Nguồn không dây phạm vi cao: 9 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

Xây dựng hệ thống truyền điện không dây có thể cung cấp năng lượng cho bóng đèn hoặc sạc điện thoại cách xa tối đa 2 feet! Điều này sử dụng một hệ thống cuộn dây cộng hưởng để gửi từ trường từ cuộn dây truyền đến cuộn dây nhận.

Chúng tôi đã sử dụng điều này làm bản demo trong một bài giảng về Bốn phương trình vĩ đại của Maxwell tại nhà thờ của chúng tôi! Kiểm tra nó tại:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Bước 1: Những thứ bạn cần

• Dây từ 18 gauge. Lưu ý là không thể dùng dây thường mà phải dùng dây từ tính (có tráng men cách điện rất mỏng). Một ví dụ có sẵn trên Amazon ở đây:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Bóng đèn LED có thể điều chỉnh độ sáng 6W (hoặc ít hơn) AC / DC 12V. Một ví dụ là ở đây:

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

• Tụ điện 1uF (không phải tụ điện, phải là loại không phân cực). Bạn có một số lựa chọn ở đây. Nếu bạn xây dựng phiên bản công suất thấp, bạn có thể nhận được tụ điện 250V 1uF từ Radio Shack hoặc Frys. Nếu bạn muốn xây dựng một phiên bản công suất cao, bạn sẽ cần phải mua các tụ điện 560V đặc biệt từ Digikey.
• Tụ điện 0,47uF (không phải chất điện phân, phải không phân cực)
• Một số loại bộ khuếch đại công suất. Chúng tôi đã sử dụng một bộ khuếch đại công suất 450W HI-FI. Bạn có thể sử dụng bất cứ thứ gì từ đó xuống loa PC. Bạn càng sử dụng nhiều điện năng, bạn càng có nhiều phạm vi sử dụng hơn.
• Hàn & Sắt hàn. Máy cắt dây
• Một miếng ván ép và một số đinh nhỏ (dùng để quấn cuộn dây)
• Băng điện đen
• Thước đo & thước
• Dây cách điện
• cây búa

• Nguồn âm thanh có tần số và biên độ thay đổi tạo ra âm hình sin 8khz. Thật dễ dàng để sử dụng PC, Máy tính xách tay hoặc điện thoại với phần mềm tạo âm thanh có sẵn miễn phí và kết nối với giắc cắm tai nghe. Tôi đã sử dụng máy Mac với phần mềm này:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Hoặc bạn có thể sử dụng phần mềm này cho PC: Bạn cũng có thể sử dụng trình tạo chức năng nếu bạn có (thiết bị thử nghiệm đắt tiền)

Danh sách Bộ phận Tụ điện NTE (dành cho phiên bản công suất thấp). Bạn có thể mua các bộ phận này tại Frys

Tụ điện 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (để gắn vào bóng đèn và cuộn dây nhỏ)

Tụ điện 1 x 0,47uF 50V, NTE CML474M50 (để gắn vào bóng đèn & cuộn dây nhỏ song song với nắp 1uF)

1 x 1uF 250V tụ điện, NTE MLR105K250 (để gắn vào cuộn dây lớn)

Digikey Order (dành cho phiên bản năng lượng cao)

Đính kèm là Danh sách Phần Digikey mà bạn có thể sử dụng cho phiên bản được hỗ trợ cao hơn. Các tụ điện này có công suất lên đến 560V, cho phép bạn sử dụng bộ khuếch đại ~ 500W và đạt được phạm vi gần hai feet. Phiên bản đính kèm chỉ bao gồm các bộ phận tối thiểu. Miễn là bạn đang đặt hàng Digikey, hãy đặt hàng một số tính năng bổ sung trong trường hợp bạn mắc lỗi hoặc làm nổ một chiếc (điều đó đặc biệt đúng với điốt bảo vệ TVS mà tôi đã hút nhiều lần).

Bước 2: Làm cuộn dây

Để quấn các cuộn dây, bạn cần có khung để cuốn chúng xung quanh.

