Daya Nirkabel Jangkauan Tinggi: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Bangun sistem Transmisi Daya Nirkabel yang dapat memberi daya pada bola lampu atau mengisi daya telepon dari jarak hingga 2 kaki! Ini menggunakan sistem koil resonansi untuk mengirim medan magnet dari koil pemancar ke koil penerima.

Kami menggunakan ini sebagai demo selama khotbah tentang Empat Persamaan Besar Maxwell di gereja kami! Lihat di:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Langkah 1: Hal-hal yang Anda Butuhkan

• Kawat magnet ukuran 18. Perhatikan bahwa Anda tidak dapat menggunakan kawat biasa, Anda harus menggunakan kawat magnet (yang memiliki insulasi enamel yang sangat tipis di atasnya). Salah satu contoh tersedia di Amazon di sini:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Bola lampu LED AC/DC 12V 6W (atau kurang) yang dapat diredupkan. Salah satu contohnya ada di sini:

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

• Kapasitor 1uF (bukan elektrolit, harus non-terpolarisasi). Anda memiliki beberapa pilihan di sini. Jika Anda membangun versi daya rendah, Anda bisa mendapatkan kapasitor 250V 1uF dari Radio Shack atau Frys. Jika Anda ingin membangun versi daya tinggi, Anda perlu mendapatkan kapasitor 560V khusus dari Digikey.
• 0.47uF Kapasitor (bukan elektrolit, harus non-polarisasi)
• Beberapa jenis penguat daya. Kami menggunakan power amp HI-FI 450W. Anda dapat menggunakan apa saja mulai dari itu hingga speaker PC. Semakin banyak kekuatan yang Anda gunakan, semakin banyak jangkauan yang akan Anda dapatkan.
• Solder & Solder besi. Pemotong kawat
• Sepotong kayu lapis dan beberapa paku kecil (digunakan untuk gulungan gulungan)
• Pita listrik hitam
• Pita pengukur & penggaris
• Kawat terisolasi
• Palu

• Sumber audio dengan frekuensi dan amplitudo variabel yang menghasilkan nada sinus 8khz. Sangat mudah untuk menggunakan PC, Laptop, atau telepon dengan perangkat lunak penghasil nada yang tersedia secara bebas dan terhubung ke jack headphone. Saya menggunakan Mac dengan perangkat lunak ini:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det…Atau Anda dapat menggunakan perangkat lunak ini untuk PC:Anda juga dapat menggunakan generator fungsi jika Anda memilikinya (alat uji yang mahal)

Daftar Bagian Kapasitor NTE (untuk versi daya rendah). Anda bisa mendapatkan suku cadang ini di Frys

Kapasitor 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (untuk dipasang pada bola lampu dan koil kecil)

1 x 0.47uF 50V kapasitor, NTE CML474M50 (untuk dipasang pada bola lampu & koil kecil secara paralel dengan tutup 1uF)

1 x 1uF 250V kapasitor, NTE MLR105K250 (untuk dipasang pada koil besar)

Digikey Order (untuk versi daya tinggi)

Terlampir adalah Daftar Bagian Digikey yang dapat Anda gunakan untuk versi bertenaga lebih tinggi. Kapasitor ini naik hingga 560V, yang memungkinkan Anda menggunakan amplifier ~500W, dan mendapatkan jangkauan hampir dua kaki. Versi terlampir hanya mencakup bagian minimal. Selama Anda membuat pesanan Digikey, pesan beberapa tambahan jika Anda membuat kesalahan atau meledakkannya (itu terutama berlaku untuk dioda pelindung TVS, yang saya hisap beberapa kali).

Langkah 2: Buat Penggulung Kumparan

Untuk melilitkan gulungan, Anda memerlukan bingkai untuk melilitkannya.

Pada sepotong kayu lapis, Anda perlu menggunakan kompas untuk menggambar lingkaran 20 cm yang tepat dan lingkaran 40 cm yang tepat.

Paku palu ditempatkan secara merata di sekitar lingkaran. Untuk lingkaran 20 cm, saya menggunakan sekitar 12 paku dan untuk lingkaran 40 cm, saya menggunakan sekitar 16. Di satu titik di lingkaran, Anda ingin membuat titik masuk yang akan menahan kawat saat Anda memulai lilitan pertama.. Di tempat itu, palu paku lain di dekat satu paku, lalu paku lain beberapa inci jauhnya.

Langkah 3: Gulung Kumparan 40cm Dengan 20 Putaran dan Gulungan 20cm Dengan 15 Putaran

Pertama-tama Anda akan membuat beberapa lilitan dengan kawat di paku luar untuk menambatkan kawat, lalu mulai lilitan di sekitar lilitan. Pastikan Anda meninggalkan banyak kabel ekstra di awal dan akhir koil. Biarkan 3 kaki agar aman (Anda akan membutuhkan ini untuk menghubungkan ke elektronik).

