Kuasa Tanpa Wayar Julat Tinggi: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Bina sistem Penghantaran Kuasa Tanpa Wayar yang dapat menyalakan mentol atau mengecas telefon dari jarak sejauh 2 kaki! Ini menggunakan sistem gegelung resonan untuk menghantar medan magnet dari gegelung pemancar ke gegelung penerima.

Kami menggunakannya sebagai demo semasa khutbah di Maxwell's Four Great Equations di gereja kami! Lihat di:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Langkah 1: Perkara yang Anda Perlu

• Wayar magnet 18 tolok. Perhatikan bahawa anda tidak boleh menggunakan wayar biasa, anda mesti menggunakan wayar magnetik (yang mempunyai penebat enamel yang sangat nipis di atasnya). Satu contoh boleh didapati di Amazon di sini:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Mentol lampu LED Dimmable 6W (atau kurang) AC / DC 12V. Salah satu contohnya ialah:

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

• Kapasitor 1uF (bukan elektrolitik, mestilah tidak terpolarisasi). Anda mempunyai beberapa pilihan di sini. Sekiranya anda membina versi kuasa rendah, anda boleh mendapatkan kapasitor 250V 1uF dari Radio Shack atau Frys. Sekiranya anda ingin membina versi berkuasa tinggi, anda perlu mendapatkan kapasitor 560V khas dari Digikey.
• Kapasitor 0.47uF (bukan elektrolitik, mestilah tidak terpolarisasi)
• Beberapa jenis penguat kuasa. Kami menggunakan power amp HI-FI 450W. Anda boleh menggunakan apa sahaja dari itu ke pembesar suara PC. Semakin banyak kekuatan yang anda gunakan, semakin banyak jarak yang anda dapat.
• Pateri & besi pateri. Pemotong wayar
• Sekeping papan lapis dan beberapa paku kecil (digunakan untuk gulungan penggulungan)
• Pita elektrik hitam
• Pita pengukur & pembaris
• Wayar terlindung
• Tukul

• Sumber audio dengan frekuensi dan amplitud berubah yang menghasilkan nada sinus 8khz. Mudah menggunakan PC, Komputer riba atau telefon dengan perisian penjanaan nada yang tersedia secara bebas dan menyambung ke bicu fon kepala. Saya menggunakan Mac dengan perisian ini:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Atau anda boleh menggunakan perisian ini untuk PC: Anda juga boleh menggunakan generator fungsi jika anda mempunyai satu (peralatan ujian yang mahal)

Senarai Bahagian Kapasitor NTE (untuk versi kuasa rendah). Anda boleh mendapatkan bahagian ini di Frys

Kapasitor 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (untuk dipasang pada bola lampu dan gegelung kecil)

1 x 0.47uF 50V kapasitor, NTE CML474M50 (untuk dipasang pada bola lampu & gegelung kecil selari dengan penutup 1uF)

Kapasitor 1 x 1uF 250V, NTE MLR105K250 (untuk dipasang pada gegelung besar)

Digikey Order (untuk versi berkuasa tinggi)

Terlampir adalah Senarai Bahagian Digikey yang boleh anda gunakan untuk versi berkuasa tinggi. Kapasitor ini mencapai 560V, yang membolehkan anda menggunakan penguat ~ 500W, dan jarak jarak hampir dua kaki. Versi yang dilampirkan hanya merangkumi bahagian minimum kosong. Selagi anda membuat pesanan Digikey, pesan beberapa tambahan sekiranya anda melakukan kesalahan atau meletupkannya (itu berlaku terutamanya untuk dioda perlindungan TVS, yang saya merokok beberapa kali).

Langkah 2: Buat Coil Winder

Untuk menggulung gegelung, anda memerlukan bingkai untuk memutarnya.

Pada sekeping papan lapis, anda perlu menggunakan kompas untuk melukis bulatan tepat 20 cm dan bulatan tepat 40 cm.

Kuku tukul dijarakkan secara merata di sekeliling bulatan. Untuk bulatan 20 cm, saya menggunakan sekitar 12 paku dan untuk bulatan 40 cm, saya menggunakan sekitar 16. Pada satu titik dalam bulatan, anda ingin membuat titik masuk yang akan menahan wayar semasa anda memulakan penggulungan pertama. Di tempat itu, tukul paku yang lain dekat dengan satu paku, kemudian paku yang lain beberapa inci.

Langkah 3: Angin Coil 40cm Dengan 20 Putaran dan Coil 20cm Dengan 15 Putaran

Anda pertama kali akan membuat beberapa gelung dengan wayar di kuku luar untuk melabuhkan wayar, kemudian mulakan gelung di sekitar gegelung. Pastikan anda meninggalkan banyak wayar tambahan pada awal dan akhir gegelung. Biarkan 3 kaki untuk selamat (anda memerlukannya untuk menyambung ke elektronik).

