Korkean kantaman langaton teho: 9 vaihetta (kuvien kanssa)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Rakenna langaton voimansiirtojärjestelmä, joka voi käyttää lamppua tai ladata puhelimen jopa 2 metrin etäisyydeltä! Tämä käyttää resonanssikelajärjestelmää lähettääkseen magneettikenttiä lähettävästä käämistä vastaanottavaan kelaan.

Käytimme tätä demona saarnan aikana Maxwellin neljästä suuresta yhtälöstä kirkossamme! Tarkista se osoitteesta:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Vaihe 1: Tarvitsemasi asiat

• 18 gaugen magneettijohto. Huomaa, että et voi käyttää tavallista lankaa, sinun on käytettävä magneettivaijeria (jossa on erittäin ohut emalieriste). Yksi esimerkki löytyy Amazonista täältä:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• 6 W (tai vähemmän) AC/DC 12 V himmennettävä LED -lamppu. Yksi esimerkki on tässä:

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

• 1uF-kondensaattorit (ei elektrolyyttejä, ei saa olla polarisoitumattomia). Tässä on joitain valintoja. Jos rakennat pienitehoisen version, saat 250 V: n 1uF -kondensaattorit Radio Shackilta tai Frysiltä. Jos haluat rakentaa suuritehoisen version, sinun on hankittava Digikeyltä erityisiä 560 V: n kondensaattoreita.
• 0.47uF kondensaattori (ei elektrolyyttejä, ei saa olla polarisoitumaton)
• Jonkinlainen vahvistin. Käytimme 450 W: n HI-FI-vahvistinta. Voit käyttää mitä tahansa siitä alaspäin PC -kaiuttimeen. Mitä enemmän käytät virtaa, sitä enemmän kantamaa saat siitä irti.
• Juotos ja rauta. Lankaleikkurit
• Pala vaneria ja pieniä nauloja (käytetään kelojen käämitykseen)
• Musta sähköteippi
• Mittanauha ja viivotin
• Eristetty lanka
• Vasara

• Äänilähde, jonka taajuus ja amplitudi vaihtelevat ja tuottavat 8 khz sinisen äänen. Kuulokeliitäntään on helppo käyttää tietokonetta, kannettavaa tietokonetta tai puhelinta, jossa on vapaasti saatavana oleva äänien luontiohjelmisto. Käytin Macia tämän ohjelmiston kanssa:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Tai voit käyttää tätä ohjelmistoa PC: lle: Voit myös käyttää toimintogeneraattoria, jos sinulla on sellainen (kallis testilaite)

NTE -kondensaattorien osaluettelo (pienitehoisille versioille). Nämä osat saat Frysistä

3 x 1uF 50V kondensaattori, NTE CML105M50 (kiinnitetään lamppuun ja pieneen kelaan)

1 x 0.47uF 50V kondensaattori, NTE CML474M50 (kiinnitetään lamppuun ja pieneen kelaan rinnakkain 1uF -korkkien kanssa)

1 x 1uF 250V kondensaattori, NTE MLR105K250 (kiinnitettäväksi isoon kelaan)

Digikey Order (suuritehoiselle versiolle)

Liitteenä on Digikey -osaluettelo, jota voit käyttää tehokkaammassa versiossa. Nämä kondensaattorit menevät jopa 560 V: n jännitteeseen, jonka avulla voit käyttää ~ 500 W: n vahvistinta ja nousta melkein kahden metrin etäisyydelle. Liitteenä oleva versio sisältää vain vähimmäisosat. Niin kauan kuin teet Digikey -tilauksen, tilaa lisävarusteita siltä varalta, että teet virheen tai räjäytät sen (tämä pätee erityisesti TVS -suojadiodeihin, joita poltin useita kertoja).

Vaihe 2: Tee kääminkelaaja

Käämien käämittämiseksi tarvitset kehyksen niiden kiertämiseksi.

Vanerikappaleessa sinun on käytettävä kompassia tarkan 20 cm: n ympyrän ja tarkan 40 cm: n ympyrän piirtämiseksi.

Vasarakynnet tasaisesti ympyrän ympäri. 20 cm: n ympyrässä käytin noin 12 naulaa ja 40 cm: n ympyrässä noin 16. Yhdessä kohdassa ympyrässä haluat tehdä syöttöpisteen, joka pitää langan ensimmäisen käämityksen alussa.. Vasaraa toinen kynsi lähelle yhtä naulaa ja sitten pari tuumaa.

Vaihe 3: Kierrä 40 cm: n kela 20 kierrosta ja 20 cm: n kela 15 kierrosta

Ensin teet muutamia silmukoita langalla ulkoisen naulan kanssa ankkuroidaksesi langan ja aloita sitten silmukka kelan ympärille. Varmista, että jätät paljon ylimääräistä lankaa kelan alkuun ja loppuun. Jätä 3 jalkaa turvalliseksi (tarvitset tämän kytkeäksesi elektroniikan).

