Hoë reeks draadlose krag: 9 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Bou 'n draadlose kragoordragstelsel wat 'n gloeilamp kan aandryf of 'n telefoon van tot 2 meter ver kan laai! Dit gebruik 'n resonante spoelstelsel om magnetiese velde van 'n stuurspoel na 'n ontvangspoel te stuur.

Ons het dit as 'n demo gebruik tydens 'n preek oor Maxwell's Four Great Equations in ons kerk! Gaan kyk gerus by:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Stap 1: Dinge wat u benodig

• 18 gauge magnetiese draad. Let daarop dat u nie gewone draad kan gebruik nie; u moet magnetiese draad gebruik (met 'n baie dun emalje -isolasie). Een voorbeeld is hier op Amazon beskikbaar:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 'N 6W (of minder) AC/DC 12V dimbare LED -gloeilamp. Een voorbeeld is hier:

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

• 1uF-kapasitors (nie elektrolities nie, moet nie-gepolariseer wees). U het 'n paar keuses hier. As u 'n lae -kragweergawe bou, kan u 250V 1uF -kondensators van Radio Shack of Frys kry. As u 'n hoëkragweergawe wil bou, moet u spesiale 560V -kondensators van Digikey kry.
• 0.47uF kondensator (nie elektrolities nie, moet nie-gepolariseer wees)
• Een of ander kragversterker. Ons het 'n 450 W HI-FI-versterker gebruik. U kan alles gebruik, tot by 'n rekenaarluidspreker. Hoe meer krag jy gebruik, hoe meer reikafstand kry jy daaruit.
• Soldeer- en soldeerbout. Draadknipper
• 'N Stuk laaghout en 'n paar klein spykers (wat gebruik word om kronkels te draai)
• Swart elektriese band
• Meetlint en liniaal
• Geïsoleerde draad
• Hamer

• Klankbron met veranderlike frekwensie en amplitude wat 'n sinusklank van 8 kHz genereer. Dit is maklik om 'n rekenaar, skootrekenaar of telefoon met vrylik beskikbare toonopwekkingsagteware te gebruik en aan te sluit op die koptelefoonaansluiting. Ek het 'n Mac met hierdie sagteware gebruik:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Of u kan hierdie sagteware vir 'n rekenaar gebruik: u kan ook 'n funksiegenerator gebruik as u een het (duur toetsapparaat)

NTE -kondensator -deellys (vir die lae -krag weergawe). U kan hierdie dele by Frys kry

3 x 1uF 50V -kondensator, NTE CML105M50 (om aan die gloeilamp en die klein spoel te heg)

1 x 0.47uF 50V -kondensator, NTE CML474M50 (om parallel aan die gloeilamp en klein spoel te heg)

1 x 1uF 250V -kondensator, NTE MLR105K250 (om aan die groot spoel te heg)

Digikey Order (vir die hoë krag weergawe)

Aangeheg is 'n Digikey -onderdeellys wat u kan gebruik vir die weergawe met 'n hoër krag. Hierdie kondensators styg tot 560V, waardeur u 'n versterker van ~ 500W kan gebruik en 'n reikafstand van byna twee voet kan bereik. Die aangehegte weergawe bevat slegs die minimum dele. Solank u 'n Digikey -bestelling doen, bestel 'n paar ekstra's as u 'n fout maak of een opblaas (dit geld veral vir die TVS -beskermingsdiodes, wat ek verskeie kere gerook het).

Stap 2: Maak die spoelwinder

Om die spoele op te draai, benodig u 'n raam om dit te draai.

Op 'n stuk laaghout moet u 'n kompas gebruik om 'n presiese sirkel van 20 cm en 'n presiese sirkel van 40 cm uit te trek.

Hamerpykers is eweredig oor die sirkel versprei. Vir die sirkel van 20 cm het ek ongeveer 12 spykers gebruik en vir die sirkel van 40 cm ongeveer 16. Op een plek in die sirkel wil u 'n ingangspunt maak wat die draad sal hou terwyl u met die eerste kronkeling begin. Hamer op daardie plek nog 'n spyker naby die een spyker en dan nog 'n paar sentimeter verder.

Stap 3: Draai die spoel van 40 cm met 20 draaie en die spoel van 20 cm met 15 draaie

Maak eers 'n paar lusse met die draad aan die buitekant om die draad te veranker, en begin dan die lus om die spoel. Maak seker dat u baie ekstra draad aan die begin en einde van die spoel agterlaat. Laat 3 voet om veilig te wees (u benodig dit om aan te sluit by elektronika).

