قدرت بی سیم با برد بالا: 9 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

یک سیستم انتقال قدرت بی سیم بسازید که می تواند یک لامپ را تغذیه کند یا تلفن را تا فاصله 2 فوت شما شارژ کند! این از یک سیستم سیم پیچ رزونانس برای ارسال میدان های مغناطیسی از یک سیم پیچ انتقال دهنده به یک سیم پیچ دریافت کننده استفاده می کند.

ما از آن به عنوان یک نسخه نمایشی در هنگام خطبه در چهار معادله بزرگ ماکسول در کلیسای خود استفاده کردیم! آن را در آدرس زیر بررسی کنید:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

مرحله 1: چیزهایی که شما نیاز دارید

• سیم مغناطیسی 18 سنج توجه داشته باشید که نمی توانید از سیم معمولی استفاده کنید ، باید از سیم مغناطیسی (که عایق مینای بسیار نازک روی آن است) استفاده کنید. یک مثال در آمازون در اینجا موجود است:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• یک لامپ LED 6 وات (یا کمتر) AC/DC 12 ولت کم نور. یک مثال در اینجا آمده است:

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

• خازن های 1uF (الکترولیتیک ، باید غیر قطبی باشند). شما در اینجا چند انتخاب دارید. اگر یک نسخه کم مصرف تولید می کنید ، می توانید خازنهای 250V 1uF را از Radio Shack یا Frys تهیه کنید. اگر می خواهید نسخه قدرتمندی بسازید ، باید خازن های مخصوص 560 ولت را از Digikey تهیه کنید.
• خازن 0.47uF (الکترولیتیک نیست ، باید غیر قطبی باشد)
• نوعی تقویت کننده قدرت. ما از آمپر قدرت 450 وات HI-FI استفاده کردیم. می توانید از هر چیزی تا بلندگوی رایانه شخصی استفاده کنید. از قدرت بیشتر استفاده می کنید ، محدوده بیشتری از آن خارج خواهید شد.
• لحیم و آهن لحیم. سیم بر، دم باریک
• یک تکه تخته سه لا و چند میخ کوچک (برای سیم پیچ سیم پیچ استفاده می شود)
• نوار برقی مشکی
• نوار اندازه گیری و خط کش
• سیم عایق
• چکش

• منبع صوتی با فرکانس و دامنه متغیر که صدای سینوسی 8 کیلو هرتز تولید می کند. استفاده از رایانه شخصی ، لپ تاپ یا تلفن با نرم افزار تولید صدای آزاد و اتصال به جک هدفون آسان است. من از Mac با این نرم افزار استفاده کردم:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… یا می توانید از این نرم افزار برای رایانه شخصی استفاده کنید: همچنین اگر از یک دستگاه تولید کننده گران قیمت (تجهیزات گران قیمت تست) استفاده می کنید ، می توانید از آن استفاده کنید.

لیست قسمت NTE خازن (برای نسخه کم مصرف). این قطعات را می توانید در Frys تهیه کنید

3 خازن 1uF 50V ، NTE CML105M50 (برای اتصال به لامپ و سیم پیچ کوچک)

1 خازن 0.47uF 50V ، NTE CML474M50 (برای اتصال به لامپ و سیم پیچ کوچک به موازات درپوش 1uF)

1 خازن 1uF 250V ، NTE MLR105K250 (برای اتصال به سیم پیچ بزرگ)

سفارش Digikey (برای نسخه قدرتمند)

پیوست یک لیست قسمت Digikey است که می توانید از آن برای نسخه قدرتمندتر استفاده کنید. این خازن ها تا 560 ولت می روند ، که به شما امکان می دهد از یک تقویت کننده 500 واتی استفاده کنید و تقریباً دو پا از برد خود را افزایش دهید. نسخه پیوست فقط شامل حداقل قطعات است. تا زمانی که در حال سفارش دیجیکی هستید ، در صورت اشتباه یا انفجار ، موارد اضافی سفارش دهید (این امر به ویژه در مورد دیودهای حفاظتی TVS ، که من چندین بار سیگار کشیدم صادق است).

