Yüksek Menzilli Kablosuz Güç: 9 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Bir ampulü çalıştırabilen veya bir telefonu 2 fit öteden şarj edebilen bir Kablosuz Güç İletim sistemi kurun! Bu, bir verici bobinden bir alıcı bobine manyetik alanlar göndermek için bir rezonans bobin sistemi kullanır.

Bunu kilisemizde Maxwell'in Dört Büyük Denklemi üzerine bir vaaz sırasında demo olarak kullandık! Şu adresten kontrol edin:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Adım 1: İhtiyacınız Olan Şeyler

• 18 gauge manyetik tel. Normal tel kullanamayacağınızı unutmayın, manyetik tel (üzerinde çok ince bir emaye yalıtımı olan) kullanmanız gerekir. Amazon'da bir örnek burada mevcuttur:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6W (veya daha az) AC/DC 12V Kısılabilir LED ampul. Bir örnek burada:

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

• 1uF kapasitörler (elektrolitik değil, polarize olmamalıdır). Burada bazı seçenekleriniz var. Düşük güçlü bir sürüm oluşturursanız, Radio Shack veya Frys'tan 250V 1uF kapasitörler alabilirsiniz. Yüksek güçlü bir versiyon oluşturmak istiyorsanız, Digikey'den özel 560V kapasitörler almanız gerekecektir.
• 0.47uF Kondansatör (elektrolitik değil, polarize olmamalıdır)
• Bir çeşit güç amplifikatörü. 450W HI-FI güç amplifikatörü kullandık. Bundan bir PC hoparlörüne kadar her şeyi kullanabilirsiniz. Ne kadar çok güç kullanırsanız, ondan o kadar fazla menzil elde edersiniz.
• Lehim ve Lehim demiri. Tel kesiciler
• Bir parça kontrplak ve bazı küçük çiviler (bobinleri sarmak için kullanılır)
• Siyah Elektrik bandı
• Ölçüm bandı ve cetvel
• Yalıtılmış tel
• Çekiç

• 8 khz sinüs tonu oluşturan değişken frekans ve genliğe sahip ses kaynağı. Ücretsiz olarak temin edilebilen ton oluşturma yazılımıyla bir PC, Dizüstü bilgisayar veya telefon kullanmak ve kulaklık jakına bağlamak kolaydır. Bu yazılımla bir Mac kullandım:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…Veya bu yazılımı bir PC için kullanabilirsiniz:Varsa bir fonksiyon üreteci de kullanabilirsiniz (pahalı bir test ekipmanı parçası)

NTE Kapasitör Parça Listesi (düşük güç versiyonu için). Bu parçaları Frys'tan temin edebilirsiniz

3 x 1uF 50V kapasitör, NTE CML105M50 (ampule ve küçük bobine takmak için)

1 x 0.47uF 50V kapasitör, NTE CML474M50 (1uF kapaklarla paralel olarak ampule ve küçük bobine takmak için)

1 x 1uF 250V kapasitör, NTE MLR105K250 (büyük bobine takmak için)

Digikey Order (yüksek güçlü versiyon için)

Ekli, daha güçlü sürüm için kullanabileceğiniz bir Digikey Parça Listesidir. Bu kapasitörler 560V'a kadar çıkıyor, bu da ~ 500W'lık bir amplifikatör kullanmanıza ve neredeyse iki fitlik bir menzile sahip olmanıza izin veriyor. Ekli sürüm yalnızca çıplak minimum parçaları içerir. Digikey siparişi verdiğiniz sürece, bir hata yaparsanız veya bir tanesini patlatırsanız bazı ekstralar sipariş edin (bu özellikle birkaç kez içtiğim TVS koruma diyotları için geçerlidir).

Adım 2: Bobin Sarıcıyı Yapın

Bobinleri sarmak için, onları sarmak için bir çerçeveye ihtiyacınız var.

Bir kontrplak parçası üzerinde, tam 20 cm'lik bir daire ve tam 40 cm'lik bir daire çizmek için bir pusula kullanmanız gerekir.

Çemberin etrafına eşit aralıklarla yerleştirilmiş çekiç çivileri. 20 cm'lik daire için yaklaşık 12 çivi kullandım ve 40 cm'lik daire için 16 civarında çivi kullandım. Dairenin bir noktasında, ilk sarımı başlatırken teli tutacak bir giriş noktası yapmak isteyeceksiniz.. Bu noktada, bir çiviye yakın başka bir çivi çakın, ardından birkaç inç uzağa başka bir çivi çakın.

Adım 3: 40cm Bobini 20 Dönüşle ve 20cm Bobini 15 Dönüşle Sarın

Önce teli sabitlemek için dış çivideki tel ile birkaç ilmek yapacaksınız, ardından ilmek etrafında bobini başlatacaksınız. Bobinin başında ve sonunda çok fazla tel bıraktığınızdan emin olun. Güvende olmak için 3 fit bırakın (elektronik cihazlara bağlanmak için buna ihtiyacınız olacak).

