Potencia inalámbrica de alto rango: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

¡Construya un sistema de transmisión de energía inalámbrica que pueda encender una bombilla o cargar un teléfono desde una distancia de hasta 2 pies! Este utiliza un sistema de bobina resonante para enviar campos magnéticos desde una bobina transmisora a una bobina receptora.

¡Usamos esto como una demostración durante un sermón sobre las Cuatro Grandes Ecuaciones de Maxwell en nuestra iglesia! Compruébalo en:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Paso 1: Cosas que necesitará

• Alambre magnético de calibre 18. Tenga en cuenta que no puede usar cable normal, debe usar cable magnético (que tiene un aislamiento de esmalte muy delgado). Un ejemplo está disponible en Amazon aquí:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Una bombilla LED regulable de 6W (o menos) AC / DC 12V. Un ejemplo está aquí:

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

• Condensadores de 1uF (no electrolíticos, deben ser no polarizados). Tienes algunas opciones aquí. Si construye una versión de baja potencia, puede obtener condensadores de 250V 1uF de Radio Shack o Frys. Si desea construir una versión de alta potencia, necesitará condensadores especiales de 560V de Digikey.
• Condensador 0.47uF (no electrolítico, debe ser no polarizado)
• Algún tipo de amplificador de potencia. Usamos un amplificador de potencia HI-FI de 450W. Podrías usar cualquier cosa, desde eso hasta un altavoz de PC. Cuanto más potencia uses, más alcance obtendrás.
• Soldar y soldar hierro. Cortadores de alambre
• Un trozo de madera contrachapada y algunos clavos pequeños (utilizados para enrollar bobinas)
• Cinta eléctrica negra
• Cinta métrica y regla
• Cable aislado
• Martillo

• Fuente de audio con frecuencia y amplitud variable que genera un tono sinusoidal de 8khz. Es fácil usar una PC, computadora portátil o teléfono con software de generación de tonos disponible gratuitamente y conectarlo a la toma de auriculares. Usé una Mac con este software:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… O puede usar este software para una PC: también puede usar un generador de funciones si tiene uno (equipo de prueba costoso)

Lista de piezas de condensadores NTE (para la versión de baja potencia). Puedes conseguir estas piezas en Frys

Condensador de 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (para acoplar a la bombilla y la bobina pequeña)

1 condensador de 0,47 uF 50 V, NTE CML474M50 (para conectar a la bombilla y la bobina pequeña en paralelo con tapas de 1 uF)

1 condensador de 1 uF 250 V, NTE MLR105K250 (para conectar a la bobina grande)

Orden de Digikey (para la versión de alta potencia)

Se adjunta una lista de piezas de Digikey que puede utilizar para la versión de mayor potencia. Estos condensadores alcanzan los 560 V, lo que le permite usar un amplificador de ~ 500 W y obtener casi dos pies de alcance. La versión adjunta solo incluye las piezas mínimas desnudas. Siempre que esté haciendo un pedido de Digikey, solicite algunos extras en caso de que cometa un error o explote uno (eso es particularmente cierto en el caso de los diodos de protección TVS, que fumé varias veces).

Paso 2: haz la bobinadora

Para enrollar las bobinas, necesita un marco para enrollarlas.

En una pieza de madera contrachapada, debe utilizar una brújula para dibujar un círculo preciso de 20 cm y un círculo preciso de 40 cm.

Clavos de martillo espaciados uniformemente alrededor del círculo. Para el círculo de 20 cm, usé alrededor de 12 clavos y para el círculo de 40 cm, usé alrededor de 16. En un punto del círculo, querrá hacer un punto de entrada que sujetará el cable mientras comienza el primer bobinado.. En ese lugar, martille otro clavo cerca de uno, luego otro a unos centímetros de distancia.

Paso 3: enrolle la bobina de 40 cm con 20 vueltas y la bobina de 20 cm con 15 vueltas

Primero hará algunos bucles con el cable en el clavo exterior para anclar el cable, luego comenzará el bucle alrededor de la bobina. Asegúrese de dejar mucho cable adicional al principio y al final de la bobina. Deje 3 pies para estar seguro (lo necesitará para conectarse a los dispositivos electrónicos).

Es sorprendentemente difícil hacer un seguimiento del número de vueltas. Usa un amigo para que te ayude.