Trên một tấm ván ép, bạn cần sử dụng compa để vẽ một hình tròn chính xác 20 cm và một hình tròn chính xác 40 cm.

Các đinh búa cách đều nhau xung quanh hình tròn. Đối với vòng tròn 20 cm, tôi sử dụng khoảng 12 chiếc đinh và đối với vòng tròn 40 cm, tôi sử dụng khoảng 16. Tại một điểm trong vòng tròn, bạn sẽ muốn tạo một điểm vào sẽ giữ dây khi bắt đầu cuộn dây đầu tiên.. Tại vị trí đó, đóng một chiếc đinh khác gần một chiếc đinh, rồi đóng một chiếc đinh khác cách một vài inch.

Bước 3: Cuộn cuộn dây 40cm với 20 lượt và cuộn dây 20cm với 15 lượt

Đầu tiên, bạn sẽ tạo một vài vòng với dây ở đinh bên ngoài để neo dây, sau đó bắt đầu vòng quanh cuộn dây. Hãy chắc chắn rằng bạn để lại nhiều dây thừa ở đầu và cuối của cuộn dây. Để an toàn 3 feet (bạn sẽ cần cái này để kết nối với thiết bị điện tử).

Thật khó để theo dõi số lượng cuộn dây. Sử dụng một người bạn để giúp bạn.

Làm cho các cuộn dây thực sự chặt chẽ. Nếu bạn kết thúc với các cuộn dây lỏng lẻo, cuộn dây sẽ là một mớ hỗn độn.

Thật sự rất khó để giữ cho các cuộn dây có trật tự (đặc biệt nếu bạn sử dụng dây 18 guage, dây 24 thì dễ xử lý hơn nhưng lại bị hao hụt nhiều hơn). Vì vậy, bạn sẽ cần một vài người giúp bạn giữ nó khi bạn xoay nó.

Sau khi hoàn thành các vòng, bạn sẽ muốn xoắn dây đầu vào và dây đầu ra để giữ cuộn dây ổn định. Sau đó băng cuộn dây bằng băng dính điện ở một số điểm.

Khi bạn hoàn thành bước này, bạn sẽ có hai cuộn dây, một cuộn dây có đường kính 20cm và 15 vòng và một cuộn dây có đường kính 40cm và 20 vòng. Các cuộn dây phải được quấn chặt và được cố định bằng băng dính. Bạn sẽ có thể nhặt và xử lý chúng một cách dễ dàng mà chúng không bị rơi ra hoặc bị bung ra.

Bước 4: Thêm Bóng đèn & Điện tử vào Cuộn dây 20cm

Tiếp theo, bạn sẽ gắn bóng đèn vào cuộn dây nhỏ. Bạn cần hàn ba tụ điện 1uf (1 microfarad, hay nói cách khác là 1, 000nF) và một tụ điện 0,47uF (nói một cách khác là 470nF) vào các trụ bóng đèn. Đó là tổng cộng 3,47uF (các tụ điện mắc song song). Nếu bạn đang sử dụng phiên bản công suất cao, bạn cũng nên hàn một điốt TVS hai chiều 20V giữa các cột bóng đèn để bảo vệ chống quá áp.

Sau khi hàn các tụ điện, bạn cần phải xoắn hết các đầu của cuộn dây qua tâm của cuộn dây. Dây đủ cứng để đỡ bóng đèn. Sau khi xoắn hết đường kính của dây, bạn chỉ cần cắt các đầu của dây và để hở.

Sau đó, bạn sẽ đặt bóng đèn vào giữa dây xoắn. Bạn sẽ kéo các vòng xoắn ra, sao cho mỗi dây tiếp xúc với một đầu cuối của bóng đèn. Sau đó bạn dùng dao cạo sạch lớp men của dây rồi hàn phần dây đã làm sạch vào các trụ bóng đèn. Hãy chắc chắn rằng bạn sử dụng chất hàn lõi nhựa thông. Bạn có thể muốn thêm nhựa thông để giúp làm sạch các mảng men.

