พลังไร้สายระดับสูง: 9 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

สร้างระบบส่งกำลังแบบไร้สายที่สามารถจ่ายไฟให้กับหลอดไฟหรือชาร์จโทรศัพท์ได้ในระยะไม่เกิน 2 ฟุต! ใช้ระบบขดลวดเรโซแนนซ์เพื่อส่งสนามแม่เหล็กจากขดลวดส่งไปยังขดลวดรับ

เราใช้สิ่งนี้เป็นตัวอย่างในระหว่างการเทศนาเกี่ยวกับสมการสี่ข้อที่ยิ่งใหญ่ของ Maxwell ที่โบสถ์ของเรา! ตรวจสอบได้ที่:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

ขั้นตอนที่ 1: สิ่งที่คุณต้องการ

• สายแม่เหล็ก 18 เกจ โปรดทราบว่าคุณไม่สามารถใช้ลวดธรรมดาได้ คุณต้องใช้ลวดแม่เหล็ก (ซึ่งมีฉนวนเคลือบที่บางมาก) ตัวอย่างหนึ่งมีอยู่ใน Amazon ที่นี่:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• หลอดไฟ LED หรี่แสงได้ AC/DC 12V ขนาด 6W (หรือน้อยกว่า) ตัวอย่างหนึ่งอยู่ที่นี่:

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

• ตัวเก็บประจุ 1uF (ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ ต้องไม่มีขั้ว) คุณมีทางเลือกบางอย่างที่นี่ หากคุณสร้างเวอร์ชันพลังงานต่ำ คุณสามารถรับตัวเก็บประจุ 250V 1uF จาก Radio Shack หรือ Frys หากคุณต้องการสร้างเวอร์ชันพลังงานสูง คุณจะต้องซื้อตัวเก็บประจุ 560V พิเศษจาก Digikey
• ตัวเก็บประจุ 0.47uF (ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ ต้องไม่มีขั้ว)
• เพาเวอร์แอมป์บางชนิด. เราใช้เพาเวอร์แอมป์ HI-FI 450W คุณสามารถใช้อะไรก็ได้ตั้งแต่นั้นไปจนถึงลำโพง PC ยิ่งคุณใช้พลังมากเท่าไหร่ คุณก็จะได้ระยะการใช้งานมากขึ้นเท่านั้น
• บัดกรีและบัดกรีเหล็ก เครื่องตัดลวด
• ไม้อัดและตะปูขนาดเล็กบางส่วน (ใช้สำหรับพันขดลวด)
• เทปพันสายไฟสีดำ
• ตลับเมตรและไม้บรรทัด
• ลวดหุ้มฉนวน
• ค้อน

• แหล่งกำเนิดเสียงที่มีความถี่ผันแปรและแอมพลิจูดที่สร้างเสียงไซน์ 8khz ใช้พีซี แล็ปท็อป หรือโทรศัพท์ได้ง่ายด้วยซอฟต์แวร์สร้างโทนเสียงที่มีให้ใช้งานฟรีและเชื่อมต่อกับแจ็คหูฟัง ฉันใช้ Mac กับซอฟต์แวร์นี้:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…หรือคุณสามารถใช้ซอฟต์แวร์นี้สำหรับพีซี: คุณยังสามารถใช้ตัวสร้างฟังก์ชันถ้าคุณมี (อุปกรณ์ทดสอบราคาแพง)

รายการชิ้นส่วนตัวเก็บประจุ NTE (สำหรับรุ่นพลังงานต่ำ) คุณสามารถหาซื้อชิ้นส่วนเหล่านี้ได้ที่ Frys

ตัวเก็บประจุขนาด 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (สำหรับติดกับหลอดไฟและขดลวดขนาดเล็ก)

ตัวเก็บประจุ 1 x 0.47uF 50V, NTE CML474M50 (เพื่อต่อเข้ากับหลอดไฟและขดลวดขนาดเล็กขนานกับแคป 1uF)