On yllättävän vaikeaa seurata käämien määrää. Käytä ystävääsi auttamaan sinua.

Kiristä käämit todella kireälle. Jos päädyt löysiin käämiin, kela on sotku.

Käämien pitäminen järjestyksessä on todella vaikeaa (varsinkin jos käytät 18 mittajohtoa, 24 -johdininen mittari on helpompi käsitellä, mutta siinä on paljon enemmän häviötä). Joten tarvitset muutamia ihmisiä auttamaan sinua pitämään sen alhaalla, kun kelaat sitä.

Kun olet tehnyt käännökset, haluat kiertää tulo- ja lähtöjohtoa pitääksesi kelan vakaana. Teippaa sitten kela sähköteipillä useisiin kohtiin.

Kun olet tehnyt tämän vaiheen, sinulla pitäisi olla kaksi kelaa, yksi kela, jonka halkaisija on 20 cm ja 15 kierrosta, ja yksi kela, jonka halkaisija on 40 cm ja 20 kierrosta. Kelat tulee kääriä tiukasti ja kiinnittää teipillä. Sinun pitäisi pystyä noutamaan ne ja käsitellä niitä helposti ilman, että ne hajoavat tai purkautuvat.

Vaihe 4: Lisää hehkulamppu ja elektroniikka 20 cm: n kelaan

Seuraavaksi kiinnität hehkulampun pieneen kelaan. Sinun on juotettava kolme 1uf (1 mikrofarad, tai sanottu eri tavalla 1 000nF) ja yksi 0,47uF (sanottu eri tavalla, 470nF) kondensaattoria lampun pylväisiin. Se on yhteensä 3.47uF (kondensaattoreita lisätään rinnakkain). Jos käytät suuritehoista versiota, sinun on myös juotettava 20 V: n kaksisuuntainen TVS -diodi lampun pylväiden väliin suojana ylijännitteeltä.

Kun olet juottanut kondensaattorit, sinun on kierrettävä kelalangan päät kokonaan kelan keskelle. Johto on tarpeeksi jäykkä tukemaan lamppua. Kun olet kiertänyt langan kokonaan halkaisijan poikki, leikkaat vain langan päät ja jätät ne auki.

Sitten asetat lampun kierretyn langan keskelle. Irrotat kierteet niin, että jokainen johto koskettaa hehkulampun yhtä liitintä. Sitten kaavitset pois langankiilteen veitsellä ja juotat puhdistetun langan lamppupylväisiin. Varmista, että käytät kolofoniytimen juotosta. Voit halutessasi lisätä ylimääräistä kolofonia, joka auttaa puhdistamaan emalin palat.

Vaihe 5: Kiinnitä 40 cm: n kela elektroniikkaan

Seuraavaksi sinun on yhdistettävä 40 cm: n kela 1uF -kondensaattoriin. Tässä on esitetty suuritehoinen versio, jossa olen yhdistänyt 10x 0,1uF kondensaattoria rinnakkain yhden 1uF kondensaattorin valmistamiseksi (rinnakkain olevat kondensaattorit lisäävät). Kondensaattori menee kelan ja tehovahvistimen positiivisen lähdön väliin. Käämin toinen puoli menee suoraan tehovahvistimeen GND.

Vaihe 6: Liitä siniaaltolähde tehovahvistimeen ja kokeile sitä

Viimeinen vaihe on luoda siniaalto. Voit ladata toimintogeneraattorisovelluksen puhelimeesi, kannettavaasi tai työpöydällesi. Haluat kokeilla löytääksesi parhaan toimintataajuuden.

Liität sinilähteesi äänitehovahvistimeen ja liität sitten äänitehosteen 40 cm: n kelaan ja 1uF -kondensaattoriin, ja sitten kaiken pitäisi toimia!

Jos käytät suuritehoista äänivahvistinta (100 W tai enemmän), OLE VAROVAINEN! Se voi tuottaa erittäin korkeita jännitteitä, jotka ylittävät +/- 500 V. Testasin suurjännitealueella varmistaakseni, etten aio räjäyttää kondensaattoreita. On myös helppo järkyttyä, jos kosketat paljastettua johtoa.

Lisäksi jos käytät suuritehoista äänivahvistinta, et voi saada 20 cm: n kelaa liian lähelle 40 cm: n kelaa. Jos ne ovat liian lähellä, TVS -diodi tai LED -lamppu palavat liiallisen tehon vuoksi.

Vaihe 7: Luo matkapuhelinlaturi

Voit helposti muuttaa piiriä ladataksesi puhelimen. Rakensin toisen 20 cm: n kelan ja lisäsin sitten kaikki piirit. Käytetään samaa 3.47uF kondensaattoria ja TVS -diodia. Sitä seuraa sillan tasasuuntaaja (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), jota seuraa 5 V: n lineaarinen säädin (Fairchild LM7805CT) ja 47 uF: n tantaalikondensaattori. Suuritehoisella vahvistimella piiri voi ladata puhelimesi helposti puolentoista metrin etäisyydeltä!