Bước 5: Gắn Coil 40cm vào Điện tử

Tiếp theo, bạn sẽ cần kết nối cuộn dây 40cm với tụ điện 1uF. Được hiển thị ở đây là phiên bản công suất cao, nơi tôi đã kết nối song song các tụ điện 10x 0,1uF để tạo thành một tụ điện 1uF (các tụ điện song song cộng lại). Tụ điện đi giữa cuộn dây và đầu ra tích cực của bộ khuếch đại công suất. Mặt còn lại của cuộn dây đi trực tiếp vào bộ khuếch đại công suất GND.

Bước 6: Kết nối nguồn sóng hình sin với bộ khuếch đại công suất và dùng thử

Bước cuối cùng là tạo một sóng hình sin. Bạn có thể tải xuống ứng dụng tạo chức năng trên điện thoại hoặc máy tính xách tay hoặc máy tính để bàn của mình. Bạn sẽ muốn thử nghiệm để tìm ra tần suất hoạt động tốt nhất.

Bạn kết nối nguồn sin của mình với bộ khuếch đại công suất âm thanh, sau đó kết nối bộ khuếch đại âm thanh với cuộn dây 40cm và tụ điện 1uF, và sau đó mọi thứ sẽ hoạt động!

Nếu bạn sử dụng bộ khuếch đại âm thanh công suất lớn (100W trở lên), hãy CẨN THẬN! Nó có thể tạo ra điện áp rất cao vượt quá +/- 500V. Tôi đã thử nghiệm với một phạm vi điện áp cao để đảm bảo rằng tôi sẽ không làm nổ các tụ điện. Bạn cũng dễ bị điện giật nếu chạm vào dây dẫn bị hở.

Ngoài ra, nếu bạn sử dụng bộ khuếch đại âm thanh công suất lớn, bạn không thể mắc cuộn dây 20cm quá gần với cuộn dây 40cm. Nếu chúng quá gần, đi-ốt TVS hoặc bóng đèn LED sẽ bị cháy do nguồn điện quá cao.

Bước 7: Tạo bộ sạc điện thoại không dây

Bạn có thể dễ dàng sửa đổi mạch để sạc điện thoại. Tôi xây dựng một cuộn dây thứ hai dài 20cm và sau đó thêm tất cả các mạch. Sử dụng cùng một tụ điện 3,47uF và diode TVS. Tiếp theo là bộ chỉnh lưu cầu (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), tiếp theo là bộ điều chỉnh tuyến tính 5V (Fairchild LM7805CT), tiếp theo là tụ tantali 47uF. Với bộ khuếch đại công suất cao, mạch có thể dễ dàng sạc điện thoại của bạn từ khoảng cách một bước chân rưỡi!

Bước 8: Kết quả

Các đường cong điện áp đo được so với khoảng cách được đính kèm.

Đo lường thiết kế và so sánh với mô phỏng & lý thuyết

Cuộn dây 40cm

• Cuộn dây chính = bán kính 0,2m, đường kính 0,4m. 18 dây đo 20 cuộn dây
• Điện trở lý thuyết = 20,95e-3 * (2 * pi * 0,2 * 20 + 0,29 * 2) = 0,5387 ohms
• Điện trở thực tế = 0,609 ohms. Phương sai so với lý thuyết: + 13%
• Điện cảm mô phỏng = 0,435mH Điện cảm thực tế: 0,49mH. Phương sai từ mô phỏng: + 12%

Cuộn dây 20cm

• Nhận cuộn dây = 0,1m bán kính 0,2m đường kính 18 dây 15 cuộn
• Điện trở lý thuyết = (2 * pi * 0,1 * 15 + 0,29 * 2) * 0,0209 = 0,2091
• Kháng cự thực tế = 0,2490. Phương sai so với mô phỏng: + 19%
• Điện cảm mô phỏng = 0,105mH. Điện cảm thực tế = 0,1186mH. Phương sai so với mô phỏng: + 12%

Bước 9: Mô phỏng, Tối ưu hóa & Thảo luận

Cách chúng tôi mô phỏng thiết kế

Chúng tôi đã mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế trong bộ mô phỏng mangetostatic 2-D và với SPICE.

