Aukšto diapazono belaidis maitinimas: 9 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Sukurkite belaidę energijos perdavimo sistemą, kuri gali maitinti elektros lemputę arba įkrauti telefoną iki 2 pėdų! Tam naudojama rezonuojanti ritės sistema, siunčianti magnetinius laukus iš perduodančios ritės į priimančią ritę.

Mes tai panaudojome kaip demonstraciją per pamokslą apie Maksvelo keturias puikias lygtis mūsų bažnyčioje! Patikrinkite adresu:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

1 žingsnis: reikalingi dalykai

• 18 gabaritų magnetinė viela. Atminkite, kad negalite naudoti įprastos vielos, turite naudoti magnetinę vielą (ant kurios yra labai plona emalio izoliacija). Vieną pavyzdį galite rasti „Amazon“čia:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6 W (ar mažiau) AC/DC 12 V apšviesta LED lemputė. Vienas pavyzdys yra čia:

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

• 1uF kondensatoriai (ne elektrolitai, turi būti ne poliarizuoti). Čia jūs turite keletą pasirinkimų. Jei sukursite mažos galios versiją, 250 V 1uF kondensatorių galite įsigyti iš „Radio Shack“arba „Frys“. Jei norite sukurti didelės galios versiją, iš „Digikey“turėsite įsigyti specialius 560 V kondensatorius.
• 0.47uF kondensatorius (ne elektrolitinis, turi būti nepoliarizuotas)
• Kažkoks stiprintuvas. Mes naudojome 450 W HI-FI galios stiprintuvą. Galite naudoti bet ką, pradedant nuo kompiuterio garsiakalbio. Kuo daugiau energijos naudosite, tuo didesnį diapazoną gausite.
• Lituoklis ir lydmetalis. Vielos pjaustytuvai
• Faneros gabalas ir keletas mažų vinių (naudojami ritiniams suvynioti)
• Juoda elektros juosta
• Matavimo juosta ir liniuotė
• Izoliuotas laidas
• Plaktukas

• Kintamo dažnio ir amplitudės garso šaltinis, sukuriantis 8 khz sinusinį toną. Lengva naudoti kompiuterį, nešiojamąjį kompiuterį ar telefoną su laisvai prieinama tonų generavimo programine įranga ir prisijungti prie ausinių lizdo. Aš naudoju „Mac“su šia programine įranga:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Arba galite naudoti šią programinę įrangą asmeniniam kompiuteriui: taip pat galite naudoti funkcijų generatorių, jei jį turite (brangi bandymo įranga)

NTE kondensatorių dalių sąrašas (mažos galios versijai). Šias dalis galite įsigyti „Frys“

3 x 1uF 50V kondensatorius, NTE CML105M50 (pritvirtinamas prie lemputės ir mažos ritės)

1 x 0.47uF 50V kondensatorius, NTE CML474M50 (pritvirtinamas prie lemputės ir mažos ritės lygiagrečiai su 1uF dangteliais)

1 x 1uF 250V kondensatorius, NTE MLR105K250 (tvirtinti prie didžiosios ritės)

„Digikey Order“(didelės galios versijai)

Pridedamas „Digikey“dalių sąrašas, kurį galite naudoti didesnės galios versijai. Šie kondensatoriai veikia iki 560 V įtampos, o tai leidžia naudoti ~ 500 W stiprintuvą ir pasiekti beveik dviejų pėdų diapazoną. Pridedama versija apima tik minimalias dalis. Kol atliekate „Digikey“užsakymą, užsisakykite papildomų priedų, jei suklystumėte ar susprogdintumėte (tai ypač pasakytina apie TVS apsaugos diodus, kuriuos kelis kartus rūkiau).

2 žingsnis: sukurkite ritės ritinėlį

Norėdami suvynioti ritinius, jums reikia rėmo, kuris juos suvyniotų.

Ant faneros gabalo turite naudoti kompasą, kad nubrėžtumėte tikslų 20 cm apskritimą ir tikslų 40 cm apskritimą.

Plaktuko vinys tolygiai išdėstytas apskritime. 20 cm apskritimui naudojau apie 12 vinių, o 40 cm apskritimui - maždaug 16. Vienoje apskritimo vietoje norėsite padaryti įėjimo tašką, kuris laikys laidą, kol pradėsite pirmą apviją.. Toje vietoje įkalkite kitą vinį prie vieno nago, tada kitą už poros centimetrų.

3 žingsnis: apvyniokite 40 cm ritę 20 apsisukimų ir 20 cm ritę 15 apsisukimų

Pirmiausia suverkite keletą kilpų su viela ant išorinio vinio, kad pritvirtintumėte laidą, tada pradėkite kilpą aplink ritę. Įsitikinkite, kad ritės pradžioje ir pabaigoje paliekate daug papildomos vielos. Palikite 3 pėdas, kad būtumėte saugūs (jums to prireiks norint prijungti prie elektronikos).