Vaihe 8: Tulokset

Mitatut jännite -etäisyyskäyrät on liitetty.

Suunnittelun mittaukset ja vertailu simulaatioon ja teoriaan

40 cm kela

• Pääkela = säde 0,2 m, halkaisija 0,4 m. 18 mittajohto 20 käämiä
• Teoreettinen vastus = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohmia
• Todellinen vastus = 0,609 ohmia. Poikkeama teoriasta: +13%
• Simuloitu induktanssi = 0,435mH Todellinen induktanssi: 0,49mH. Simulaation vaihtelu: +12%

20 cm kela

• Vastaanottokela = 0,1 m säde 0,2 m halkaisija 18 mittauslanka 15 käämiä
• Teoreettinen vastus = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Todellinen vastus = 0,2490. Poikkeama simulaatiosta: +19%
• Simuloitu induktanssi = 0,105mH. Todellinen induktanssi = 0.1186mH. Simulaation vaihtelu: +12%

Vaihe 9: Simulointi, optimointi ja keskustelu

Kuinka simuloimme suunnittelua

Simuloin ja optimoimme suunnittelun 2-D mangetostaattisella simulaattorilla ja SPICE: lla.

Käytimme ilmaista 2-D mangetostaattista simulaattoria nimeltä Infolytica. Voit ladata ilmaiseksi täältä:

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

Käytimme ilmaista SPICE -simulaattoria nimeltä LTSPICE. Voit ladata sen täältä:

www.linear.com/designtools/software/

Molempien simulaattoreiden suunnittelutiedostot ovat liitteenä.

Keskustelu

Tämä malli käyttää resonanssista magneettista voimansiirtoa. Äänitehovahvistin tuottaa sähkövirran, joka virtaa lähetyskelan läpi ja muodostaa värähtelevän magneettikentän. Vastaanottava kela vastaanottaa magneettikentän ja muuttaa sen sähkökenttään. Teoriassa voisimme tehdä sen ilman komponentteja (eli ilman kondensaattoreita). Tehokkuus on kuitenkin erittäin alhainen. Alun perin halusimme tehdä yksinkertaisemman rakenteen, jossa käytettiin vain kelat eikä muita komponentteja, mutta energiatehokkuus oli niin huono, että se ei voinut sytyttää LEDiä. Joten siirryimme resonanssijärjestelmään. Lisäämämme kondensaattori resonoi yhdellä erityisellä taajuudella (tässä tapauksessa noin 8 kHz). Kaikilla muilla taajuuksilla piiri on erittäin tehoton, mutta tarkalla resonanssitaajuudella siitä tulee erittäin tehokas. Induktori ja kondensaattori toimivat kuin muuntaja. Laitamme lähetyskelaan pienen jännitteen ja suuren virran (10Vrms ja 15Arms). Tämä johtaa kondensaattorin yli> 400 Vrms: n tuottamiseen, mutta paljon pienemmällä virralla. Se on resonanssipiirien taikuutta! Resonanssipiirit kvantifioidaan "Q -kertoimella". Halkaisijaltaan 40 cm: n lähettimen kelassa mitattu Q -kerroin on noin 40, mikä tarkoittaa, että se on melko tehokasta.

Simuloimme ja optimoimme kelan Infolytican 2-D-staattisen magnetosimulaattorin avulla. Tämä simulaattori antoi meille simuloidun induktanssin kullekin kelalle ja keskinäisen induktanssin kahden kelan välillä.

Magneettiset simuloidut arvot:

• Lähetyskela = 4,35 mH
• Vastaanottokela = 0,105mH
• Keskinäinen induktanssi = 9.87uH. K = 6.87e-3 (kelat erotettu 0,2 m: n välein)

Sitten otimme nämä numerot ja syötimme ne SPICEen simuloimaan sähköisiä ominaisuuksia.

Voit ladata liitteenä olevat simulaatiotiedostot ja yrittää tehdä optimointeja ja mittauksia!

Liitteenä ovat myös kenttäkäyrät, jotka osoittavat kelojen tuottaman magneettikentän. On mielenkiintoista, että vaikka käytämme paljon voimaa, absoluuttiset kentät ovat melko pieniä (milliTesla -alueella). Tämä johtuu siitä, että kentät ovat hajallaan suurelle pinta -alalle. Joten jos lisäät (integroit) magneettikentän suurelle pinta -alalle, se olisi merkittävä. Mutta missä tahansa äänenvoimakkuuden kohdassa se on pieni. Sivuhuomautuksena tästä syystä muuntajat käyttävät rautasydämiä, jotta magneettikenttä keskittyy yhdelle alueelle.