Augsta diapazona bezvadu jauda: 9 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:58

Izveidojiet bezvadu enerģijas pārraides sistēmu, kas var darbināt spuldzi vai uzlādēt tālruni līdz pat 2 pēdu attālumā! Tas izmanto rezonanses spoles sistēmu, lai nosūtītu magnētiskos laukus no raidītāja spoles uz uztveršanas spoli.

Mēs to izmantojām kā demonstrāciju sprediķī par Maksvela četriem lielajiem vienādojumiem mūsu baznīcā! Pārbaudiet to vietnē:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

1. darbība: lietas, kas jums būs nepieciešamas

• 18 gabarītu magnētiskais vads. Ņemiet vērā, ka jūs nevarat izmantot parasto vadu, jums ir jāizmanto magnētiskais vads (uz kura ir ļoti plāna emaljas izolācija). Viens piemērs ir pieejams vietnē Amazon šeit:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6 W (vai mazāk) maiņstrāvas/līdzstrāvas 12 V aptumšojama LED spuldze. Šeit ir viens piemērs:

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

• 1uF kondensatori (nevis elektrolīti, tiem jābūt nepolāriem). Šeit jums ir dažas izvēles. Ja veidojat mazjaudas versiju, no Radio Shack vai Frys varat iegūt 250 V 1uF kondensatorus. Ja vēlaties izveidot jaudīgu versiju, no Digikey jums būs jāiegādājas īpaši 560 V kondensatori.
• 0.47uF kondensators (nav elektrolīti, tam jābūt nepolāriem)
• Kaut kāds jaudas pastiprinātājs. Mēs izmantojām 450 W HI-FI jaudas pastiprinātāju. Jūs varētu izmantot jebko, sākot no tā līdz datora skaļrunim. Jo vairāk jaudas jūs izmantojat, jo plašāku diapazonu jūs iegūsit.
• Lodēšanas un lodēšanas dzelzs. Stiepļu griezēji
• Saplākšņa gabals un dažas mazas naglas (izmanto spoļu tinšanai)
• Melna elektriskā lente
• Mērlente un lineāls
• Izolēts vads
• Āmurs

• Audio avots ar mainīgu frekvenci un amplitūdu, kas rada 8 khz sinusa signālu. Ir viegli lietot datoru, klēpjdatoru vai tālruni ar brīvi pieejamu toņu ģenerēšanas programmatūru un izveidot savienojumu ar austiņu ligzdu. Es izmantoju Mac ar šo programmatūru:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Vai arī jūs varētu izmantot šo programmatūru personālajam datoram: ja jums tāda ir, varat izmantot arī funkciju ģeneratoru (dārgs testa aprīkojums)

NTE kondensatoru detaļu saraksts (mazjaudas versijai). Šīs detaļas varat iegādāties Frys

3 x 1uF 50V kondensators, NTE CML105M50 (piestiprināšanai pie spuldzes un mazās spoles)

1 x 0.47uF 50V kondensators, NTE CML474M50 (piestiprināšanai pie spuldzes un mazas spoles paralēli 1uF vāciņiem)

1 x 1uF 250V kondensators, NTE MLR105K250 (piestiprināšanai pie lielās spoles)

Digikey Order (lieljaudas versijai)

Pievienots Digikey detaļu saraksts, ko varat izmantot lielākas jaudas versijai. Šie kondensatori darbojas līdz 560V, kas ļauj izmantot ~ 500W pastiprinātāju un pacelties gandrīz divu pēdu diapazonā. Pievienotajā versijā ir iekļautas tikai minimālās detaļas. Kamēr veicat Digikey pasūtījumu, pasūtiet dažas papildu iespējas, ja kļūdāties vai uzspridzināsit (īpaši tas attiecas uz TVS aizsardzības diodēm, kuras es vairākas reizes smēķēju).

2. darbība: izveidojiet spoles tinumu

Lai uztītu spoles, jums ir nepieciešams rāmis, lai tās aptītu.

Uz saplākšņa gabala jāizmanto kompass, lai izvilktu precīzu 20 cm apli un precīzu 40 cm apli.

Āmura naglas vienmērīgi izvietotas ap apli. 20 cm aplim es izmantoju aptuveni 12 nagus, bet 40 cm aplim - ap 16. Vienā apļa vietā jūs vēlaties izveidot ieejas punktu, kas turēs vadu, kamēr sākat pirmo tinumu.. Šajā vietā āmuriet citu naglu tuvu vienam nagam, tad otru pāris collu attālumā.

3. darbība: aptiniet 40 cm spoli ar 20 pagriezieniem un 20 cm spoli ar 15 apgriezieniem

Vispirms izveidojiet dažas cilpas ar vadu uz ārējās naglas, lai nostiprinātu vadu, pēc tam sāciet cilpu ap spoli. Pārliecinieties, ka spoles sākumā un beigās esat atstājis daudz papildu stieples. Atstājiet 3 pēdas, lai būtu drošībā (jums tas būs nepieciešams, lai izveidotu savienojumu ar elektroniku).