Sangat sulit untuk melacak jumlah gulungan. Gunakan teman untuk membantu Anda.

Buat gulungan BENAR-BENAR kencang. Jika Anda berakhir dengan gulungan yang longgar, koil akan berantakan.

Sangat sulit untuk menjaga gulungan tetap teratur (terutama jika Anda menggunakan 18 kawat pengukur, 24 kawat pengukur lebih mudah ditangani tetapi memiliki lebih banyak kerugian). Jadi, Anda memerlukan beberapa orang untuk membantu Anda menahannya saat Anda memutarnya.

Setelah Anda menyelesaikan belokan, Anda harus memutar kabel masuk & kabel keluar untuk menahan koil dengan stabil. Kemudian rekatkan kumparan dengan pita listrik di beberapa titik.

Setelah selesai dengan langkah ini Anda harus memiliki dua gulungan, satu gulungan dengan diameter 20cm dan 15 putaran dan satu gulungan dengan diameter 40cm dan 20 putaran. Gulungan harus dililit dengan erat, dan diamankan dengan selotip. Anda harus dapat mengambil dan menanganinya dengan mudah tanpa terlepas atau terlepas.

Langkah 4: Tambahkan Bola Lampu & Elektronik ke Coil 20cm

Selanjutnya, Anda akan memasang bola lampu ke kumparan kecil. Anda perlu menyolder tiga kapasitor 1uf (1 mikrofarad, atau dikatakan berbeda 1.000nF) dan satu kapasitor 0,47uF (dikatakan dengan cara berbeda, 470nF) ke tiang lampu. Itu total 3,47uF (kapasitor bertambah secara paralel). Jika Anda melakukan versi daya tinggi, Anda juga harus menyolder dioda TVS dua arah 20V di antara tiang bola lampu sebagai perlindungan terhadap tegangan berlebih.

Setelah Anda menyolder kapasitor, Anda perlu memuntir ujung-ujung kabel koil ke seluruh bagian tengah koil. Kawat cukup kaku untuk menopang bola lampu. Setelah Anda memutar kawat sepanjang diameter, Anda hanya akan memotong ujung kawat dan membiarkannya terbuka.

Kemudian Anda akan menempatkan bola lampu di tengah kabel yang dipilin. Anda akan memisahkan lilitannya, sehingga setiap kawat menyentuh salah satu terminal bola lampu. Kemudian Anda mengikis enamel kawat dengan pisau dan kemudian menyolder kawat yang sudah dibersihkan ke tiang lampu. Pastikan Anda menggunakan solder inti rosin. Anda mungkin ingin menambahkan damar ekstra, yang akan membantu membersihkan sisa-sisa email.

Langkah 5: Pasang Coil 40cm ke Elektronik

Selanjutnya Anda harus menghubungkan koil 40cm ke kapasitor 1uF. Ditampilkan di sini adalah versi daya tinggi, di mana saya telah menghubungkan kapasitor 10x 0,1uF secara paralel untuk membuat satu kapasitor 1uF (kapasitor secara paralel ditambahkan). Kapasitor berjalan di antara koil dan output positif penguat daya. Sisi lain dari kumparan langsung menuju ke power amplifier GND.

Langkah 6: Hubungkan Sumber Gelombang Sinus ke Power Amp dan Cobalah

Langkah terakhir adalah membuat gelombang sinus. Anda dapat mengunduh aplikasi generator fungsi di ponsel atau laptop atau desktop Anda. Anda akan ingin bereksperimen untuk menemukan frekuensi operasi terbaik.

Anda menghubungkan sumber sinus Anda ke audio power amp, dan kemudian menghubungkan audio poweramp ke koil 40cm dan kapasitor 1uF, dan kemudian semuanya akan bekerja!

Jika Anda menggunakan ampli audio berdaya tinggi (100W atau lebih besar), HATI-HATI! Ini dapat menghasilkan tegangan yang sangat tinggi melebihi +/-500V. Saya menguji dengan lingkup tegangan tinggi untuk memastikan saya tidak akan meledakkan kapasitor. Juga mudah terkejut jika Anda menyentuh timah yang terbuka.

Juga, jika Anda menggunakan ampli audio berdaya tinggi, Anda tidak bisa membuat koil 20cm terlalu dekat dengan koil 40cm. Jika terlalu dekat, dioda TVS atau bola lampu LED akan terbakar karena daya yang berlebihan.

