طاقة لاسلكية عالية المدى: 9 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

قم ببناء نظام نقل طاقة لاسلكي يمكنه تشغيل مصباح كهربائي أو شحن هاتف من مسافة تصل إلى قدمين! يستخدم هذا نظام ملف طنين لإرسال المجالات المغناطيسية من ملف الإرسال إلى ملف الاستقبال.

استخدمنا هذا كعرض توضيحي خلال خطبة حول معادلات ماكسويل الأربع الكبرى في كنيستنا! تحقق من ذلك على:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

الخطوة 1: الأشياء التي ستحتاجها

• 18 سلك مغناطيسي قياس. لاحظ أنه لا يمكنك استخدام سلك عادي ، يجب عليك استخدام سلك مغناطيسي (يحتوي على طبقة رقيقة جدًا من المينا العازلة). مثال واحد متاح على أمازون هنا:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• لمبة إضاءة LED قابلة للتعتيم بقدرة 6 وات (أو أقل) بتيار متردد / تيار مستمر 12 فولت. أحد الأمثلة هنا:

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

• مكثفات 1 فائق التوهج (وليس كهربائيا ، يجب أن تكون غير مستقطبة). لديك بعض الخيارات هنا. إذا قمت ببناء نسخة منخفضة الطاقة ، فيمكنك الحصول على مكثفات 250 فولت 1 فائق التوهج من راديو شاك أو فرايز. إذا كنت ترغب في بناء نسخة عالية الطاقة ، فستحتاج إلى الحصول على مكثفات 560 فولت خاصة من Digikey.
• 0.47 فائق التوهج مكثف (ليس كهربائيا ، يجب أن يكون غير مستقطب)
• نوع من مضخمات الطاقة. استخدمنا أمبير قوة 450 واط HI-FI. يمكنك استخدام أي شيء بدءًا من ذلك وصولاً إلى مكبر صوت الكمبيوتر الشخصي. كلما زادت الطاقة التي تستخدمها ، زاد النطاق الذي ستخرج منه.
• جندى ولحام الحديد. قواطع للاسلاك
• قطعة من الخشب الرقائقي وبعض المسامير الصغيرة (تستخدم لف اللفائف)
• شريط كهربائي أسود
• شريط قياس ومسطرة
• سلك معزول
• شاكوش

• مصدر صوتي ذو تردد وسعة متغيرين يولدان نغمة جيبية 8 كيلو هرتز. من السهل استخدام جهاز كمبيوتر شخصي أو كمبيوتر محمول أو هاتف مزود ببرنامج توليد نغمات متاح مجانًا والاتصال بمقبس سماعة الرأس. لقد استخدمت جهاز Mac مع هذا البرنامج:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… أو يمكنك استخدام هذا البرنامج لجهاز كمبيوتر: يمكنك أيضًا استخدام مولد وظيفة إذا كان لديك واحد (قطعة باهظة الثمن من معدات الاختبار)

قائمة أجزاء NTE Capacitor (للنسخة منخفضة الطاقة). يمكنك الحصول على هذه الأجزاء من Frys

مكثف 3 × 1 فائق التوهج 50 فولت ، NTE CML105M50 (للتوصيل بالمصباح الكهربائي والملف الصغير)

1 × 0.47 فائق التوهج 50 فولت مكثف ، NTE CML474M50 (للتوصيل بالمصباح الكهربائي والملف الصغير بالتوازي مع أغطية 1 فائق التوهج)

1 × 1 فائق التوهج 250 فولت مكثف ، NTE MLR105K250 (للتوصيل بالملف الكبير)

ترتيب Digikey (للنسخة عالية الطاقة)

مرفق عبارة عن قائمة أجزاء Digikey التي يمكنك استخدامها للإصدار الأعلى طاقة. تصل هذه المكثفات إلى 560 فولت ، مما يسمح لك باستخدام مكبر للصوت بقوة 500 وات ، والحصول على ما يقرب من قدمين من النطاق. النسخة المرفقة تتضمن فقط الأجزاء الدنيا العارية. طالما أنك تقدم طلب Digikey ، اطلب بعض الإضافات في حالة ارتكاب خطأ أو تفجير واحد (وهذا ينطبق بشكل خاص على صمامات حماية TVS ، التي دخنتها عدة مرات).