Dit is verbasend moeilik om die aantal kronkels by te hou. Gebruik 'n vriend om jou te help.

Maak die windings regtig styf. As u met los windings beland, sal die spoel 'n gemors wees.

Dit is regtig moeilik om die windings in orde te hou (veral as u 18 maatdraad gebruik, is dit makliker om 24 meter te hanteer, maar dit het baie meer verlies). U sal dus 'n paar mense nodig hê om u te help om dit vas te hou terwyl u dit draai.

Nadat u die draaie voltooi het, wil u die in- en uitlaatdraad draai om die spoel stabiel te hou. Plak dan die spoel op verskeie plekke met elektriese band vas.

As u klaar is met hierdie stap, moet u twee spoele hê, een spoel met 'n deursnee van 20 cm en 15 draaie en een spoel met 'n deursnee van 40 cm en 20 draaie. Die spoele moet styf gewikkel word en met band vasgemaak word. U moet dit maklik kan optel en hanteer sonder dat hulle uitmekaar val of loskom.

Stap 4: Voeg die gloeilamp en elektronika by die spoel van 20 cm

Vervolgens gaan u die gloeilamp aan die spoel vasmaak. U moet drie 1uf (1 mikrofarad of ander manier 1, 000nF) en een 0.47uF (op 'n ander manier, 470nF) kondensators aan die gloeilampe soldeer. Dit is 'n totaal van 3.47uF (kapasitors tel parallel op). As u die hoëkragweergawe doen, moet u ook 'n tweevoudige TVS -diode van 20V tussen die gloeilampe soldeer as beskerming teen oorspanning.

Nadat u die kondensators gesoldeer het, moet u die ente van die spoeldraad heeltemal in die middel van die spoel draai. Die draad is styf genoeg om die gloeilamp te ondersteun. Nadat u die draad heeltemal oor die deursnee gedraai het, sny u die punte van die draad en laat dit oop.

Dan plaas u die gloeilamp in die middel van die gedraaide draad. U trek die draaie uitmekaar sodat elke draad aan die eindpunt van die gloeilamp raak. Dan skraap u die emalje met 'n mes af en soldeer dan die skoongemaakte draad aan die gloeilampe. Maak seker dat u rosynkernsoldeer gebruik. U kan ekstra hars byvoeg, wat die stukke emalje kan skoonmaak.

Stap 5: Bevestig die spoel van 40 cm aan die elektronika

Vervolgens moet u die spoel van 40 cm aan 'n 1uF -kondensator koppel. Hier word die hoëkragweergawe getoon, waar ek 10x 0.1uF kondensators parallel gekoppel het om een 1uF -kondensator te maak (parallelle kondensators). Die kapasitor gaan tussen die spoel en die positiewe uitset van die eindversterker. Die ander kant van die spoel gaan direk na die eindversterker GND.

Stap 6: Koppel 'n sinusgolfbron aan 'n kragversterker en probeer dit

Die laaste stap is om 'n sinusgolf te skep. U kan 'n funksiegenerator -app op u telefoon of skootrekenaar of lessenaar aflaai. U sal wil eksperimenteer om die beste werkfrekwensie te vind.

U koppel u sinusbron aan die klankversterker, en koppel dan die klankversterker aan die 40 cm -spoel en 1uF -kondensator, en dan moet alles werk!

Wees versigtig as u 'n klankversterker met 'n hoë krag (100W of meer) gebruik! Dit kan baie hoë spannings van meer as +/- 500V opwek. Ek het getoets met 'n hoë spanning om te verseker dat ek nie die kondensators gaan opblaas nie. Dit is ook maklik om geskok te raak as u aan 'n blootgestelde lood raak.

As u ook 'n klankversterker met 'n hoë krag gebruik, kan u die spoel van 20 cm nie te naby aan die spoel van 40 cm kry nie. As hulle te naby is, brand die TVS -diode of LED -gloeilamp weens oormatige krag.

Stap 7: Skep die draadlose telefoonlaaier

U kan die kring maklik verander om 'n telefoon te laai. Ek het 'n tweede spoel van 20 cm gebou en toe al die stroombane bygevoeg. Dieselfde 3.47uF kondensator en TVS -diode word gebruik. Dit word gevolg deur 'n bruggelykrigter (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), gevolg deur 'n 5V lineêre reguleerder (Fairchild LM7805CT), gevolg deur 'n tantonkondensator van 47uF. Met 'n hoëversterker kan die kring u telefoon maklik vanaf 'n afstand van 'n voet en 'n half laai!

