Potenza wireless ad alta portata: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Costruisci un sistema di trasmissione di potenza wireless in grado di alimentare una lampadina o caricare un telefono fino a 2 piedi di distanza! Questo utilizza un sistema di bobine risonanti per inviare campi magnetici da una bobina trasmittente a una bobina ricevente.

L'abbiamo usato come demo durante un sermone sulle quattro grandi equazioni di Maxwell nella nostra chiesa! Dai un'occhiata a:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Passaggio 1: cose di cui avrai bisogno

• Filo magnetico calibro 18. Nota che non puoi usare un filo normale, devi usare un filo magnetico (che ha un isolamento smaltato molto sottile su di esso). Un esempio è disponibile su Amazon qui:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Una lampadina a LED dimmerabile da 6W (o meno) AC/DC 12V. Un esempio è qui:

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

• Condensatori da 1uF (non elettrolitici, devono essere non polarizzati). Hai alcune scelte qui. Se costruisci una versione a bassa potenza, puoi ottenere condensatori da 250 V 1uF da Radio Shack o Frys. Se vuoi costruire una versione ad alta potenza, dovrai procurarti speciali condensatori da 560 V da Digikey.
• Condensatore da 0,47uF (non elettrolitico, deve essere non polarizzato)
• Una specie di amplificatore di potenza. Abbiamo usato un amplificatore di potenza HI-FI da 450 W. Potresti usare qualsiasi cosa, da quello fino a un altoparlante per PC. Più potenza usi, maggiore è la portata che otterrai.
• Saldatore e saldatore. Pinza tagliafili
• Un pezzo di compensato e alcuni chiodini (usati per avvolgere le bobine)
• Nastro isolante nero
• Metro a nastro e righello
• Cavo isolato
• Martello

• Sorgente audio con frequenza e ampiezza variabili che generano un tono sinusoidale di 8khz. È facile usare un PC, un laptop o un telefono con un software di generazione dei toni disponibile gratuitamente e collegarlo al jack per le cuffie. Ho usato un Mac con questo software:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…Oppure potresti usare questo software per PC: potresti anche usare un generatore di funzioni se ne hai uno (dispositivo di prova costoso)

NTE Capacitor Part List (per la versione a bassa potenza). Puoi ottenere queste parti da Frys

Condensatore 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (da collegare alla lampadina e alla bobina piccola)

1 x condensatore da 0,47uF 50V, NTE CML474M50 (da collegare alla lampadina e alla bobina piccola in parallelo con i cappucci da 1uF)

1 x condensatore 1uF 250V, NTE MLR105K250 (da collegare alla bobina grande)

Digikey Order (per la versione ad alta potenza)

In allegato c'è un elenco delle parti Digikey che è possibile utilizzare per la versione più potente. Questi condensatori arrivano fino a 560 V, il che ti consente di utilizzare un amplificatore da ~ 500 W e di alzare quasi due piedi di portata. La versione allegata include solo le parti minime. Finché stai facendo un ordine Digikey, ordina alcuni extra nel caso in cui commetti un errore o ne fai esplodere uno (questo è particolarmente vero per i diodi di protezione TVS, che ho fumato più volte).

Passaggio 2: crea l'avvolgitore a bobina

Per avvolgere le bobine, è necessario un telaio per avvolgerle.

Su un pezzo di compensato, devi usare un compasso per disegnare un cerchio preciso di 20 cm e un cerchio preciso di 40 cm.

Chiodi del martello distribuiti uniformemente attorno al cerchio. Per il cerchio da 20 cm ho usato circa 12 chiodi e per il cerchio da 40 cm ne ho usati circa 16. In un punto del cerchio, ti consigliamo di creare un punto di ingresso che terrà il filo mentre inizi il primo avvolgimento. In quel punto, martella un altro chiodo vicino a un chiodo, poi un altro a pochi centimetri di distanza.

Passaggio 3: avvolgere la bobina da 40 cm con 20 giri e la bobina da 20 cm con 15 giri

Per prima cosa farai alcuni anelli con il filo sull'unghia esterna per ancorare il filo, quindi inizierai il ciclo attorno alla bobina. Assicurati di lasciare un sacco di filo in più all'inizio e alla fine della bobina. Lascia 3 piedi per essere al sicuro (avrai bisogno di questo per collegare l'elettronica).

È sorprendentemente difficile tenere traccia del numero di avvolgimenti. Usa un amico per aiutarti.