مرحله 2: سیم پیچ سیم پیچ را بسازید

برای پیچاندن سیم پیچ ها ، شما نیاز به یک قاب برای پیچاندن آنها در اطراف دارید.

روی یک تکه تخته سه لا ، باید از قطب نما برای کشیدن یک دایره دقیق 20 سانتی متری و یک دایره دقیق 40 سانتی متری استفاده کنید.

میخ های چکش به طور مساوی در اطراف دایره فاصله دارند. برای دایره 20 سانتی متری ، من از 12 میخ و برای دایره 40 سانتی متری ، از 16 استفاده کردم. در یک نقطه از دایره ، می خواهید یک نقطه ورودی ایجاد کنید که سیم را نگه می دارد در حالی که اولین سیم پیچ را شروع می کنید. به در آن نقطه ، میخ دیگری را نزدیک به یک میخ ، سپس یکی دیگر را چند اینچ دور چکش کنید.

مرحله 3: سیم پیچ 40 سانتی متری را با 20 دور و سیم پیچ 20 سانتی متری را با 15 دور بپیچانید

ابتدا چند حلقه با سیم روی میخ بیرونی ایجاد کنید تا سیم را محکم کنید ، سپس حلقه را در اطراف سیم پیچ شروع کنید. مطمئن شوید که مقدار زیادی سیم اضافی در ابتدا و انتهای سیم پیچ گذاشته اید. 3 پا بگذارید تا ایمن باشید (برای اتصال به وسایل الکترونیکی به این دستگاه نیاز دارید).

پیگیری تعداد سیم پیچ ها به طرز شگفت آوری سخت است. از یک دوست برای کمک به شما استفاده کنید.

سیم پیچ ها را واقعا محکم کنید. اگر در پایان با سیم پیچ های شل مواجه شوید ، سیم پیچ به هم می ریزد.

واقعاً نظم دادن به سیم پیچ ها بسیار دشوار است (مخصوصاً اگر از سیم گایاژ 18 استفاده می کنید ، 24 سیم سنج راحت تر اداره می شود اما تلفات بیشتری دارد). بنابراین به چند نفر احتیاج دارید که به شما کمک کنند تا هنگام باد کردن آن را نگه دارید.

پس از اتمام پیچ ها ، می خواهید سیم ورودی و سیم خروجی را بچرخانید تا سیم پیچ ثابت بماند. سپس سیم پیچ را با نوار برقی در چند نقطه بچسبانید.

پس از اتمام این مرحله باید دو سیم پیچ داشته باشید ، یک سیم پیچ با قطر 20 سانتی متر و 15 دور و یک سیم پیچ با قطر 40 سانتی متر و 20 دور. سیم پیچ ها باید محکم پیچ شوند و با نوار محکم شوند. شما باید بتوانید آنها را بردارید و به راحتی آنها را اداره کنید بدون اینکه از هم بپاشند یا از هم باز شوند.

مرحله 4: Lightbulb & Electronics را به سیم پیچ 20 سانتی متری اضافه کنید

در مرحله بعد ، شما می خواهید لامپ را به سیم پیچ کوچک وصل کنید. شما باید سه خازن 1uf (1 microfarad ، یا روش متفاوت 1 ، 000nF) و یک خازن 0.47uF (به عبارت دیگر ، 470nF) به ستون های لامپ بچسبانید. این در مجموع 3.47uF است (خازن ها به طور موازی جمع می شوند). اگر از نسخه پرقدرت استفاده می کنید ، باید یک دیود 20 ولت TVS دو طرفه را بین پایه های لامپ به عنوان محافظت در برابر اضافه ولتاژ لحیم کنید.

بعد از اینکه خازن ها را لحیم کردید ، باید انتهای سیم پیچ را تا انتهای مرکز سیم پیچ بچرخانید. سیم آنقدر محکم است که لامپ را پشتیبانی می کند. بعد از اینکه سیم را در تمام طول پیچیدید ، فقط انتهای سیم را بریده و آنها را باز بگذارید.