الخطوة 2: اصنع ملف اللفاف

من أجل لف الملفات ، تحتاج إلى إطار لفها حولها.

على قطعة من الخشب الرقائقي ، تحتاج إلى استخدام بوصلة لرسم دائرة دقيقة 20 سم ودائرة دقيقة 40 سم.

تباعد أظافر المطرقة بالتساوي حول الدائرة. بالنسبة للدائرة التي يبلغ طولها 20 سم ، استخدمت حوالي 12 مسمارًا وللدائرة مقاس 40 سم ، استخدمت حوالي 16. في مكان واحد من الدائرة ، سترغب في إنشاء نقطة دخول ستحمل السلك أثناء بدء اللف الأول. في تلك البقعة ، اطرق مسمارًا آخر بالقرب من أحد الظفر ، ثم دق مسمارًا آخر على بعد بوصتين.

الخطوة 3: لف الملف 40 سم بـ 20 لفة والملف 20 سم بـ 15 لفة

ستقوم أولاً بعمل بضع حلقات بالسلك الموجود على الظفر الخارجي لتثبيت السلك ، ثم ابدأ الحلقة حول الملف. تأكد من ترك الكثير من الأسلاك الإضافية في بداية ونهاية الملف. اترك 3 أقدام لتكون آمنًا (ستحتاج إلى هذا لتوصيل الأجهزة الإلكترونية).

من الصعب بشكل مفاجئ تتبع عدد اللفات. استخدم صديق لمساعدتك.

اجعل اللفات ضيقة حقًا. إذا انتهى بك الأمر مع لفات فضفاضة ، فسيكون الملف في حالة من الفوضى.

من الصعب حقًا الحفاظ على اللفات بالترتيب (خاصة إذا كنت تستخدم 18 سلكًا لقياس السلك ، فمن السهل التعامل مع مقياس السلك 24 ولكن لديه الكثير من الخسارة). لذلك ستحتاج إلى عدد قليل من الأشخاص لمساعدتك في الضغط عليه أثناء لفه.

بعد الانتهاء من المنعطفات ، ستحتاج إلى لف سلك الإدخال وسلك المخرج لتثبيت الملف. ثم قم بربط الملف بشريط كهربائي في عدة نقاط.

عند الانتهاء من هذه الخطوة ، يجب أن يكون لديك ملفان ، ملف واحد بقطر 20 سم و 15 لفة وملف بقطر 40 سم و 20 لفة. يجب أن يتم لف الملفات بإحكام وتثبيتها بشريط لاصق. يجب أن تكون قادرًا على حملها والتعامل معها بسهولة دون أن تتفتت أو تفكك.

الخطوة 4: أضف المصباح والإلكترونيات إلى ملف 20 سم

بعد ذلك ، ستقوم بتوصيل المصباح الكهربائي بالملف الصغير. تحتاج إلى لحام ثلاثة مكثفات 1 فائق التوهج (1 ميكروفاراد ، أو بطريقة مختلفة 1 ، 000 ن ف) وواحد 0.47 فائق التوهج (بطريقة مختلفة ، 470 ن ف) إلى أعمدة المصباح الكهربائي. هذا إجمالي 3.47 فائق التوهج (تضاف المكثفات بالتوازي). إذا كنت تستخدم الإصدار عالي الطاقة ، فيجب عليك أيضًا لحام الصمام الثنائي TVS ثنائي الاتجاه بجهد 20 فولت بين أعمدة المصباح الكهربائي كحماية ضد الجهد الزائد.

بعد لحام المكثفات ، تحتاج إلى لف أطراف سلك الملف على طول الطريق عبر مركز الملف. السلك صلب بدرجة كافية لدعم المصباح الكهربائي. بعد لف السلك على طول القطر ، ستقطع نهايات السلك وتتركها مفتوحة.