ตัวเก็บประจุ 1 x 1uF 250V, NTE MLR105K250 (เพื่อต่อเข้ากับขดลวดขนาดใหญ่)

Digikey Order (สำหรับรุ่นพลังสูง)

สิ่งที่แนบมาคือรายการชิ้นส่วน Digikey ที่คุณสามารถใช้สำหรับเวอร์ชั่นที่สูงกว่า ตัวเก็บประจุเหล่านี้เพิ่มได้ถึง 560V ซึ่งช่วยให้คุณใช้แอมพลิฟายเออร์ ~500W ได้ และขยายได้เกือบสองฟุต เวอร์ชันที่แนบมามีเฉพาะชิ้นส่วนขั้นต่ำที่เปลือยเปล่าเท่านั้น ตราบใดที่คุณสั่งซื้อ Digikey ให้สั่งของเพิ่มเติมในกรณีที่คุณทำผิดพลาดหรือระเบิด (นั่นเป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะกับไดโอดป้องกัน TVS ซึ่งฉันสูบบุหรี่หลายครั้ง)

ขั้นตอนที่ 2: สร้างเครื่องม้วนคอยล์

ในการม้วนขดลวด คุณต้องมีโครงเพื่อหมุนขดลวด

บนแผ่นไม้อัด คุณต้องใช้เข็มทิศวาดวงกลมขนาด 20 ซม. และวงกลม 40 ซม. อย่างแม่นยำ

ตะปูตอกตะปูเว้นระยะเท่าๆ กันรอบวงกลม สำหรับวงกลม 20 ซม. ฉันใช้ตะปูประมาณ 12 ตัว และสำหรับวงกลม 40 ซม. ฉันใช้ประมาณ 16 ซม. ที่จุดหนึ่งในวงกลม คุณจะต้องสร้างจุดเริ่มต้นที่จะยึดลวดไว้ในขณะที่คุณเริ่มการม้วนแรก. ที่จุดนั้น ให้ตอกตะปูอีกตัวหนึ่งใกล้กับตะปูตัวหนึ่ง จากนั้นอีกสองสามนิ้วให้ห่างออกไป

ขั้นตอนที่ 3: ม้วนคอยล์ 40 ซม. ด้วย 20 รอบและม้วน 20 ซม. ด้วย 15 รอบ

ขั้นแรกคุณจะต้องทำห่วงสองสามห่วงด้วยลวดที่เล็บด้านนอกเพื่อยึดลวด จากนั้นเริ่มวนรอบขดลวด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณทิ้งลวดส่วนเกินไว้มากมายที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของขดลวด ปล่อยให้ 3 ฟุตปลอดภัย (คุณจะต้องใช้สิ่งนี้เพื่อเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์)

การติดตามจำนวนขดลวดเป็นเรื่องยากอย่างน่าประหลาดใจ ใช้เพื่อนเพื่อช่วยคุณ

ทำให้ขดลวดแน่นจริงๆ หากคุณลงเอยด้วยขดลวดหลวม ขดลวดจะเลอะเทอะ

มันยากมากที่จะรักษาขดลวดให้เป็นระเบียบ (โดยเฉพาะถ้าคุณใช้ลวดเกจ 18 เกจ 24 เกจลวดจะจัดการได้ง่ายกว่า แต่มีการสูญเสียมากกว่ามาก) ดังนั้นคุณจะต้องมีสักสองสามคนที่จะช่วยให้คุณถือมันไว้ในขณะที่คุณไขลาน

หลังจากที่คุณเลี้ยวเสร็จแล้ว คุณจะต้องบิดลวดเข้าและสายทางออกเพื่อให้คอยล์อยู่นิ่ง จากนั้นพันเทปพันขดลวดด้วยเทปพันสายไฟหลายๆ จุด