سپس لامپ را در مرکز سیم پیچ خورده قرار می دهید. پیچ ها را از هم جدا می کنید ، به طوری که هر سیم یک ترمینال لامپ را لمس می کند. سپس مینای سیم را با چاقو جدا کرده و سپس سیم تمیز شده را به پایه های لامپ بچسبانید. مطمئن شوید که از لحیم هسته رزین استفاده می کنید. ممکن است بخواهید رزین اضافی اضافه کنید ، که به تمیز کردن مینای دندان کمک می کند.

مرحله 5: سیم پیچ 40 سانتی متری را به قطعات الکترونیکی وصل کنید

در مرحله بعد باید سیم پیچ 40 سانتی متری را به یک خازن 1uF وصل کنید. در اینجا نسخه قدرتمند نشان داده شده است ، جایی که من خازنهای 10x 0.1uF را به موازات یکدیگر متصل کرده ام تا یک خازن 1uF ایجاد کنم (خازنها به صورت موازی جمع می شوند). خازن بین سیم پیچ و خروجی مثبت تقویت کننده قدرت قرار می گیرد. طرف دیگر سیم پیچ مستقیماً به تقویت کننده قدرت GND می رود.

مرحله 6: یک منبع موج سینوسی را به یک آمپر وصل کنید و آن را امتحان کنید

آخرین مرحله ایجاد موج سینوسی است. می توانید یک برنامه تولید کننده عملکرد را در تلفن یا لپ تاپ یا دسکتاپ خود بارگیری کنید. برای یافتن بهترین فرکانس عملیات ، می خواهید آزمایش کنید.

شما منبع سینوسی خود را به آمپر قدرت صدا وصل می کنید ، و سپس قدرت صوتی را به سیم پیچ 40 سانتی متری و خازن 1uF متصل می کنید ، و سپس همه چیز باید کار کند!

اگر از آمپ صدا با قدرت بالا (100 وات یا بیشتر) استفاده می کنید ، مراقب باشید! این می تواند ولتاژهای بسیار بالای بیش از +/- 500V ایجاد کند. من با محدوده ولتاژ بالا آزمایش کردم تا مطمئن شوم که خازن ها را منفجر نمی کنم. در صورت لمس یک سرب در معرض شوک نیز آسان است.

همچنین ، اگر از آمپ صدا با قدرت بالا استفاده می کنید ، نمی توانید سیم پیچ 20 سانتی متری را به سیم پیچ 40 سانتی متری نزدیک کنید. اگر بیش از حد نزدیک باشند ، دیود TVS یا لامپ LED به دلیل قدرت بیش از حد می سوزد.

مرحله 7: شارژر تلفن بی سیم را ایجاد کنید

به راحتی می توانید مدار را برای شارژ تلفن تغییر دهید. من یک سیم پیچ دوم 20 سانتی متری ساختم و سپس تمام مدارها را اضافه کردم. از همان خازن 3.47uF و دیود TVS استفاده می شود. پس از آن یکسو کننده پل (Comchip P/N: CDBHM240L-HF) ، و به دنبال آن تنظیم کننده خطی 5V (Fairchild LM7805CT) ، و به دنبال آن خازن تانتالوم 47uF قرار دارد. با تقویت کننده قدرت بالا ، مدار می تواند به راحتی گوشی شما را از فاصله یک و نیم پایانه شارژ کند!

مرحله 8: نتایج

ولتاژ اندازه گیری شده در برابر منحنی های فاصله متصل شده است.

اندازه گیری های طراحی و مقایسه با شبیه سازی و تئوری

کویل 40 سانتی متری

• سیم پیچ اصلی = شعاع 0.2 متر ، قطر 0.4 متر. سیم 18 سنج 20 سیم پیچ
• مقاومت نظری = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 اهم
• مقاومت واقعی = 0.609 اهم تفاوت از نظریه: +13
• اندوکتانس شبیه سازی شده = 0.435mH سلف واقعی: 0.49mH. اختلاف از شبیه سازی: +12

کویل 20 سانتی متری

• سیم پیچ دریافتی = 0.1 متر شعاع 0.2 متر قطر 18 سیم سیم سیم 15 سیم پیچ
• مقاومت نظری = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• مقاومت واقعی = 0.2490. اختلاف از شبیه سازی: +19
• اندوکتانس شبیه سازی شده = 0.105mH القاء واقعی = 0.1186mH. اختلاف از شبیه سازی: +12

مرحله 9: شبیه سازی ، بهینه سازی و بحث

چگونه ما طراحی را شبیه سازی کردیم

ما طراحی را در یک شبیه ساز دو بعدی mangetostatic و با SPICE شبیه سازی و بهینه سازی کردیم.