ثم ستضع المصباح الكهربائي في وسط السلك الملتوي. ستفكك الالتواءات ، بحيث يلامس كل سلك طرفًا واحدًا من المصباح الكهربائي. ثم تقوم بكشط مينا السلك بسكين ثم لحام السلك النظيف في أعمدة المصباح الكهربائي. تأكد من استخدام لحام الصنوبري الأساسي. قد ترغب في إضافة المزيد من الصنوبري ، مما سيساعد في تنظيف أجزاء المينا.

الخطوة 5: قم بتوصيل ملف 40 سم بالإلكترونيات

بعد ذلك ، ستحتاج إلى توصيل الملف 40 سم بمكثف 1 فائق التوهج. الموضح هنا هو الإصدار عالي الطاقة ، حيث قمت بتوصيل مكثفات 10x 0.1 فائق التوهج بالتوازي لصنع مكثف 1 فائق التوهج (مكثفات متوازية تضاف). ينتقل المكثف بين الملف والمخرج الإيجابي لمضخم الطاقة. يذهب الجانب الآخر من الملف مباشرة إلى مضخم الطاقة GND.

الخطوة 6: قم بتوصيل مصدر موجة جيبية بمضخم طاقة وجربه

الخطوة الأخيرة هي إنشاء موجة جيبية. يمكنك تنزيل تطبيق منشئ الوظائف على هاتفك أو الكمبيوتر المحمول أو سطح المكتب. سترغب في التجربة للعثور على أفضل تكرار للعملية.

تقوم بتوصيل مصدر الجيب الخاص بك بمضخم صوت الطاقة ، ثم توصيل poweramp الصوت بملف 40 سم ومكثف 1 فائق التوهج ، وبعد ذلك يجب أن يعمل كل شيء!

إذا كنت تستخدم مضخم صوت عالي الطاقة (100 واط أو أكثر) ، فاحذر! يمكن أن يولد جهدًا عاليًا جدًا يزيد عن +/- 500 فولت. لقد اختبرت نطاق الجهد العالي للتأكد من أنني لن أفجر المكثفات. من السهل أيضًا أن تصاب بالصدمة إذا لمست سلكًا مكشوفًا.

أيضًا ، إذا كنت تستخدم مضخم صوت عالي الطاقة ، فلا يمكنك الحصول على ملف 20 سم قريبًا جدًا من الملف 40 سم. إذا كانت قريبة جدًا ، فسوف يحترق الصمام الثنائي TVS أو لمبة الإضاءة LED بسبب الطاقة الزائدة.

الخطوة 7: إنشاء شاحن الهاتف اللاسلكي

يمكنك بسهولة تعديل الدائرة لشحن الهاتف. لقد صنعت ملفًا ثانيًا مقاس 20 سم ثم أضفت كل الدوائر. يتم استخدام نفس المكثف 3.47 فائق التوهج والصمام الثنائي TVS. يتبع ذلك مقوم الجسر (Comchip P / N: CDBHM240L-HF) ، متبوعًا بمنظم خطي 5 فولت (Fairchild LM7805CT) ، متبوعًا بمكثف التنتالوم 47 فائق التوهج. باستخدام مضخم صوت عالي الطاقة ، يمكن للدائرة شحن هاتفك بسهولة من مسافة قدم ونصف!

الخطوة 8: النتائج

تم إرفاق منحنيات الجهد المقاس مقابل المسافة.

قياسات التصميم والمقارنة بالمحاكاة والنظرية

40 سم لفائف

• الملف الرئيسي = 0.2 متر نصف قطرها 0.4 متر. 18 سلك قياس 20 لفات
• المقاومة النظرية = 20.95e-3 * (2 * pi * 0.2 * 20 + 0.29 * 2) = 0.5387 أوم
• المقاومة الفعلية = 0.609 أوم. نسبة الاختلاف عن النظرية: + 13٪
• المحاثة المحاكاة = 0.435mH الحث الفعلي: 0.49mH. نسبة الاختلاف عن المحاكاة: + 12٪

ملف 20 سم

• ملف الاستقبال = 0.1 متر نصف قطرها 0.2 متر قطرها 18 سلك مقياس 15 لفة
• المقاومة النظرية = (2 * pi * 0.1 * 15 + 0.29 * 2) * 0.0209 = 0.2091
• المقاومة الفعلية = 0.2490. نسبة الاختلاف عن المحاكاة: + 19٪
• محاثة محاكاة = 0.105 مللي أمبير. المحاثة الفعلية = 0.1186mH. نسبة الاختلاف عن المحاكاة: + 12٪

الخطوة 9: المحاكاة والتحسين والمناقشة

كيف قمنا بمحاكاة التصميم

قمنا بمحاكاة وتحسين التصميم في جهاز محاكاة mangetostatic ثنائي الأبعاد ، ومع سبايس.