Haga los devanados REALMENTE apretados. Si termina con bobinados sueltos, la bobina será un desastre.

Es realmente difícil mantener los devanados en orden (especialmente si usa cable de calibre 18, el calibre de 24 es más fácil de manejar pero tiene mucha más pérdida). Por lo tanto, necesitará algunas personas que lo ayuden a mantenerlo presionado mientras lo enrolla.

Después de terminar los giros, querrá torcer el cable de entrada y el cable de salida para mantener la bobina estable. Luego pegue la bobina con cinta aislante en varios puntos.

Cuando haya terminado con este paso, debe tener dos bobinas, una bobina con un diámetro de 20 cm y 15 vueltas y una bobina con un diámetro de 40 cm y 20 vueltas. Las bobinas deben enrollarse firmemente y asegurarse con cinta. Debería poder levantarlos y manipularlos fácilmente sin que se deshagan o se desenrollen.

Paso 4: agregue la bombilla y los componentes electrónicos a la bobina de 20 cm

A continuación, colocará la bombilla en la bobina pequeña. Debe soldar tres condensadores de 1uf (1 microfaradio, o dicho de otra manera 1, 000nF) y uno de 0.47uF (dicho de otro modo, 470nF) a los postes de la bombilla. Eso es un total de 3.47uF (los capacitores se suman en paralelo). Si está haciendo la versión de alta potencia, también debe soldar un diodo TVS bidireccional de 20 V entre los postes de la bombilla como protección contra sobretensiones.

Después de soldar los condensadores, debe torcer los extremos del cable de la bobina a lo largo del centro de la bobina. El cable es lo suficientemente rígido para soportar la bombilla. Después de torcer el cable a lo largo del diámetro, simplemente cortará los extremos del cable y los dejará abiertos.

Luego, colocará la bombilla en el centro del cable trenzado. Separará los giros, de modo que cada cable toque un terminal de la bombilla. Luego raspa el esmalte del cable con un cuchillo y luego suelda el cable limpio a los postes de la bombilla. Asegúrese de utilizar soldadura con núcleo de colofonia. Es posible que desee agregar colofonia adicional, que ayudará a limpiar los trozos de esmalte.

Paso 5: Conecte la bobina de 40 cm a la electrónica

A continuación, deberá conectar la bobina de 40 cm a un condensador de 1uF. Aquí se muestra la versión de alta potencia, donde he conectado 10 condensadores de 0,1 uF en paralelo para hacer un condensador de 1 uF (los condensadores en paralelo se suman). El condensador va entre la bobina y la salida positiva del amplificador de potencia. El otro lado de la bobina va directamente al GND del amplificador de potencia.

Paso 6: conecte una fuente de onda sinusoidal a un amplificador de potencia y pruébelo

El último paso es crear una onda sinusoidal. Puede descargar una aplicación de generador de funciones en su teléfono, computadora portátil o computadora de escritorio. Querrá experimentar para encontrar la mejor frecuencia de operación.

Conecta su fuente sinusoidal al amplificador de potencia de audio, y luego conecta el amplificador de potencia de audio a la bobina de 40 cm y el condensador de 1uF, ¡y entonces todo debería funcionar!

Si utiliza un amplificador de audio de alta potencia (100 W o más), ¡TENGA CUIDADO! Puede generar voltajes muy altos por encima de +/- 500V. Probé con un visor de alto voltaje para asegurarme de que no iba a hacer estallar los condensadores. También es fácil recibir una descarga eléctrica si toca un cable expuesto.

Además, si usa un amplificador de audio de alta potencia, no puede acercar demasiado la bobina de 20 cm a la bobina de 40 cm. Si están demasiado cerca, el diodo TVS o la bombilla de luz LED se quemarán debido al exceso de energía.

Paso 7: crea el cargador de teléfono inalámbrico

Puede modificar fácilmente el circuito para cargar un teléfono. Construí una segunda bobina de 20 cm y luego agregué todos los circuitos. Se utiliza el mismo condensador de 3.47uF y diodo TVS. A esto le sigue un puente rectificador (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), seguido de un regulador lineal de 5V (Fairchild LM7805CT), seguido de un condensador de tantalio de 47uF. Con un amplificador de alta potencia, el circuito puede cargar fácilmente su teléfono desde una distancia de un pie y medio.