ما از شبیه ساز mangetostatic 2 بعدی رایگان به نام Infolytica استفاده کردیم. می توانید به صورت رایگان از اینجا بارگیری کنید:

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

ما از شبیه ساز رایگان SPICE به نام LTSPICE استفاده کردیم. می توانید آن را از اینجا بارگیری کنید:

www.linear.com/designtools/software/

فایل های طراحی برای هر دو شبیه ساز پیوست شده است.

بحث

این طراحی از انتقال قدرت مغناطیسی رزونانس استفاده می کند. آمپر قدرت صوتی یک جریان الکتریکی تولید می کند که از سیم پیچ فرستنده عبور می کند و یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ دریافت کننده دریافت می شود و به میدان الکتریکی تبدیل می شود. از لحاظ تئوری ، ما می توانیم این کار را بدون هیچ اجزایی (یعنی بدون خازن) انجام دهیم. با این حال ، بهره وری بسیار پایین است. ما در ابتدا می خواستیم یک طرح ساده تر بسازیم که فقط از سیم پیچ و هیچ قطعه دیگری استفاده می کرد ، با این حال ، بهره وری آنقدر ضعیف بود که نمی توانست LED را روشن کند. بنابراین ما به یک سیستم طنین انداز حرکت کردیم. خازنی که اضافه کردیم در یک فرکانس خاص (در این مورد حدود 8 کیلوهرتز) طنین انداز می شود. در فرکانسهای دیگر مدار بسیار ناکارآمد است ، اما در فرکانس تشدید دقیق بسیار کارآمد می شود. سلف و خازن مانند یک نوع ترانسفورماتور عمل می کنند. روی سیم پیچ فرستنده ، یک ولتاژ کوچک و یک جریان زیاد (10Vrms و 15Arms) وارد می کنیم. این منجر به تولید> 400Vrms در سراسر خازن ، اما در جریان بسیار کمتر می شود. این جادوی مدارهای طنین انداز است! مدارهای رزونانس با "ضریب Q" تعیین می شوند. در سیم پیچ فرستنده با قطر 40 سانتی متر ، ضریب Q اندازه گیری شده حدود 40 است ، بدین معنی که بسیار کارآمد است.

ما سیم پیچ را با شبیه ساز ایستا magneto 2 بعدی Infolytica شبیه سازی و بهینه سازی کردیم. آن شبیه ساز به ما یک سلف شبیه سازی شده برای هر سیم پیچ و القایی متقابل بین دو سیم پیچ را به ما داد.

مقادیر شبیه سازی مغناطیسی:

• سیم پیچ انتقال دهنده = 4.35mH
• سیم پیچ دریافتی = 0.105mH
• القایی متقابل = 9.87uH. K = 6.87e-3 (با سیم پیچ های جدا شده با 0.2 متر)

سپس این اعداد را گرفتیم و برای شبیه سازی ویژگی های الکتریکی آنها را در SPICE قرار دادیم.

می توانید فایل های شبیه سازی پیوست را بارگیری کرده و سعی کنید بهینه سازی ها و اندازه گیری های خود را انجام دهید!

همچنین نمودارهای میدانی ضمیمه شده اند که میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ ها را نشان می دهد. جالب است که با وجود اینکه ما قدرت زیادی را به کار می گیریم ، اما میدان های مطلق بسیار کوچک هستند (در محدوده milliTesla). دلیل آن این است که مزارع در سطح وسیعی گسترده شده اند. بنابراین اگر میدان مغناطیسی را در سطح وسیعی جمع کنید (یکپارچه کنید) ، قابل توجه خواهد بود. اما در هر نقطه از حجم بسیار کوچک است. به عنوان یک نکته جانبی ، به همین دلیل ترانسفورماتورها از هسته های آهن استفاده می کنند ، به طوری که میدان مغناطیسی در یک منطقه متمرکز می شود.