เมื่อคุณทำขั้นตอนนี้เสร็จแล้ว คุณควรมีคอยส์สองอัน หนึ่งม้วนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ซม. และ 15 รอบ และอีกหนึ่งม้วนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 ซม. และ 20 รอบ ควรพันขดลวดให้แน่นและยึดด้วยเทป คุณควรจะหยิบมันขึ้นมาและจัดการมันได้อย่างง่ายดายโดยที่พวกมันไม่แตกหรือคลายออก

ขั้นตอนที่ 4: เพิ่มหลอดไฟและอิเล็กทรอนิกส์ลงในคอยล์ 20 ซม

ต่อไป คุณจะต้องติดหลอดไฟเข้ากับขดลวดขนาดเล็ก คุณต้องประสานตัวเก็บประจุ 1uf (1 microfarad หรือกล่าวว่าแตกต่างกัน 1, 000nF) และตัวเก็บประจุ 0.47uF (กล่าวอีกวิธีหนึ่งคือ 470nF) กับเสาหลอดไฟ นั่นคือทั้งหมด 3.47uF (ตัวเก็บประจุรวมกัน) หากคุณกำลังใช้เวอร์ชันกำลังสูง คุณควรประสานไดโอด TVS แบบสองทิศทาง 20V ระหว่างเสาหลอดไฟเพื่อป้องกันแรงดันไฟเกิน

หลังจากที่คุณบัดกรีตัวเก็บประจุแล้ว คุณต้องบิดปลายลวดขดลวดไปจนสุดทางตรงกลางของขดลวด ลวดแข็งพอที่จะรองรับหลอดไฟได้ หลังจากที่คุณบิดลวดไปจนสุดเส้นผ่านศูนย์กลาง คุณจะต้องตัดปลายลวดแล้วเปิดทิ้งไว้

จากนั้นให้วางหลอดไฟไว้ตรงกลางของลวดบิดเกลียว คุณจะต้องแยกส่วนบิดออกจากกัน เพื่อให้เส้นลวดแต่ละเส้นสัมผัสกับขั้วหนึ่งของหลอดไฟ จากนั้นคุณขูดลวดเคลือบด้วยมีดแล้วบัดกรีลวดที่ทำความสะอาดแล้วเข้ากับเสาหลอดไฟ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณใช้บัดกรีแกนขัดสน คุณอาจต้องการเพิ่มขัดสนพิเศษ ซึ่งจะช่วยทำความสะอาดชิ้นส่วนของเคลือบฟัน

ขั้นตอนที่ 5: แนบคอยล์ 40 ซม. เข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ต่อไปคุณจะต้องเชื่อมต่อคอยล์ 40 ซม. กับตัวเก็บประจุ 1uF แสดงให้เห็นในที่นี้คือรุ่นกำลังสูง ซึ่งฉันได้เชื่อมต่อตัวเก็บประจุ 10x 0.1uF แบบขนานเพื่อสร้างตัวเก็บประจุ 1uF หนึ่งตัว (ตัวเก็บประจุแบบขนานรวมกัน) ตัวเก็บประจุอยู่ระหว่างคอยล์และเอาต์พุตที่เป็นบวกของเพาเวอร์แอมป์ อีกด้านหนึ่งของคอยล์ตรงไปที่เพาเวอร์แอมป์ GND

ขั้นตอนที่ 6: เชื่อมต่อแหล่งคลื่นไซน์กับเพาเวอร์แอมป์แล้วลองใช้งาน

ขั้นตอนสุดท้ายคือสร้างคลื่นไซน์ คุณสามารถดาวน์โหลดแอปสร้างฟังก์ชันบนโทรศัพท์หรือแล็ปท็อปหรือเดสก์ท็อปได้ คุณจะต้องทดลองเพื่อหาความถี่ในการทำงานที่ดีที่สุด

คุณเชื่อมต่อแหล่งไซน์ของคุณกับเพาเวอร์แอมป์เสียง จากนั้นเชื่อมต่อเพาเวอร์แอมป์เสียงกับคอยล์ 40 ซม. และตัวเก็บประจุ 1uF จากนั้นทุกอย่างก็ควรทำงาน!