Rendi gli avvolgimenti DAVVERO stretti. Se finisci con avvolgimenti allentati, la bobina sarà un disastro.

È davvero difficile mantenere gli avvolgimenti in ordine (soprattutto se si utilizza un filo di calibro 18, il calibro di filo 24 è più facile da maneggiare ma ha molte più perdite). Quindi avrai bisogno di alcune persone che ti aiutino a tenerlo premuto mentre lo avvolgi.

Dopo aver terminato i giri, ti consigliamo di attorcigliare il filo di ingresso e il filo di uscita per tenere ferma la bobina. Quindi fissa la bobina con nastro isolante in più punti.

Quando hai finito con questo passaggio dovresti avere due bobine, una bobina con un diametro di 20 cm e 15 spire e una bobina con un diametro di 40 cm e 20 spire. Le bobine devono essere avvolte strettamente e fissate con nastro adesivo. Dovresti essere in grado di prenderli e maneggiarli facilmente senza che si rompano o si srotolino.

Passaggio 4: aggiungere la lampadina e l'elettronica alla bobina da 20 cm

Successivamente, attaccherai la lampadina alla piccola bobina. È necessario saldare tre condensatori da 1 uf (1 microfarad, o detto modo diverso 1, 000 nF) e uno da 0,47 uF (detto modo diverso, 470 nF) ai pali della lampadina. Questo è un totale di 3,47 uF (i condensatori si sommano in parallelo). Se stai facendo la versione ad alta potenza, dovresti anche saldare un diodo TVS bidirezionale da 20 V tra i pali della lampadina come protezione contro la sovratensione.

Dopo aver saldato i condensatori, devi attorcigliare le estremità del filo della bobina fino al centro della bobina. Il filo è abbastanza rigido da sostenere la lampadina. Dopo aver attorcigliato il filo per tutto il diametro, taglierai le estremità del filo e le lascerai aperte.

Quindi posizionerai la lampadina al centro del filo intrecciato. Separerai le torsioni, in modo che ogni filo tocchi un terminale della lampadina. Quindi raschia via lo smalto del filo con un coltello e poi salda il filo pulito ai pali della lampadina. Assicurati di utilizzare la saldatura del nucleo di colofonia. Potresti voler aggiungere della colofonia in più, che aiuterà a pulire i frammenti di smalto.

Passaggio 5: collegare la bobina da 40 cm all'elettronica

Successivamente dovrai collegare la bobina da 40 cm a un condensatore da 1 uF. Qui è mostrata la versione ad alta potenza, in cui ho collegato 10 condensatori da 0,1 uF in parallelo per creare un condensatore da 1 uF (i condensatori in parallelo si sommano). Il condensatore va tra la bobina e l'uscita positiva dell'amplificatore di potenza. L'altro lato della bobina va direttamente all'amplificatore di potenza GND.

Passaggio 6: collega una sorgente sinusoidale a un amplificatore di potenza e provalo

L'ultimo passaggio è creare un'onda sinusoidale. Puoi scaricare un'app generatore di funzioni sul tuo telefono, laptop o desktop. Avrai voglia di sperimentare per trovare la migliore frequenza di funzionamento.

Connetti la tua sorgente sinusoidale all'amplificatore di potenza audio, quindi colleghi l'amplificatore di potenza audio alla bobina da 40 cm e al condensatore da 1uF, e quindi tutto dovrebbe funzionare!

Se utilizzi un amplificatore audio ad alta potenza (100 W o superiore), FAI ATTENZIONE! Può generare tensioni molto elevate superiori a +/-500V. Ho provato con un telescopio ad alta tensione per assicurarmi di non far esplodere i condensatori. È anche facile rimanere scioccati se si tocca un cavo scoperto.

Inoltre, se usi un amplificatore audio ad alta potenza, non puoi avvicinare troppo la bobina da 20 cm a quella da 40 cm. Se sono troppo vicini, il diodo TVS o la lampadina LED si bruceranno a causa dell'eccessiva potenza.

Passaggio 7: creare il caricabatterie per telefono wireless

Puoi facilmente modificare il circuito per caricare un telefono. Ho costruito una seconda bobina da 20 cm e poi ho aggiunto tutti i circuiti. Viene utilizzato lo stesso condensatore da 3,47 uF e diodo TVS. Segue un raddrizzatore a ponte (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), seguito da un regolatore lineare da 5 V (Fairchild LM7805CT), seguito da un condensatore al tantalio da 47 uF. Con un amplificatore ad alta potenza, il circuito può facilmente caricare il tuo telefono da una distanza di un piede e mezzo!