Paso 8: los resultados

Se adjuntan las curvas de voltaje medido en función de la distancia.

Medidas de diseño y comparación con simulación y teoría

Bobina de 40cm

• Bobina principal = 0,2 m de radio, 0,4 m de diámetro. Alambre calibre 18 20 bobinados
• Resistencia teórica = 20,95e-3 * (2 * pi * 0,2 * 20 + 0,29 * 2) = 0,5387 ohmios
• Resistencia real = 0,609 ohmios. Variación de la teoría: + 13%
• Inductancia simulada = 0,435 mH Inductancia real: 0,49 mH. Varianza de la simulación: + 12%

Bobina de 20cm

• Bobina de recepción = 0,1 m de radio 0,2 m de diámetro Cable de calibre 18 15 devanados
• Resistencia teórica = (2 * pi * 0.1 * 15 + 0.29 * 2) * 0.0209 = 0.2091
• Resistencia real = 0,2490. Varianza de la simulación: + 19%
• Inductancia simulada = 0,105 mH. Inductancia real = 0,1186 mH. Varianza de la simulación: + 12%

Paso 9: simulación, optimización y discusión

Cómo simulamos el diseño

Simulamos y optimizamos el diseño en un simulador mangeostático 2-D, y con SPICE.

Usamos el simulador mangeostático 2-D gratuito llamado Infolytica. Puedes descargar gratis aquí:

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

Usamos el simulador SPICE gratuito llamado LTSPICE. Puedes descargarlo aquí:

www.linear.com/designtools/software/

Se adjuntan archivos de diseño para ambos simuladores.

Discusión

Este diseño utiliza una transmisión de potencia magnetostática resonante. El amplificador de potencia de audio produce una corriente eléctrica que fluye a través de la bobina transmisora y genera un campo magnético oscilante. Ese campo magnético es recibido por la bobina receptora y convertido en un campo eléctrico. En teoría, podríamos hacer eso sin ningún componente (es decir, sin condensadores). Sin embargo, la eficiencia es extremadamente baja. Inicialmente queríamos hacer un diseño más simple que usara solo las bobinas y ningún otro componente, sin embargo, la eficiencia energética era tan pobre que no podía encender el LED. Así que pasamos a un sistema resonante. El condensador que agregamos resuena a una frecuencia particular (en este caso, alrededor de 8 kHz). En todas las demás frecuencias, el circuito es extremadamente ineficiente, pero en la frecuencia resonante exacta se vuelve muy eficiente. El inductor y el condensador actúan como una especie de transformador. En la bobina de transmisión, colocamos un voltaje pequeño y una corriente alta (10Vrms y 15Arms). Eso termina produciendo> 400 Vrms a través del capacitor, pero a una corriente mucho más baja. ¡Esa es la magia de los circuitos resonantes! Los circuitos resonantes se cuantifican mediante el "factor Q". En la bobina del transmisor de 40 cm de diámetro, el factor Q medido es de aproximadamente 40, lo que significa que es bastante eficiente.

Simulamos y optimizamos la bobina con el simulador magnetoestático 2-D de Infolytica. Ese simulador nos dio una inductancia simulada para cada bobina y la inductancia mutua entre las dos bobinas.

Valores magnéticos simulados:

• Bobina de transmisión = 4,35 mH
• Bobina de recepción = 0.105mH
• Inductancia mutua = 9,87uH. K = 6.87e-3 (con las bobinas separadas por 0.2 m)

Luego tomamos esos números y los introducimos en SPICE para simular las características eléctricas.

Puede descargar los archivos de simulación adjuntos e intentar realizar sus optimizaciones y mediciones.

También se adjuntan gráficos de campo, que muestran el campo magnético producido por las bobinas. Es interesante que a pesar de que estamos poniendo mucha potencia, los campos absolutos son bastante pequeños (en el rango de miliTesla). Eso es porque los campos se extienden sobre una gran superficie. Entonces, si suma (integra) el campo magnético sobre el área de superficie grande, sería sustancial. Pero en cualquier punto del volumen es diminuto. Como nota al margen, esta es la razón por la que los transformadores usan núcleos de hierro, de modo que el campo magnético se concentra en un área.