Sargıların sayısını takip etmek şaşırtıcı derecede zordur. Size yardımcı olması için bir arkadaşınızı kullanın.

Sargıları GERÇEKTEN sıkı yapın. Gevşek sargılarla sonuçlanırsanız, bobin dağınık olacaktır.

Sargıları düzenli tutmak gerçekten zor (özellikle 18 ayar tel kullanıyorsanız, 24 tel mastarı işlemek daha kolaydır ancak çok daha fazla kayıp vardır). Bu yüzden, onu sararken tutmanıza yardımcı olacak birkaç kişiye ihtiyacınız olacak.

Dönüşleri bitirdikten sonra, bobini sabit tutmak için giriş telini ve çıkış telini bükmek isteyeceksiniz. Ardından bobini birkaç noktada elektrik bandıyla bantlayın.

Bu adımı tamamladığınızda, 20 cm çapında ve 15 dönüşlü bir bobin ve 40 cm çapında ve 20 dönüşlü bir bobin olmak üzere iki bobininiz olmalıdır. Bobinler sıkıca sarılmalı ve bantla sabitlenmelidir. Onları dağılmadan veya gevşemeden kolayca toplayabilmeli ve tutabilmelisiniz.

Adım 4: Ampulü ve Elektroniği 20cm Bobine Ekleyin

Ardından, ampulü küçük bobine takacaksınız. Ampul direklerine üç adet 1uf (1 mikrofarad veya farklı bir şekilde 1.000nF) ve bir 0.47uF (farklı bir şekilde, 470nF) kapasitör lehimlemeniz gerekir. Bu toplam 3.47 uF'dir (kapasitörler paralel olarak toplanır). Yüksek güçlü versiyonu yapıyorsanız, aşırı gerilime karşı koruma olarak ampul direkleri arasına 20V çift yönlü TVS diyotu da lehimlemelisiniz.

Kondansatörleri lehimledikten sonra, bobin telinin uçlarını bobinin ortasından sonuna kadar bükmeniz gerekir. Tel, ampulü destekleyecek kadar serttir. Teli çap boyunca büktükten sonra, telin uçlarını kesip açık bırakacaksınız.

Sonra ampulü bükülmüş telin ortasına yerleştireceksiniz. Bükümleri ayıracaksınız, böylece her tel ampulün bir terminaline temas edecek. Ardından tel emayesini bir bıçakla kazıyın ve ardından temizlenmiş teli ampul direklerine lehimleyin. Reçine çekirdek lehimi kullandığınızdan emin olun. Emaye parçalarını temizlemeye yardımcı olacak ekstra reçine eklemek isteyebilirsiniz.

Adım 5: 40cm Bobini Elektroniğe takın

Daha sonra 40cm bobini 1uF kapasitöre bağlamanız gerekecek. Burada gösterilen, bir 1uF kapasitör (paraleldeki kapasitörler toplanır) yapmak için 10x 0.1uF kapasitörleri paralel olarak bağladığım yüksek güçlü versiyondur. Kondansatör, bobin ve güç amplifikatörü pozitif çıkışı arasında gider. Bobinin diğer tarafı doğrudan güç amplifikatörü GND'ye gider.

Adım 6: Bir Güç Amplifikatörüne Sinüs Dalgası Kaynağı Bağlayın ve Deneyin

Son adım bir sinüs dalgası oluşturmaktır. Telefonunuza veya dizüstü bilgisayarınıza veya masaüstünüze bir işlev oluşturucu uygulaması indirebilirsiniz. En iyi çalışma sıklığını bulmak için deney yapmak isteyeceksiniz.

Sinüs kaynağınızı ses güç amplifikatörüne bağlarsınız ve ardından ses güç amplifikatörünü 40cm bobine ve 1uF kapasitöre bağlarsınız ve sonra her şey çalışmalıdır!

Yüksek güçlü bir ses amfisi (100W veya üzeri) kullanıyorsanız, DİKKATLİ OLUN! +/-500V üzerinde çok yüksek voltaj üretebilir. Kondansatörleri patlatmayacağımdan emin olmak için yüksek voltaj kapsamıyla test ettim. Açıkta kalan bir kurşuna dokunursanız şok olmak da kolaydır.

Ayrıca, yüksek güçlü bir ses amfisi kullanırsanız, 20cm'lik bobini 40cm'lik bobine çok yaklaştıramazsınız. Çok yakınlarsa, aşırı güç nedeniyle TVS diyotu veya LED ampul yanacaktır.