หากคุณใช้แอมป์เสียงกำลังสูง (100W ขึ้นไป) ให้ระวัง! สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเกินกว่า +/-500V ฉันทดสอบด้วยขอบเขตแรงดันไฟฟ้าสูงเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่ทำให้ตัวเก็บประจุระเบิด นอกจากนี้ยังง่ายต่อการตกใจหากคุณสัมผัสสารตะกั่วที่เปิดเผย

นอกจากนี้ หากคุณใช้แอมป์เสียงกำลังสูง คุณจะไม่สามารถเอาคอยล์ 20 ซม. มาใกล้กับคอยล์ 40 ซม. มากเกินไป หากอยู่ใกล้เกินไป ไดโอด TVS หรือหลอดไฟ LED จะไหม้เนื่องจากกำลังไฟมากเกินไป

ขั้นตอนที่ 7: สร้างที่ชาร์จโทรศัพท์ไร้สาย

คุณสามารถปรับเปลี่ยนวงจรเพื่อชาร์จโทรศัพท์ได้อย่างง่ายดาย ฉันสร้างขดลวด 20 ซม. ตัวที่สองแล้วเพิ่มวงจรทั้งหมด ใช้ตัวเก็บประจุ 3.47uF และไดโอด TVS เดียวกัน ตามด้วยวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ (Comchip P/N: CDBHM240L-HF) ตามด้วยตัวควบคุมเชิงเส้น 5V (Fairchild LM7805CT) ตามด้วยตัวเก็บประจุแทนทาลัม 47uF ด้วยแอมพลิฟายเออร์กำลังสูง วงจรสามารถชาร์จโทรศัพท์ของคุณได้อย่างง่ายดายจากระยะครึ่งฟุต!

ขั้นตอนที่ 8: ผลลัพธ์

แนบแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้กับเส้นโค้งระยะทาง

การออกแบบการวัดและการเปรียบเทียบกับการจำลองและทฤษฎี

คอยล์ 40ซม

• ขดลวดหลัก = รัศมี 0.2 ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.4 ม. ลวด 18 เกจ 20 ขดลวด
• ความต้านทานตามทฤษฎี = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 โอห์ม
• ความต้านทานจริง = 0.609 โอห์ม ความแปรปรวนจากทฤษฎี: +13%
• ตัวเหนี่ยวนำจำลอง = 0.435mH ตัวเหนี่ยวนำจริง: 0.49mH ความแปรปรวนจากการจำลอง: +12%

ม้วน 20 ซม

• รับคอยล์ = 0.1m รัศมี 0.2m เส้นผ่านศูนย์กลาง 18 เกจลวด 15 ขดลวด
• ความต้านทานตามทฤษฎี = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• แนวต้านจริง = 0.2490 ความแปรปรวนจากการจำลอง: +19%
• ตัวเหนี่ยวนำจำลอง = 0.105mH ความเหนี่ยวนำที่แท้จริง = 0.1186mH ความแปรปรวนจากการจำลอง: +12%

ขั้นตอนที่ 9: การจำลอง การเพิ่มประสิทธิภาพ และการอภิปราย

เราจำลองการออกแบบอย่างไร

เราจำลองและปรับการออกแบบให้เหมาะสมในเครื่องจำลอง mangetostatic แบบ 2 มิติและด้วย SPICE

เราใช้เครื่องจำลองแมงเจโทสแตติก 2 มิติฟรีที่เรียกว่า Infolytica คุณสามารถดาวน์โหลดได้ฟรีที่นี่:

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

เราใช้โปรแกรมจำลอง SPICE ฟรีที่เรียกว่า LTSPICE คุณสามารถดาวน์โหลดได้ที่นี่:

www.linear.com/designtools/software/

แนบไฟล์การออกแบบสำหรับเครื่องจำลองทั้งสองเครื่อง

การอภิปราย

การออกแบบนี้ใช้การส่งกำลังด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กแบบเรโซแนนซ์ แอมป์กำลังเสียงผลิตกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านคอยล์ส่งสัญญาณและสร้างสนามแม่เหล็กที่สั่น ขดลวดรับนั้นรับสนามแม่เหล็กนั้นและเปลี่ยนเป็นสนามไฟฟ้า ตามทฤษฎีแล้ว เราสามารถทำได้โดยไม่มีส่วนประกอบใดๆ (เช่น ไม่มีตัวเก็บประจุ) อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพต่ำมาก ตอนแรกเราต้องการออกแบบให้เรียบง่ายขึ้นโดยใช้เฉพาะคอยล์และไม่มีส่วนประกอบอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพด้านพลังงานต่ำมากจนไม่สามารถเปิด LED ได้ ดังนั้นเราจึงย้ายไปยังระบบเรโซแนนซ์ ตัวเก็บประจุที่เราเพิ่มเข้าไปจะสะท้อนที่ความถี่หนึ่งโดยเฉพาะ (ในกรณีนี้คือ 8kHz) ที่ความถี่อื่น ๆ วงจรจะไม่มีประสิทธิภาพอย่างมาก แต่ที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่แน่นอนจะมีประสิทธิภาพมาก ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุทำหน้าที่เหมือนหม้อแปลงชนิดต่างๆ บนขดลวดส่ง เราใส่แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กและกระแสสูง (10Vrms และ 15Arms) ซึ่งจบลงด้วยการผลิต >400Vrms ทั่วตัวเก็บประจุ แต่ที่กระแสไฟต่ำกว่ามาก นั่นคือความมหัศจรรย์ของวงจรเรโซแนนท์! วงจรเรโซแนนซ์ถูกหาปริมาณโดย "ปัจจัย Q" ในขดลวดเครื่องส่งสัญญาณขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 ซม. ค่า Q factor ที่วัดได้จะอยู่ที่ประมาณ 40 ซึ่งหมายความว่าค่อนข้างมีประสิทธิภาพ

เราจำลองและปรับขดลวดให้เหมาะสมด้วยเครื่องจำลองไฟฟ้าสถิตแบบแม่เหล็ก 2 มิติของ Infolytica เครื่องจำลองนั้นทำให้เรามีการเหนี่ยวนำจำลองสำหรับแต่ละขดลวด และการเหนี่ยวนำร่วมกันระหว่างสองขดลวด

ค่าจำลองแม่เหล็ก:

• ส่งคอยล์ = 4.35mH
• รับคอยล์ = 0.105mH
• การเหนี่ยวนำร่วมกัน = 9.87uH K=6.87e-3 (มีขดลวดคั่น 0.2m)

จากนั้นเราก็นำตัวเลขเหล่านั้นมาป้อนลงใน SPICE เพื่อจำลองลักษณะทางไฟฟ้า

คุณสามารถดาวน์โหลดไฟล์จำลองที่แนบมา และพยายามทำการเพิ่มประสิทธิภาพและการวัดผลของคุณ!

นอกจากนี้ยังมีแผนผังสนามที่แสดงสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวด เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่ถึงแม้เราจะใช้พลังงานมาก แต่เขตข้อมูลสัมบูรณ์ก็ค่อนข้างเล็ก (ในช่วง milliTesla) นั่นเป็นเพราะว่าทุ่งกว้างกระจายไปทั่วพื้นที่ผิวน้ำขนาดใหญ่ ดังนั้นหากคุณบวก (รวม) สนามแม่เหล็กเหนือพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ มันจะเป็นกอบเป็นกำ แต่ ณ จุดใดก็ตามในปริมาตร มันเล็ก ด้วยเหตุนี้ หม้อแปลงจึงใช้แกนเหล็กเพื่อให้สนามแม่เหล็กมีความเข้มข้นในบริเวณเดียว