Stebėtinai sunku stebėti apvijų skaičių. Pasinaudokite draugu, kuris jums padės.

Padarykite apvijas TIKRAI sandarias. Jei baigsite laisvas apvijas, ritė bus netvarka.

Tikrai sunku išlaikyti apvijas tvarkingai (ypač jei naudojate 18 matavimo laidų, 24 laidų matuoklį lengviau valdyti, tačiau jis turi daug daugiau nuostolių). Taigi jums reikės kelių žmonių, kurie padėtų jį sulaikyti, kai jį suvyniosite.

Baigę posūkius, norėsite pasukti įleidimo ir išleidimo laidus, kad ritė būtų stabili. Tada užklijuokite ritę elektros juosta keliose vietose.

Kai baigsite šį veiksmą, turėtumėte turėti dvi rites: vieną ritę, kurios skersmuo 20 cm ir 15 apsisukimų, ir vieną ritę, kurios skersmuo 40 cm ir 20 apsisukimų. Ritės turi būti sandariai suvyniotos ir pritvirtintos juostele. Turėtumėte sugebėti juos pasiimti ir lengvai su jais elgtis, nesulūždami ar neatsiskleidžiant.

4 veiksmas: pridėkite lemputę ir elektroniką prie 20 cm ritės

Tada pritvirtinkite lemputę prie mažos ritės. Prie lemputės stulpų reikia lituoti tris 1uf (1 mikrofaradas arba kitaip 1 000 nF) ir vieną 0,47uF (kitaip tariant 470 nF) kondensatorių. Tai iš viso yra 3,47uF (lygiagrečiai pridedami kondensatoriai). Jei naudojate didelės galios versiją, taip pat turėtumėte lituoti 20 V dvikryptį TVS diodą tarp lemputės stulpų, kad apsaugotumėte nuo viršįtampio.

Lituodami kondensatorius, turite susukti ritės laido galus iki galo ritės centre. Viela yra pakankamai standi, kad palaikytų lemputę. Pasukus vielą iki skersmens, jūs tiesiog nukirpsite vielos galus ir paliksite juos atvirus.

Tada lemputę pastatysite susuktos vielos centre. Atsisuksite posūkius taip, kad kiekvienas laidas liestų vieną lemputės gnybtą. Tada peiliu nubraukite vielos emalį, o po to lituokite išvalytą laidą prie lemputės stulpų. Įsitikinkite, kad naudojate kanifolijos šerdies lydmetalį. Galbūt norėsite pridėti papildomos kanifolijos, kuri padės išvalyti emalio gabalėlius.

5 žingsnis: pritvirtinkite 40 cm ritę prie elektronikos

Tada turėsite prijungti 40 cm ritę prie 1uF kondensatoriaus. Čia parodyta didelės galios versija, kur lygiagrečiai prijungiau 10x 0,1uF kondensatorių, kad būtų pagamintas vienas 1uF kondensatorius (lygiagrečiai esantys kondensatoriai sudeda). Kondensatorius eina tarp ritės ir galios stiprintuvo teigiamo išėjimo. Kita ritės pusė eina tiesiai į galios stiprintuvą GND.

6 veiksmas: prijunkite sinusinės bangos šaltinį prie maitinimo stiprintuvo ir išbandykite

Paskutinis žingsnis yra sukurti sinusinę bangą. Funkcijų generatoriaus programą galite atsisiųsti į savo telefoną, nešiojamąjį kompiuterį ar darbalaukį. Norėsite eksperimentuoti, kad surastumėte geriausią veikimo dažnį.

Prijunkite savo sinusinį šaltinį prie garso stiprintuvo, tada prijunkite garso galią prie 40 cm ritės ir 1uF kondensatoriaus, tada viskas turėtų veikti!

Jei naudojate didelės galios garso stiprintuvą (100 W ar daugiau), BŪKITE ATSARGUS! Jis gali generuoti labai aukštą įtampą, viršijančią +/- 500 V. Aš išbandžiau su aukštos įtampos sritimi, kad įsitikinčiau, jog nesprogsiu kondensatorių. Taip pat lengva šokiruoti palietus atvirą laidą.

Be to, jei naudojate didelės galios garso stiprintuvą, 20 cm ritė negali būti per arti 40 cm ritės. Jei jie yra per arti, TVS diodas arba LED lemputė sudegs dėl per didelės galios.

7 veiksmas: sukurkite belaidžio telefono įkroviklį

Galite lengvai pakeisti grandinę, kad įkrautumėte telefoną. Aš pastatiau antrą 20 cm ritę ir pridėjau visą grandinę. Naudojamas tas pats 3.47uF kondensatorius ir TVS diodas. Po to seka tilto lygintuvas („Comchip P/N: CDBHM240L-HF“), po to-5 V linijinis reguliatorius („Fairchild LM7805CT“), po to-47uF tantalo kondensatorius. Naudojant didelės galios stiprintuvą, grandinė gali lengvai įkrauti jūsų telefoną iš pusantro pėdos atstumo!