7. Adım: Kablosuz Telefon Şarj Cihazını Oluşturun

Bir telefonu şarj etmek için devreyi kolayca değiştirebilirsiniz. İkinci bir 20 cm bobin yaptım ve ardından tüm devreleri ekledim. Aynı 3.47uF kapasitör ve TVS diyotu kullanılır. Bunu bir köprü doğrultucu (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), ardından 5V lineer regülatör (Fairchild LM7805CT), ardından 47uF tantal kondansatör takip eder. Yüksek güçlü bir amplifikatör ile devre, telefonunuzu bir buçuk metre mesafeden kolayca şarj edebilir!

8. Adım: Sonuçlar

Ölçülen gerilime karşı mesafe eğrileri eklenmiştir.

Tasarım Ölçümleri ve simülasyon ve teori ile karşılaştırma

40cm Bobin

• Ana bobin = 0,2m yarıçap, 0,4m çap. 18 gauge tel 20 sargı
• Teorik direnç = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohm
• Gerçek direnç = 0.609 ohm. Teoriden sapma: +%13
• Simüle Edilmiş Endüktans = 0,435mH Gerçek Endüktans: 0,49mH. Simülasyondan sapma: +%12

20cm Bobin

• Bobin alma = 0.1m yarıçap 0.2m çap 18 ayar teli 15 sargı
• Teorik direnç = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Gerçek Direnç = 0.2490. Simülasyondan sapma: +%19
• Simüle edilmiş Endüktans = 0.105mH. Gerçek Endüktans = 0.1186mH. Simülasyondan sapma: +%12

9. Adım: Simülasyon, Optimizasyon ve Tartışma

Tasarımı nasıl simüle ettik

Tasarımı 2 boyutlu bir mangetostatik simülatörde ve SPICE ile simüle ettik ve optimize ettik.

Infolytica adlı ücretsiz 2 boyutlu mangetostatik simülatörü kullandık. Buradan ücretsiz olarak indirebilirsiniz:

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

LTSPICE adlı ücretsiz SPICE simülatörünü kullandık. Buradan indirebilirsiniz:

www.linear.com/designtools/software/

Her iki simülatör için tasarım dosyaları ektedir.

Tartışma

Bu tasarım, rezonant manyetostatik güç iletimini kullanır. Ses güç amplifikatörü, verici bobinden geçen ve salınımlı bir manyetik alan oluşturan bir elektrik akımı üretir. Bu manyetik alan alıcı bobin tarafından alınır ve bir elektrik alanına dönüştürülür. Teorik olarak, bunu herhangi bir bileşen olmadan (yani kapasitör olmadan) yapabiliriz. Ancak verim son derece düşüktür. Başlangıçta sadece bobinleri kullanan ve başka hiçbir bileşen içermeyen daha basit bir tasarım yapmak istedik, ancak güç verimliliği o kadar zayıftı ki LED'i açamadı. Böylece rezonans sistemine geçtik. Eklediğimiz kapasitör özellikle bir frekansta (bu durumda yaklaşık 8kHz) rezonansa girer. Diğer tüm frekanslarda devre son derece verimsizdir, ancak tam rezonans frekansında çok verimli hale gelir. İndüktör ve kapasitör, bir tür transformatör gibi davranır. Verici bobine küçük bir voltaj ve yüksek bir akım (10Vrms ve 15Arms) koyduk. Bu, kapasitör boyunca> 400Vrms üretilmesiyle sonuçlanır, ancak çok daha düşük bir akımda. İşte rezonans devrelerinin büyüsü! Rezonans devreleri "Q faktörü" ile ölçülür. 40 cm çapındaki verici bobinde ölçülen Q faktörü yaklaşık 40'tır, yani bu oldukça verimlidir.

Bobini Infolytica'nın 2 boyutlu manyeto statik simülatörü ile simüle ettik ve optimize ettik. Bu simülatör bize her bobin için simüle edilmiş bir endüktans ve iki bobin arasındaki karşılıklı endüktans verdi.

Manyetik Simüle Değerler:

• Verici Bobin = 4.35mH
• Alıcı Bobin = 0.105mH
• Karşılıklı Endüktans = 9.87uH. K=6.87e-3 (bobinler 0,2m ile ayrılmış olarak)

Daha sonra bu sayıları aldık ve elektriksel özellikleri simüle etmek için SPICE'a besledik.

Ekteki simülasyon dosyalarını indirebilir, optimizasyon ve ölçümlerinizi yapmaya çalışabilirsiniz!

Ayrıca bobinler tarafından üretilen manyetik alanı gösteren alan çizimleri de eklenmiştir. Çok fazla güç vermemize rağmen, mutlak alanların oldukça küçük olması ilginçtir (miliTesla aralığında). Bunun nedeni, alanların geniş bir yüzey alanına yayılmış olmasıdır. Bu nedenle, geniş yüzey alanı üzerindeki manyetik alanı toplarsanız (bütünleştirirseniz), bu önemli olacaktır. Ama hacmin herhangi bir noktasında çok küçük. Bir yan not olarak, bu nedenle transformatörler demir çekirdek kullanır, böylece manyetik alan bir alanda yoğunlaşır.