Sungguh sukar untuk mengesan bilangan belitan. Gunakan rakan untuk menolong anda.

Buat belitan yang betul-betul ketat. Sekiranya anda berakhir dengan belitan yang longgar, gegelung akan menjadi huru-hara.

Sangat sukar untuk menjaga belitan dengan teratur (terutamanya jika anda menggunakan 18 wayar guage, 24 wayar gauge lebih mudah dikendalikan tetapi mempunyai banyak kerugian). Oleh itu, anda memerlukan beberapa orang untuk membantu anda menahannya semasa anda menggulungnya.

Setelah selesai membelok, anda mahu memutar wayar masuk & wayar keluar untuk menahan gegelung stabil. Kemudian pita gegelung dengan pita elektrik di beberapa tempat.

Apabila anda selesai dengan langkah ini, anda harus mempunyai dua gegelung, satu gegelung dengan diameter 20cm dan 15 putaran dan satu gegelung dengan diameter 40cm dan 20 putaran. Gegelung harus dililit dengan erat, dan diikat dengan pita. Anda seharusnya dapat mengambilnya dan mengendalikannya dengan mudah tanpa mereka hancur atau bersantai.

Langkah 4: Tambahkan Bola Lampu & Elektronik ke Gegelung 20cm

Seterusnya, anda akan memasang bola lampu ke gegelung kecil. Anda perlu menyisipkan tiga kapasitor 1uf (1 mikrofarad, atau dengan cara yang berbeza 1, 000nF) dan satu kapasitor 0.47uF (dengan cara yang berbeza, 470nF) ke tiang mentol lampu. Jumlah itu ialah 3.47uF (kapasitor bertambah selari). Sekiranya anda menggunakan versi kuasa tinggi, anda juga harus menyolder dioda TVS dua arah 20V antara tiang lampu sebagai perlindungan daripada voltan berlebihan.

Selepas anda memateri kapasitor, anda perlu memutar hujung wayar gegelung sepanjang pusat gegelung. Kawat cukup kaku untuk menyokong mentol lampu. Setelah anda memutar wayar sepanjang garis pusat, anda hanya akan memotong hujung wayar dan membiarkannya terbuka.

Kemudian anda akan meletakkan mentol di tengah wayar berpintal. Anda akan melepaskan kelainan, sehingga setiap wayar menyentuh satu terminal bola lampu. Kemudian anda mengikis enamel wayar dengan pisau dan kemudian memasangkan wayar yang dibersihkan ke tiang lampu. Pastikan anda menggunakan solder inti rosin. Anda mungkin ingin menambahkan rosin tambahan, yang akan membantu membersihkan bahagian enamel.

Langkah 5: Pasangkan Gegelung 40cm ke Elektronik

Seterusnya anda perlu menyambungkan gegelung 40cm ke kapasitor 1uF. Yang ditunjukkan di sini adalah versi kuasa tinggi, di mana saya telah menyambungkan kapasitor 10x 0.1uF secara selari untuk membuat satu kapasitor 1uF (kapasitor secara tambahan selari). Kapasitor berada di antara gegelung dan output positif penguat kuasa. Bahagian gegelung yang lain terus menuju ke penguat kuasa GND.

Langkah 6: Sambungkan Sumber Gelombang Sinus ke Power Amp dan Cubalah

Langkah terakhir adalah membuat gelombang sinus. Anda boleh memuat turun aplikasi penjana fungsi di telefon atau komputer riba atau desktop anda. Anda ingin bereksperimen untuk mencari frekuensi operasi terbaik.

Anda menyambungkan sumber sinus anda ke amp kuasa audio, dan kemudian menyambungkan poweramp audio ke gegelung 40cm dan kapasitor 1uF, dan kemudian semuanya mesti berfungsi!

Sekiranya anda menggunakan amp audio berkuasa tinggi (100W atau lebih besar), HATI-HATI! Ia boleh menghasilkan voltan yang sangat tinggi melebihi +/- 500V. Saya menguji dengan skop voltan tinggi untuk memastikan saya tidak akan meletupkan kapasitor. Juga mudah terkejut jika anda menyentuh petunjuk yang terdedah.

Juga, jika anda menggunakan amp audio berkuasa tinggi, anda tidak boleh mendapatkan gegelung 20cm terlalu dekat dengan gegelung 40cm. Sekiranya terlalu dekat, dioda TVS atau lampu LED akan menyala kerana kuasa yang berlebihan.

Langkah 7: Buat Pengecas Telefon Tanpa Wayar

Anda boleh mengubah suai litar dengan mudah untuk mengecas telefon. Saya membina gegelung 20cm kedua dan kemudian menambah semua litar. Kapasitor 3.47uF dan dioda TVS yang sama digunakan. Itu diikuti oleh penerus jambatan (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), diikuti oleh pengatur linear 5V (Fairchild LM7805CT), diikuti oleh kapasitor tantalum 47uF. Dengan penguat kuasa tinggi, litar dapat mengecas telefon anda dengan mudah dari jarak satu setengah kaki!