8 žingsnis: rezultatai

Pridedamos išmatuotos įtampos ir atstumo kreivės.

Dizaino matavimai ir palyginimas su modeliavimu ir teorija

40 cm ritė

• Pagrindinė ritė = 0,2 m spindulys, 0,4 m skersmuo. 18 gabaritų viela 20 apvijų
• Teorinis atsparumas = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 omai
• Faktinė varža = 0,609 omai. Skirtumas nuo teorijos: +13%
• Modeliuojama induktyvumas = 0,435mH Faktinė induktyvumas: 0,49mH. Modeliacijos skirtumas: +12%

20 cm ritė

• Priėmimo ritė = 0,1 m spindulys 0,2 m skersmens 18 matavimo vielos 15 apvijų
• Teorinis pasipriešinimas = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Tikrasis pasipriešinimas = 0,2490. Modeliacijos skirtumas: +19%
• Modeliuojama induktyvumas = 0,105mH. Faktinė induktyvumas = 0.1186mH. Modeliacijos skirtumas: +12%

9 žingsnis: modeliavimas, optimizavimas ir diskusija

Kaip mes modeliavome dizainą

Mes modeliavome ir optimizavome dizainą 2-D mangetostatiniame simuliatoriuje ir su SPICE.

Mes naudojome nemokamą 2-D mangetostatinį simuliatorių „Infolytica“. Nemokamai parsisiųsti galite čia:

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

Mes naudojome nemokamą SPICE simuliatorių, vadinamą LTSPICE. Ją atsisiųsti galite čia:

www.linear.com/designtools/software/

Pridedami abiejų simuliatorių dizaino failai.

Diskusija

Ši konstrukcija naudoja rezonansinę magnetostatinę galią. Garso stiprintuvas sukuria elektros srovę, tekančią per perduodančią ritę, ir sukuria svyruojantį magnetinį lauką. Šį magnetinį lauką gauna priimančioji ritė ir paverčiama elektriniu lauku. Teoriškai tai galėtume padaryti be jokių komponentų (t. Y. Be kondensatorių). Tačiau efektyvumas yra labai mažas. Iš pradžių norėjome sukurti paprastesnį dizainą, kuriame būtų naudojamos tik ritės ir jokių kitų komponentų, tačiau energijos vartojimo efektyvumas buvo toks prastas, kad negalėjo įjungti šviesos diodo. Taigi mes perėjome prie rezonansinės sistemos. Kondensatorius, kurį pridėjome, rezonuoja vienu ypač dažniu (šiuo atveju apie 8 kHz). Visais kitais dažniais grandinė yra labai neefektyvi, tačiau tiksliai rezonuojančiu dažniu ji tampa labai efektyvi. Induktorius ir kondensatorius veikia kaip tam tikras transformatorius. Į perdavimo ritę įvedame mažą įtampą ir didelę srovę (10Vrms ir 15Arms). Tai sukuria> 400Vrms per kondensatorių, bet esant daug mažesnei srovei. Tai yra rezonuojančių grandinių magija! Rezonansinės grandinės kiekybiškai įvertinamos pagal „Q koeficientą“. 40 cm skersmens siųstuvo ritėje išmatuotas Q koeficientas yra apie 40, o tai reiškia, kad tai gana efektyvu.

Mes imitavome ir optimizavome ritę naudodami „Infolytica“2-D magnetinį statinį simuliatorių. Šis simuliatorius mums suteikė imituojamą kiekvienos ritės induktyvumą ir abipusę ritę.

Magnetinės imituotos vertės:

• Perdavimo ritė = 4,35mH
• Priėmimo ritė = 0,105mH
• Savitarpio induktyvumas = 9.87uH. K = 6.87e-3 (kai ritės yra atskirtos 0,2 m)

Tada mes paėmėme šiuos skaičius ir įtraukėme juos į SPICE, kad imituotume elektrines charakteristikas.

Galite atsisiųsti pridėtus modeliavimo failus ir pabandyti optimizuoti bei išmatuoti!

Taip pat pridedami lauko brėžiniai, rodantys ritinių sukeltą magnetinį lauką. Įdomu tai, kad nors mes įdedame daug energijos, absoliutūs laukai yra gana maži (milTesla diapazone). Taip yra todėl, kad laukai yra išsibarstę dideliame plote. Taigi, jei sudėsite (integruosite) magnetinį lauką dideliame paviršiaus plote, jis bus reikšmingas. Bet bet kuriame tomo taške jis yra mažas. Kaip šalutinė pastaba, todėl transformatoriai naudoja geležies šerdis, kad magnetinis laukas būtų sutelktas vienoje srityje.