Ir pārsteidzoši grūti izsekot tinumu skaitam. Izmantojiet draugu, lai jums palīdzētu.

Padariet tinumus TIEŠĀM saspringtus. Ja jūs galu galā ar vaļēju tinumu, spole būs haoss.

Ir patiešām grūti uzturēt kārtībā tinumus (īpaši, ja izmantojat 18 vadu stiepli, 24 vadu gabarītu ir vieglāk apstrādāt, bet tam ir daudz vairāk zaudējumu). Tātad jums būs vajadzīgi daži cilvēki, kas palīdzēs to noturēt, kamēr jūs to pārtinam.

Kad esat pabeidzis pagriezienus, jūs vēlaties pagriezt ieplūdes vadu un izejas vadu, lai spole būtu stabila. Pēc tam vairākās vietās uzlīmējiet spoli ar elektrisko lenti.

Kad esat pabeidzis šo darbību, jums vajadzētu būt divām spolēm, vienai spolei ar 20 cm diametru un 15 pagriezieniem un vienai spolei ar 40 cm diametru un 20 pagriezieniem. Spolēm jābūt cieši savītām un nostiprinātām ar lenti. Jums vajadzētu būt iespējai tos paņemt un viegli apstrādāt, nesabrūkot un neatritoties.

4. darbība: pievienojiet spuldzi un elektroniku 20 cm spolei

Tālāk jūs piestiprināsit spuldzi pie mazās spoles. Pie spuldzes stabiem jāpielodē trīs 1uf (1 mikrofarad vai citādi 1 000nF) un viens 0,47uF (citādi 470nF) kondensators. Tas kopā ir 3,47uF (kondensatori tiek pievienoti paralēli). Ja izmantojat lieljaudas versiju, jums vajadzētu arī lodēt 20 V divvirzienu TVS diodu starp spuldzes stabiem kā aizsardzību pret pārspriegumu.

Pēc kondensatoru lodēšanas jums ir jāpagriež spoles stieples gali līdz spoles centram. Vads ir pietiekami stīvs, lai atbalstītu spuldzi. Pēc tam, kad esat savērpis vadu visā diametrā, jūs vienkārši nogriežat stieples galus un atstājat tos atvērtus.

Tad jūs novietojat spuldzi savītā stieples centrā. Jūs atdalīsit līkločus tā, lai katrs vads pieskartos vienai spuldzes spailei. Tad jūs ar nazi nokasāt stieples emalju un pēc tam pie lodēšanas notīriet vadu pie spuldzes stabiem. Noteikti izmantojiet kolofonija lodmetālu. Jūs varētu vēlēties pievienot papildu kolofoniju, kas palīdzēs notīrīt emaljas gabaliņus.

5. solis: pievienojiet 40 cm spoli elektronikai

Tālāk jums jāpievieno 40 cm spole 1uF kondensatoram. Šeit ir parādīta lieljaudas versija, kur paralēli esmu pievienojis 10x 0,1uF kondensatorus, lai izveidotu vienu 1uF kondensatoru (paralēli kondensatori sasummējas). Kondensators iet starp spoli un jaudas pastiprinātāja pozitīvo izeju. Spoles otrā puse iet tieši uz jaudas pastiprinātāju GND.

6. darbība: pievienojiet sinusa viļņu avotu strāvas pastiprinātājam un izmēģiniet to

Pēdējais solis ir sinusoidālā viļņa izveide. Jūs varat lejupielādēt funkciju ģeneratora lietotni savā tālrunī, klēpjdatorā vai darbvirsmā. Jūs vēlaties eksperimentēt, lai atrastu vislabāko darbības biežumu.

Jūs pievienojat savu sinusa avotu audio jaudas pastiprinātājam un pēc tam pievienojat audio jaudu 40 cm spolei un 1uF kondensatoram, un tad visam vajadzētu darboties!

Ja izmantojat lieljaudas audio pastiprinātāju (100W vai vairāk), ESIET UZMANĪGS! Tas var radīt ļoti augstu spriegumu, kas pārsniedz +/- 500 V. Es pārbaudīju ar augstsprieguma diapazonu, lai pārliecinātos, ka es nespridzināšu kondensatorus. Ir arī viegli šokēt, ja pieskaraties atklātam vadam.

Turklāt, ja izmantojat lieljaudas audio pastiprinātāju, 20 cm spoli nevar novietot pārāk tuvu 40 cm spolei. Ja tie ir pārāk tuvu, pārmērīgas jaudas dēļ TVS diode vai LED spuldze sadegs.

7. darbība: izveidojiet bezvadu tālruņa lādētāju

Jūs varat viegli pārveidot ķēdi, lai uzlādētu tālruni. Es uzbūvēju otru 20 cm spoli un pēc tam pievienoju visu shēmu. Tiek izmantots tas pats 3.47uF kondensators un TVS diode. Tam seko tilta taisngriezis (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), kam seko 5V lineārais regulators (Fairchild LM7805CT), kam seko 47uF tantala kondensators. Izmantojot lieljaudas pastiprinātāju, ķēde var viegli uzlādēt tālruni no pusotras pēdas attāluma!

