita dito ang mataas na bersyon ng kuryente, kung saan na-konekta ko ang mga 10x 0.1uF capacitor nang kahanay upang makagawa ng isang 1uF capacitor (mga capacitor sa parallel add up). Ang capacitor ay pumupunta sa pagitan ng coil at ang power amplifier na positibong output. Ang kabilang panig ng likaw ay direktang dumidirekta sa power amplifier GND.

Hakbang 6: Ikonekta ang isang Sine Wave Source sa isang Power Amp at Subukan Ito

Ang huling hakbang ay lumikha ng isang alon ng sine. Maaari kang mag-download ng isang function generator app sa iyong telepono o laptop o desktop. Gusto mong mag-eksperimento upang mahanap ang pinakamahusay na dalas ng pagpapatakbo.

Ikonekta mo ang iyong mapagkukunan ng sine sa audio power amp, at pagkatapos ay ikonekta ang audio poweramp sa 40cm coil at 1uF capacitor, at pagkatapos ay dapat na gumana ang lahat!

Kung gumagamit ka ng isang mataas na lakas na audio amp (100W o mas mataas), MAGING MAingat! Maaari itong makabuo ng napakataas na boltahe na higit sa +/- 500V. Sinubukan ko ng isang saklaw ng mataas na boltahe upang matiyak na hindi ko sasabog ang mga capacitor. Madali ding magulat kung hawakan mo ang isang nakalantad na tingga.

Gayundin, kung gumagamit ka ng isang mataas na lakas na audio amp, hindi mo makukuha ang 20cm coil na masyadong malapit sa 40cm coil. Kung sila ay masyadong malapit, ang TVS diode o LED light bombilya ay masunog dahil sa sobrang lakas.

Hakbang 7: Lumikha ng Wireless Phone Charger

Madali mong mababago ang circuit upang singilin ang isang telepono. Nagtayo ako ng pangalawang 20cm coil at pagkatapos ay idinagdag ang lahat ng circuitry. Ang parehong 3.47uF capacitor at TVS diode ay ginamit. Sinundan iyon ng isang tulay na tagatama (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), sinundan ng isang 5V linear regulator (Fairchild LM7805CT), na sinusundan ng isang 47uF tantalum capacitor. Gamit ang isang mataas na power amplifier, maaaring madaling singilin ng circuit ang iyong telepono mula sa distansya ng isang paa't kalahati!

Hakbang 8: Ang Mga Resulta

Ang sinusukat na boltahe kumpara sa mga curve ng distansya ay nakakabit.

Mga Sukat sa Disenyo, at paghahambing sa simulation at teorya

40cm Coil

• Pangunahing likaw = 0.2m radius, 0.4m diameter. 18 gauge wire 20 winding
• Teoretikal na paglaban = 20.95e-3 * (2 * pi * 0.2 * 20 + 0.29 * 2) = 0.5387 ohms
• Tunay na paglaban = 0.609 ohms. Pagkakaiba-iba mula sa teorya: + 13%
• Simulated Inductance = 0.435mH Tunay na Pag-uudyok: 0.49mH. Pagkakaiba-iba mula sa kunwa: + 12%

20cm Coil

• Makatanggap ng coil = 0.1m radius 0.2m diameter 18 guage wire 15 winding
• Paglaban sa teoretikal = (2 * pi * 0.1 * 15 + 0.29 * 2) * 0.0209 = 0.2091
• Tunay na Paglaban = 0.2490. Pagkakaiba-iba mula sa kunwa: + 19%
• Simulated Inductance = 0.105mH. Tunay na Pag-uudyok = 0.1186mH. Pagkakaiba-iba mula sa kunwa: + 12%

Hakbang 9: Simulation, Pag-optimize at Pagtalakay

Paano namin ginaya ang disenyo

Ginaya at na-optimize namin ang disenyo sa isang 2-D mangetostatic simulator, at may SPICE.

Ginamit namin ang libreng 2-D mangetostatic simulator na tinatawag na Infolytica. Maaari kang mag-download nang libre dito:

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

Ginamit namin ang libreng SPICE simulator na tinatawag na LTSPICE. Maaari mo itong i-download dito:

www.linear.com/designtools/software/

Ang mga file ng disenyo para sa parehong mga simulator ay nakakabit.

Pagtalakay

Ang disenyo na ito ay gumagamit ng resonant magnetostatic power transmission. Ang audio power amp ay gumagawa ng isang kasalukuyang kuryente na dumadaloy sa pamamagitan ng coil ng paglilipat at bumubuo ng isang oscillating magnetic field. Ang magnetic field na iyon ay natanggap ng tumatanggap na coil, at ginawang isang electric field. Sa teorya, magagawa natin iyon nang walang anumang mga bahagi (ibig sabihin walang mga capacitor). Gayunpaman, ang kahusayan ay lubos na mababa. Una naming nais na gumawa ng isang mas simpleng disenyo na ginagamit lamang ang mga coil at walang iba pang mga bahagi, gayunpaman, ang kahusayan ng kuryente ay napakahirap hindi nito ma-on ang LED. Kaya lumipat kami sa isang resonant system. Ang capacitor na idinagdag namin ay tumutunog sa isang partikular na dalas (sa kasong ito mga 8kHz). Sa lahat ng iba pang mga frequency ang circuit ay labis na hindi mabisa, ngunit sa eksaktong resonant frequency ay nagiging napakahusay nito. Ang inductor at capacitor ay kumikilos tulad ng isang transpormer ng mga uri. Sa transmite coil, inilalagay namin ang isang maliit na boltahe at isang mataas na kasalukuyang (10Vrms at 15Arms). Nagtatapos iyon sa paggawa> 400Vrms sa buong capacitor, ngunit sa isang mas mababang kasalukuyang. Iyon ang mahika ng mga resonant circuit! Ang mga resonant circuit ay binibilang ng "Q factor". Sa 40cm diameter transmitter coil, ang sinusukat na kadahilanan ng Q ay halos 40, nangangahulugang medyo mahusay ito.

Na-simulate at na-optimize namin ang coil gamit ang 2-D magneto static simulator ng Infolytica. Ang simulator na iyon ay nagbigay sa amin ng isang simulate inductance para sa bawat coil, at ang mutual inductance sa pagitan ng dalawang coil.

Mga Halaga ng Simulated na Magnetic:

• Pagpapadala ng Coil = 4.35mH
• Tumatanggap ng Coil = 0.105mH
• Mutual Inductance = 9.87uH. K = 6.87e-3 (na pinaghihiwalay ng mga coil ng 0.2m)

Kinuha namin ang mga numerong iyon at pinakain ang mga ito sa SPICE upang gayahin ang mga katangiang elektrikal.

Maaari mong i-download ang mga simulation file na nakalakip, at subukang gawin ang iyong mga pag-optimize at pagsukat!

Nakalakip din ang mga plot ng patlang, na nagpapakita ng magnetic field na ginawa ng mga coil. Ito ay kagiliw-giliw na kahit na naglalagay kami ng maraming lakas, ang ganap na mga patlang ay medyo maliit (sa hanay na milliTesla). Iyon ay dahil ang mga bukirin ay kumalat sa isang malaking lugar sa ibabaw. Kaya't kung idagdag mo (isama) ang magnetikong patlang sa malaking lugar sa ibabaw, magiging malaki ito. Ngunit sa anumang naibigay na punto sa lakas ng tunog ito ay maliit. Bilang isang tala sa gilid, ito ang dahilan kung bakit ang mga transformer ay gumagamit ng mga iron core, upang ang magnetikong patlang ay nakakonsentra sa isang lugar.