استخدمنا جهاز محاكاة mangetostatic ثنائي الأبعاد يسمى Infolytica. يمكنك التنزيل مجانًا من هنا:

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

استخدمنا محاكي سبايس المجاني المسمى LTSPICE. يمكنك تحميله من هنا:

www.linear.com/designtools/software/

تم إرفاق ملفات التصميم لكل من المحاكيات.

مناقشة

يستخدم هذا التصميم نقل الطاقة المغناطيسية بالرنين. ينتج مضخم الطاقة الصوتية تيارًا كهربائيًا يتدفق عبر ملف الإرسال ويولد مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا. يتم استقبال هذا المجال المغناطيسي بواسطة الملف المستقبِل ، ويتحول إلى مجال كهربائي. من الناحية النظرية ، يمكننا فعل ذلك بدون أي مكونات (أي بدون مكثفات). ومع ذلك ، فإن الكفاءة منخفضة للغاية. أردنا في البداية تصميمًا أبسط يستخدم الملفات فقط ولا يستخدم أي مكونات أخرى ، ومع ذلك ، كانت كفاءة الطاقة ضعيفة للغاية بحيث لا يمكن تشغيل LED. لذلك انتقلنا إلى نظام الرنين. المكثف الذي أضفناه له صدى عند تردد واحد بشكل خاص (حوالي 8 كيلو هرتز في هذه الحالة). في جميع الترددات الأخرى ، تكون الدائرة غير فعالة للغاية ، ولكن عند تردد الرنين الدقيق تصبح فعالة للغاية. يعمل المحث والمكثف كمحول من نوع ما. على ملف الإرسال ، نضع جهدًا صغيرًا وتيارًا عاليًا (10Vrms و 15Arms). ينتهي هذا بإنتاج> 400Vrms عبر المكثف ، ولكن عند تيار أقل بكثير. هذا هو سحر دوائر الرنين! يتم تحديد مقدار دارات الطنين بواسطة "عامل Q". في ملف الإرسال بقطر 40 سم ، يكون عامل Q المقاس حوالي 40 ، مما يعني أنه فعال جدًا.

قمنا بمحاكاة وتحسين الملف باستخدام جهاز محاكاة مغناطيسي ثنائي الأبعاد من Infolytica. أعطانا هذا المحاكي محاثة محاكاة لكل ملف ، والتحريض المتبادل بين الملفين.

القيم المغناطيسية المحاكاة:

• لفائف الإرسال = 4.35mH
• استقبال الملف = 0.105 مللي أمبير
• الحث المتبادل = 9.87uH. K = 6.87e-3 (مع الملفات مفصولة بمقدار 0.2 م)

ثم أخذنا هذه الأرقام وأدخلناها في سبايس لمحاكاة الخصائص الكهربائية.

يمكنك تنزيل ملفات المحاكاة المرفقة ، ومحاولة إجراء التحسينات والقياسات الخاصة بك!

كما يتم إرفاق مخططات المجال ، والتي تُظهر المجال المغناطيسي الذي تنتجه الملفات. من المثير للاهتمام أنه على الرغم من أننا نضع الكثير من الطاقة ، إلا أن الحقول المطلقة صغيرة جدًا (في نطاق الميلي تسلا). ذلك لأن الحقول منتشرة على مساحة كبيرة. لذلك إذا قمت بإضافة (دمج) المجال المغناطيسي على مساحة السطح الكبيرة ، فسيكون ذلك كبيرًا. لكن في أي نقطة معينة من الحجم يكون صغيرًا. كملاحظة جانبية ، هذا هو السبب في أن المحولات تستخدم النوى الحديدية ، بحيث يتركز المجال المغناطيسي في منطقة واحدة.