8. solis: rezultāti

Ir pievienotas izmērītās sprieguma un attāluma līknes.

Dizaina mērījumi un salīdzinājums ar simulāciju un teoriju

40 cm spole

• Galvenā spole = 0,2 m rādiuss, 0,4 m diametrs. 18 gabarītu stieple 20 tinumi
• Teorētiskā pretestība = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 omi
• Faktiskā pretestība = 0,609 omi. Atšķirība no teorijas: +13%
• Simulētā induktivitāte = 0,435mH Faktiskā induktivitāte: 0,49mH. Simulācijas atšķirība: +12%

20 cm spole

• Saņemšanas spole = 0,1 m rādiuss 0,2 m diametrs 18 guage stieple 15 tinumi
• Teorētiskā pretestība = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Faktiskā pretestība = 0,2490. Simulācijas atšķirība: +19%
• Simulētā induktivitāte = 0,105mH. Faktiskā induktivitāte = 0.1186mH. Simulācijas atšķirība: +12%

9. darbība. Simulācija, optimizācija un diskusija

Kā mēs simulējām dizainu

Mēs modelējām un optimizējām dizainu 2-D mangetostatiskā simulatorā un ar SPICE.

Mēs izmantojām bezmaksas 2-D mangetostatisko simulatoru ar nosaukumu Infolytica. Jūs varat lejupielādēt bez maksas šeit:

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

Mēs izmantojām bezmaksas SPICE simulatoru ar nosaukumu LTSPICE. Jūs to varat lejupielādēt šeit:

www.linear.com/designtools/software/

Ir pievienoti abu simulatoru dizaina faili.

Diskusija

Šis dizains izmanto rezonējošu magnetostatisku enerģijas pārraidi. Audio jaudas pastiprinātājs rada elektrisko strāvu, kas plūst caur raidīšanas spoli un rada svārstīgu magnētisko lauku. Šo magnētisko lauku uztver uztverošā spole un pārvērš par elektrisko lauku. Teorētiski mēs to varētu izdarīt bez komponentiem (ti, bez kondensatoriem). Tomēr efektivitāte ir ārkārtīgi zema. Sākotnēji mēs vēlējāmies izveidot vienkāršāku dizainu, kurā izmantotas tikai spoles un nekādas citas sastāvdaļas, tomēr enerģijas efektivitāte bija tik slikta, ka nevarēja ieslēgt gaismas diodi. Tātad mēs pārgājām uz rezonējošu sistēmu. Mūsu pievienotais kondensators rezonē ar vienu īpašu frekvenci (šajā gadījumā aptuveni 8 kHz). Visās citās frekvencēs ķēde ir ārkārtīgi neefektīva, bet ar precīzu rezonanses frekvenci tā kļūst ļoti efektīva. Induktors un kondensators darbojas kā sava veida transformators. Pārraides spolē mēs ievietojam nelielu spriegumu un lielu strāvu (10Vrms un 15Arms). Tas galu galā rada> 400Vrms visā kondensatorā, bet ar daudz zemāku strāvu. Tā ir rezonējošo shēmu burvība! Rezonanses shēmas kvantitatīvi nosaka ar "Q koeficientu". 40 cm diametra raidītāja spolē izmērītais Q koeficients ir aptuveni 40, kas nozīmē, ka tas ir diezgan efektīvi.

Mēs modelējām un optimizējām spoli ar Infolytica 2-D magneto statisko simulatoru. Šis simulators deva mums simulētu induktivitāti katrai spolei un savstarpējo induktivitāti starp abām spolēm.

Magnētiskās simulētās vērtības:

• Pārraides spole = 4,35mH
• Saņemšanas spole = 0,105mH
• Savstarpējā induktivitāte = 9,87uH. K = 6.87e-3 (ar spolēm, kas atdalītas ar 0,2 m)

Pēc tam mēs paņēmām šos skaitļus un ievadījām tos SPICE, lai simulētu elektriskās īpašības.

Jūs varat lejupielādēt pievienotos simulācijas failus un mēģināt veikt optimizāciju un mērījumus!

Pievienoti arī lauka grafiki, kas parāda spoļu radīto magnētisko lauku. Interesanti, ka, lai gan mēs patērējam daudz enerģijas, absolūtie lauki ir diezgan mazi (milliTesla diapazonā). Tas ir tāpēc, ka lauki ir izkliedēti lielā virsmā. Tātad, ja jūs saskaitāt (integrējat) magnētisko lauku uz lielās virsmas, tas būtu ievērojams. Bet jebkurā skaļuma punktā tas ir niecīgs. Kā piezīmi, tāpēc transformatori izmanto dzelzs serdeņus, lai magnētiskais lauks koncentrētos vienā apgabalā.