Langkah 7: Buat Pengisi Daya Telepon Nirkabel

Anda dapat dengan mudah memodifikasi sirkuit untuk mengisi daya telepon. Saya membuat koil 20cm kedua dan kemudian menambahkan semua sirkuit. Kapasitor 3.47uF dan dioda TVS yang sama digunakan. Itu diikuti oleh penyearah jembatan (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), diikuti oleh regulator linier 5V (Fairchild LM7805CT), diikuti oleh kapasitor tantalum 47uF. Dengan penguat daya tinggi, sirkuit dapat dengan mudah mengisi daya ponsel Anda dari jarak satu setengah kaki!

Langkah 8: Hasil

Kurva tegangan versus jarak yang diukur dilampirkan.

Pengukuran Desain, dan perbandingan dengan simulasi & teori

kumparan 40cm

• Kumparan utama = radius 0,2m, diameter 0,4m. 18 kawat pengukur 20 gulungan
• Resistansi teoritis = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 ohm
• Resistansi sebenarnya = 0,609 ohm. Varians dari teori: +13%
• Induktansi Simulasi = 0,435mH Induktansi Aktual: 0,49mH. Varians dari simulasi: +12%

kumparan 20cm

• Kumparan penerima = radius 0,1m diameter 0,2m 18 kawat pengukur 15 belitan
• Resistansi teoritis = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• Resistansi Sebenarnya = 0,2490. Varians dari simulasi: +19%
• Simulasi Induktansi = 0.105mH. Induktansi Aktual = 0.1186mH. Varians dari simulasi: +12%

Langkah 9: Simulasi, Optimasi & Diskusi

Bagaimana kami mensimulasikan desain

Kami mensimulasikan dan mengoptimalkan desain dalam simulator mangetostatik 2-D, dan dengan SPICE.

Kami menggunakan simulator mangetostatik 2D gratis yang disebut Infolytica. Anda dapat mengunduh secara gratis di sini:

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

Kami menggunakan simulator SPICE gratis yang disebut LTSPICE. Anda dapat mengunduhnya di sini:

www.linear.com/designtools/software/

File desain untuk kedua simulator terlampir.

Diskusi

Desain ini menggunakan transmisi daya magnetostatik resonansi. Audio power amp menghasilkan arus listrik yang mengalir melalui koil transmisi dan menghasilkan medan magnet berosilasi. Medan magnet itu diterima oleh kumparan penerima, dan diubah menjadi medan listrik. Secara teori, kita bisa melakukannya tanpa komponen apa pun (yaitu tanpa kapasitor). Namun, efisiensinya sangat rendah. Awalnya kami ingin membuat desain yang lebih sederhana yang hanya menggunakan kumparan dan tanpa komponen lain, namun, efisiensi dayanya sangat buruk sehingga tidak dapat menyalakan LED. Jadi kami pindah ke sistem resonansi. Kapasitor yang kami tambahkan beresonansi pada satu frekuensi tertentu (dalam hal ini sekitar 8kHz). Pada semua frekuensi lain, rangkaian ini sangat tidak efisien, tetapi pada frekuensi resonansi yang tepat, rangkaian menjadi sangat efisien. Induktor dan kapasitor bertindak seperti semacam transformator. Pada koil transmisi, kami memasukkan tegangan kecil dan arus tinggi (10Vrms dan 15Arms). Itu akhirnya menghasilkan> 400Vrms melintasi kapasitor, tetapi pada arus yang jauh lebih rendah. Itulah keajaiban sirkuit resonansi! Sirkuit resonansi dikuantifikasi oleh "faktor Q". Dalam koil pemancar berdiameter 40cm, faktor Q yang diukur adalah sekitar 40, artinya cukup efisien.

Kami mensimulasikan & mengoptimalkan koil dengan simulator statis magneto 2-D Infolytica. Simulator itu memberi kami induktansi simulasi untuk setiap kumparan, dan induktansi timbal balik antara dua kumparan.

Nilai Simulasi Magnetik:

• Koil Pemancar = 4.35mH
• Menerima Coil = 0.105mH
• Induktansi Reksa = 9.87uH. K=6.87e-3 (dengan kumparan dipisahkan oleh 0.2m)

Kami kemudian mengambil angka-angka itu dan memasukkannya ke dalam SPICE untuk mensimulasikan karakteristik listrik.

Anda dapat mengunduh file simulasi terlampir, dan mencoba melakukan pengoptimalan dan pengukuran Anda!

Juga terlampir adalah plot medan, yang menunjukkan medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan. Sangat menarik bahwa meskipun kami menggunakan banyak daya, bidang absolutnya cukup kecil (dalam kisaran milliTesla). Itu karena ladang tersebar di area permukaan yang luas. Jadi jika Anda menjumlahkan (mengintegrasikan) medan magnet di atas luas permukaan yang besar, itu akan menjadi substansial. Tetapi pada titik tertentu dalam volume itu kecil. Sebagai catatan, inilah mengapa transformator menggunakan inti besi, sehingga medan magnet terkonsentrasi di satu area.