Langkah 8: Hasilnya

Voltan yang diukur berbanding lengkung jarak dilampirkan.

Pengukuran Reka Bentuk, dan perbandingan dengan simulasi & teori

Gegelung 40cm

• Gegelung utama = jejari 0.2m, diameter 0.4m. 18 wayar tolok 20 belitan
• Rintangan teori = 20.95e-3 * (2 * pi * 0.2 * 20 + 0.29 * 2) = 0.5387 ohm
• Rintangan sebenar = 0.609 ohm. Varians dari teori: + 13%
• Induktansi Simulasi = 0.435mH Induktansi Sebenar: 0.49mH. Variasi dari simulasi: + 12%

Gegelung 20cm

• Terima gegelung = 0.1m jejari 0.2m diameter 18 wayar guage 15 belitan
• Rintangan teori = (2 * pi * 0.1 * 15 + 0.29 * 2) * 0.0209 = 0.2091
• Rintangan Sebenar = 0.2490. Variasi dari simulasi: + 19%
• Induktansi Simulasi = 0.105mH. Induktansi Sebenar = 0.1186mH. Variasi dari simulasi: + 12%

Langkah 9: Simulasi, Pengoptimuman & Perbincangan

Bagaimana kami meniru reka bentuk

Kami mensimulasikan dan mengoptimumkan reka bentuk dalam simulator mangetostatik 2-D, dan dengan SPICE.

Kami menggunakan simulator mangetostatik 2-D percuma yang disebut Infolytica. Anda boleh memuat turun secara percuma di sini:

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

Kami menggunakan simulator SPICE percuma yang dipanggil LTSPICE. Anda boleh memuat turunnya di sini:

www.linear.com/designtools/software/

Fail reka bentuk untuk kedua-dua simulator dilampirkan.

Perbincangan

Reka bentuk ini menggunakan transmisi daya magnetostatik resonan. Amp kuasa audio menghasilkan arus elektrik yang mengalir melalui gegelung pemancar dan menghasilkan medan magnet berayun. Medan magnet itu diterima oleh gegelung penerima, dan berubah menjadi medan elektrik. Secara teori, kita dapat melakukannya tanpa komponen (iaitu tanpa kapasitor). Walau bagaimanapun, kecekapannya sangat rendah. Pada mulanya kami ingin membuat reka bentuk yang lebih sederhana yang hanya menggunakan gegelung dan tidak ada komponen lain, namun kecekapan kuasa sangat buruk sehingga tidak dapat menyalakan LED. Oleh itu, kami beralih ke sistem resonan. Kapasitor yang kami tambahkan bergema pada satu frekuensi (dalam kes ini kira-kira 8kHz). Pada semua frekuensi lain litar sangat tidak cekap, tetapi pada frekuensi resonan yang tepat menjadi sangat cekap. Induktor dan kapasitor bertindak seperti pengubah jenis. Pada gegelung pemancar, kami memasukkan voltan kecil dan arus tinggi (10Vrms dan 15Arms). Ini akhirnya menghasilkan> 400Vrms di seluruh kapasitor, tetapi pada arus yang jauh lebih rendah. Itulah keajaiban litar resonan! Litar resonan dihitung oleh "faktor Q". Dalam gegelung pemancar diameter 40cm, faktor Q yang diukur adalah sekitar 40, yang bermaksud cukup efisien.

Kami mensimulasikan & mengoptimumkan gegelung dengan simulator statik magneto 2-D Infolytica. Simulator itu memberi kita induktansi simulasi untuk setiap gegelung, dan saling induktansi antara kedua gegelung.

Nilai Simulasi Magnetik:

• Transmitting Coil = 4.35mH
• Menerima Coil = 0.105mH
• Induktansi Saling = 9.87uH. K = 6.87e-3 (dengan gegelung dipisahkan oleh 0.2m)

Kami kemudian mengambil nombor tersebut dan memasukkannya ke dalam SPICE untuk mensimulasikan ciri elektrik.

Anda boleh memuat turun fail simulasi yang dilampirkan, dan cuba membuat pengoptimuman dan pengukuran anda!

Juga dilampirkan plot plot, yang menunjukkan medan magnet yang dihasilkan oleh gegelung. Sangat menarik bahawa walaupun kita menggunakan banyak tenaga, bidang mutlaknya cukup kecil (dalam julat miliTesla). Ini kerana ladang tersebar di kawasan permukaan yang luas. Oleh itu, jika anda menambah (mengintegrasikan) medan magnet di atas permukaan yang luas, itu akan menjadi besar. Tetapi pada tahap tertentu dalam jumlah itu kecil. Sebagai catatan, inilah sebabnya transformer menggunakan inti besi, sehingga medan magnet menjadi pekat di satu kawasan.