Passaggio 8: i risultati

Le curve tensione misurata in funzione della distanza sono allegate.

Misure di progettazione e confronto con simulazione e teoria

Bobina da 40 cm

• Bobina principale = raggio 0,2 m, diametro 0,4 m. Cavo calibro 18 20 avvolgimenti
• Resistenza teorica = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohm
• Resistenza effettiva = 0,609 ohm. Varianza dalla teoria: +13%
• Induttanza simulata = 0,435 mH Induttanza effettiva: 0,49 mH. Varianza dalla simulazione: +12%

Bobina da 20 cm

• Bobina di ricezione = 0,1 m di raggio 0,2 m di diametro 18 filo di calibro 15 avvolgimenti
• Resistenza teorica = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• Resistenza effettiva = 0,2490. Varianza dalla simulazione: +19%
• Induttanza simulata = 0,105 mH. Induttanza effettiva = 0,1186 mH. Varianza dalla simulazione: +12%

Passaggio 9: simulazione, ottimizzazione e discussione

Come abbiamo simulato il design

Abbiamo simulato e ottimizzato il design in un simulatore mangetostatico 2-D e con SPICE.

Abbiamo utilizzato il simulatore mangatostatico 2-D gratuito chiamato Infolytica. Puoi scaricare gratuitamente qui:

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

Abbiamo usato il simulatore SPICE gratuito chiamato LTSPICE. Potete scaricarlo qui:

www.linear.com/designtools/software/

Sono allegati i file di progettazione per entrambi i simulatori.

Discussione

Questo design utilizza la trasmissione di potenza magnetostatica risonante. L'amplificatore di potenza audio produce una corrente elettrica che scorre attraverso la bobina trasmittente e genera un campo magnetico oscillante. Quel campo magnetico viene ricevuto dalla bobina ricevente e trasformato in un campo elettrico. In teoria, potremmo farlo senza componenti (cioè senza condensatori). Tuttavia, l'efficienza è estremamente bassa. Inizialmente volevamo realizzare un design più semplice che utilizzasse solo le bobine e nessun altro componente, tuttavia, l'efficienza energetica era così scarsa che non poteva accendere il LED. Quindi siamo passati a un sistema risonante. Il condensatore che abbiamo aggiunto risuona ad una frequenza particolare (in questo caso circa 8kHz). A tutte le altre frequenze il circuito è estremamente inefficiente, ma all'esatta frequenza di risonanza diventa molto efficiente. L'induttore e il condensatore si comportano come una sorta di trasformatore. Sulla bobina trasmittente, inseriamo una piccola tensione e una corrente elevata (10Vrms e 15Arms). Ciò finisce per produrre > 400 Vrms attraverso il condensatore, ma a una corrente molto più bassa. Questa è la magia dei circuiti risonanti! I circuiti risonanti sono quantificati dal "fattore Q". Nella bobina del trasmettitore di 40 cm di diametro, il fattore Q misurato è di circa 40, il che significa che è abbastanza efficiente.

Abbiamo simulato e ottimizzato la bobina con il simulatore magnetostatico 2-D di Infolytica. Quel simulatore ci ha fornito un'induttanza simulata per ogni bobina e l'induttanza reciproca tra le due bobine.

Valori magnetici simulati:

• Bobina di trasmissione = 4,35 mH
• Bobina di ricezione = 0,105 mH
• Induttanza reciproca = 9.87uH. K=6.87e-3 (con le bobine separate da 0.2m)

Abbiamo quindi preso quei numeri e li abbiamo inseriti in SPICE per simulare le caratteristiche elettriche.

Puoi scaricare i file di simulazione allegati e provare a fare le tue ottimizzazioni e misurazioni!

In allegato sono anche i grafici di campo, che mostrano il campo magnetico prodotto dalle bobine. È interessante notare che anche se stiamo mettendo molta potenza, i campi assoluti sono piuttosto piccoli (nella gamma milliTesla). Questo perché i campi sono sparsi su un'ampia superficie. Quindi, se sommi (integri) il campo magnetico su un'ampia superficie, sarebbe sostanziale. Ma in ogni punto del volume è minuscolo. Come nota a margine, questo è il motivo per cui i trasformatori utilizzano nuclei di ferro, in modo che il campo magnetico si concentri in un'area.