Chúng tôi đã sử dụng trình mô phỏng mangetostatic 2-D miễn phí có tên là Infolytica. Bạn có thể tải về miễn phí tại đây:

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

Chúng tôi đã sử dụng trình mô phỏng SPICE miễn phí có tên LTSPICE. Bạn có thể tải về tại đây:

www.linear.com/designtools/software/

Tệp thiết kế cho cả hai trình mô phỏng được đính kèm.

Thảo luận

Thiết kế này sử dụng truyền lực từ tĩnh cộng hưởng. Bộ khuếch đại công suất âm thanh tạo ra dòng điện chạy qua cuộn dây phát và tạo ra từ trường dao động. Từ trường đó được cuộn nhận nhận, và biến thành điện trường. Về lý thuyết, chúng tôi có thể làm điều đó mà không cần bất kỳ linh kiện nào (tức là không có tụ điện). Tuy nhiên, hiệu quả cực kỳ thấp. Ban đầu, chúng tôi muốn tạo ra một thiết kế đơn giản hơn chỉ sử dụng các cuộn dây và không sử dụng các thành phần khác, tuy nhiên, hiệu suất năng lượng quá kém nên không thể bật đèn LED. Vì vậy, chúng tôi chuyển sang hệ thống cộng hưởng. Tụ điện mà chúng tôi thêm vào cộng hưởng ở một tần số đặc biệt (trong trường hợp này là khoảng 8kHz). Ở tất cả các tần số khác, mạch cực kỳ kém hiệu quả, nhưng ở tần số cộng hưởng chính xác, nó trở nên rất hiệu quả. Cuộn cảm và tụ điện hoạt động giống như một máy biến áp. Trên cuộn dây phát, chúng tôi đặt vào một điện áp nhỏ và một dòng điện cao (10Vrms và 15Arms). Điều đó kết thúc tạo ra> 400Vrms trên tụ điện, nhưng ở dòng điện thấp hơn nhiều. Đó là điều kỳ diệu của mạch cộng hưởng! Các mạch cộng hưởng được định lượng bằng "hệ số Q". Trong cuộn dây máy phát đường kính 40cm, hệ số Q đo được là khoảng 40, nghĩa là khá hiệu quả.

Chúng tôi đã mô phỏng và tối ưu hóa cuộn dây bằng trình mô phỏng tĩnh từ tính 2-D của Infolytica. Trình mô phỏng đó đã cho chúng ta một độ tự cảm mô phỏng cho mỗi cuộn dây và độ tự cảm lẫn nhau giữa hai cuộn dây.

Giá trị mô phỏng từ tính:

• Cuộn dây truyền = 4,35mH
• Nhận cuộn dây = 0,105mH
• Điện cảm lẫn nhau = 9,87uH. K = 6,87e-3 (với các cuộn dây cách nhau 0,2m)

Sau đó, chúng tôi lấy những con số đó và đưa chúng vào SPICE để mô phỏng các đặc tính điện.

Bạn có thể tải xuống các tệp mô phỏng đính kèm và cố gắng thực hiện các phép đo và tối ưu hóa của bạn!

Ngoài ra còn có các biểu đồ trường, cho thấy từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây. Thật thú vị là mặc dù chúng ta đang sử dụng rất nhiều sức mạnh, nhưng các trường tuyệt đối lại khá nhỏ (trong phạm vi milliTesla). Đó là bởi vì các cánh đồng được trải rộng trên một diện tích bề mặt lớn. Vì vậy, nếu bạn cộng (tích hợp) từ trường trên diện tích bề mặt lớn, nó sẽ rất đáng kể. Nhưng tại bất kỳ thời điểm nào trong khối lượng, nó rất nhỏ. Một lưu ý nhỏ, đây là lý do tại sao máy biến áp sử dụng lõi sắt, để từ trường tập trung vào một khu vực.