Stap 8: Die resultate

Die gemete spanning versus afstandskurwes word aangeheg.

Ontwerpmetings en vergelyking met simulasie en teorie

Spoel van 40 cm

• Hoofspoel = 0,2 m radius, 0,4 m deursnee. 18 gauge draad 20 windings
• Teoretiese weerstand = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 ohm
• Werklike weerstand = 0.609 ohm. Afwyking van teorie: +13%
• Gesimuleerde induktansie = 0,435mH Werklike induktansie: 0,49mH. Afwyking van simulasie: +12%

20 cm spoel

• Ontvang spoel = 0,1 m radius 0,2 m deursnee 18 maatdraad 15 windings
• Teoretiese weerstand = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Werklike weerstand = 0.2490. Afwyking van simulasie: +19%
• Gesimuleerde induktansie = 0,105mH. Werklike induktansie = 0.1186mH. Afwyking van simulasie: +12%

Stap 9: Simulasie, optimalisering en bespreking

Hoe ons die ontwerp gesimuleer het

Ons het die ontwerp gesimuleer en geoptimaliseer in 'n 2-D mangetostatiese simulator, en met SPICE.

Ons gebruik die gratis 2-D mangetostatiese simulator genaamd Infolytica. U kan hier gratis aflaai:

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

Ons het die gratis SPICE -simulator genaamd LTSPICE gebruik. U kan dit hier aflaai:

www.linear.com/designtools/software/

Ontwerplêers vir beide simulators word aangeheg.

Bespreking

Hierdie ontwerp gebruik resonante magnetostatiese kragtransmissie. Die klankversterker produseer 'n elektriese stroom wat deur die stuurspoel vloei en 'n ossillerende magnetiese veld genereer. Dit magnetiese veld word deur die ontvangende spoel ontvang en in 'n elektriese veld verander. In teorie kan ons dit doen sonder enige komponente (dit wil sê geen kapasitors). Die doeltreffendheid is egter uiters laag. Ons wou aanvanklik 'n eenvoudiger ontwerp maak wat slegs die spoele en geen ander komponente gebruik nie, maar die energie -doeltreffendheid was so swak dat dit nie die LED kon aanskakel nie. Ons het dus oorgegaan na 'n resonante stelsel. Die kondensator wat ons bygevoeg het, resoneer op 'n spesifieke frekwensie (in hierdie geval ongeveer 8kHz). By alle ander frekwensies is die kring uiters ondoeltreffend, maar op die presiese resonante frekwensie word dit baie doeltreffend. Die induktor en kapasitor werk soos 'n transformator. Op die senderspoel plaas ons 'n klein spanning en 'n hoë stroom (10Vrms en 15Arms). Dit lewer uiteindelik meer as 400 Vrms oor die kapasitor, maar teen 'n baie laer stroom. Dit is die magie van resonante kringe! Resonante stroombane word gekwantifiseer deur die "Q -faktor". In die senderspoel met 'n deursnee van 40 cm is die gemete Q -faktor ongeveer 40, wat beteken dat dit redelik doeltreffend is.

Ons het die spoel gesimuleer en geoptimaliseer met Infolytica se 2-D magneto statiese simulator. Die simulator het ons 'n gesimuleerde induktansie vir elke spoel gegee, en die wedersydse induktansie tussen die twee spoele.

Magnetiese gesimuleerde waardes:

• Stuurspoel = 4,35 mH
• Ontvangsrol = 0,105mH
• Wedersydse induktansie = 9.87uH. K = 6,87e-3 (met die spoele geskei deur 0,2 m)

Ons het die getalle geneem en dit in SPICE gevoer om die elektriese eienskappe na te boots.

U kan die aangehegte simulasielêers aflaai en probeer om u optimalisering en metings te maak!

Daar is ook veldplotte wat die magnetiese veld wat deur die spoele geproduseer word, aangeheg het. Dit is interessant dat alhoewel ons baie krag insit, die absolute velde redelik klein is (in die milliTesla -reeks). Dit is omdat die velde oor 'n groot oppervlakte versprei is. As u dus die magnetiese veld oor die groot oppervlakte optel (integreer), is dit aansienlik. Maar op 'n gegewe punt in die volume is dit klein. As 'n kanttekening, dit is die rede waarom transformators ysterkerne gebruik, sodat die magnetiese veld in een gebied gekonsentreer word.