הספק אלחוטי לטווח גבוה: 9 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

בנה מערכת העברת חשמל אלחוטית שיכולה להניע נורה או להטעין טלפון במרחק של עד 2 מטרים! זה משתמש במערכת סלילי תהודה כדי לשלוח שדות מגנטיים מסליל משדר לסליל קולט.

השתמשנו בזה כהדגמה במהלך דרשה על ארבע המשוואות הגדולות של מקסוול בכנסייה שלנו! בדוק את זה ב:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

שלב 1: דברים שתצטרך

• חוט מגנטי 18 מד. שים לב שאינך יכול להשתמש בחוט רגיל, עליך להשתמש בחוט מגנטי (שעליו יש בידוד אמייל דק מאוד). דוגמא אחת זמינה באמזון כאן:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• נורת LED בעוצמה של 12 וואט (או פחות) 12V AC/DC. דוגמא אחת כאן:

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

• קבלים 1uF (לא אלקטרוליטי, חייבים להיות לא מקוטבים). יש לך כמה אפשרויות כאן. אם אתה בונה גרסה בהספק נמוך, תוכל לקבל קבלים של 250V 1uF מרדיו שאק או מטגנים. אם אתה רוצה לבנות גרסה בהספק גבוה, תצטרך לקבל קבלים מיוחדים של 560V מ- Digikey.
• קבלים 0.47uF (לא אלקטרוליטי, חייב להיות לא מקוטב)
• סוג של מגבר כוח. השתמשנו במגבר כוח HI-FI של 450W. אתה יכול להשתמש בכל דבר עד לרמקול מחשב. ככל שתשתמש יותר בכוח, כך תוציא יותר טווח ממנה.
• ברזל הלחמה והלחמה. מספרי תיל
• חתיכת דיקט וכמה מסמרים קטנים (משמש לסלילי סלילה)
• סרט חשמלי שחור
• סרט מדידה וסרגל
• חוט מבודד
• פטיש

• מקור שמע עם תדר ואמפליטודה משתנים המייצרים צליל סינוס של 8 קילוהרץ. קל להשתמש במחשב, מחשב נייד או טלפון עם תוכנת יצירת צלילים הזמינה באופן חופשי ולהתחבר לשקע האוזניות. השתמשתי ב- Mac עם התוכנה הזו:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… או שתוכל להשתמש בתוכנה זו עבור מחשב אישי: תוכל גם להשתמש במחולל פונקציות אם יש לך כזה (ציוד בדיקה יקר)

רשימת חלקים של קבלים NTE (לגרסת הספק נמוך). אתה יכול להשיג את החלקים האלה ב- Frys

קבלים 3 x 1uF 50V, NTE CML105M50 (לחיבור לנורה ולסליל הקטן)

1 x 0.47uF 50V קבלים, NTE CML474M50 (לחיבור לנורה וסליל קטן במקביל לכובעי 1uF)

קבל 1 x 1uF 250V, NTE MLR105K250 (לחיבור לסליל הגדול)

Order Digikey (לגרסת ההספק הגבוה)

מצורפת רשימת חלקים של Digikey שתוכל להשתמש בה לגרסה המופעלת יותר. קבלים אלה עוברים עד 560V, מה שמאפשר לך להשתמש במגבר של ~ 500W, ולהגיע לטווח של כמעט שני מטרים. הגרסה המצורפת כוללת רק את החלקים המינימליים החשובים ביותר. כל עוד אתה מבצע הזמנה של Digikey, הזמין כמה תוספות במקרה שאתה עושה טעות או מפוצץ אחת (זה נכון במיוחד לגבי דיודות ההגנה של TVS, שעישנתי כמה פעמים).

שלב 2: הכינו את סליל הסלילים

על מנת לסובב את הסלילים, אתה צריך מסגרת לסובב אותם.

על פיסת דיקט, עליך להשתמש במצפן כדי לשרטט עיגול מדויק של 20 ס"מ ועיגול מדויק של 40 ס"מ.

מסמרי פטיש מרווחים באופן שווה סביב המעגל. עבור המעגל של 20 ס"מ, השתמשתי בסביבות 12 מסמרים ובמעגל 40 ס"מ, השתמשתי בסביבות 16. בנקודה אחת במעגל, תרצה ליצור נקודת כניסה שתחזיק את החוט בזמן תחילת ההתפתלות הראשונה. במקום זה, פטיש מסמר נוסף קרוב למסמר אחד, ואז עוד כמה סנטימטרים משם.

שלב 3: סובב את סליל 40 ס"מ עם 20 סיבובים ואת סליל 20 ס"מ עם 15 סיבובים

תחילה תעשה כמה לולאות עם החוט על המסמר החיצוני כדי לעגן את החוט, ואז תתחיל את הלולאה סביב הסליל. הקפד להשאיר הרבה חוט נוסף בתחילת וסוף הסליל. השאירו 3 רגל כדי להיות בטוחים (תצטרכו את זה כדי להתחבר לאלקטרוניקה).

קשה להפתיע לעקוב אחר מספר הפיתולים. השתמש בחבר כדי לעזור לך.

הפוך את הפיתולים ממש צמודים. אם בסופו של דבר יש לך פיתולים רופפים, הסליל יהיה בלגן.

זה ממש קשה לשמור על פיתולים מסודרים (במיוחד אם אתה משתמש ב -18 חוט מד, קל יותר לטפל ב -24 חוטים אבל יש לו הרבה יותר אובדן). אז תצטרך כמה אנשים שיעזרו לך להחזיק אותו בזמן שאתה מסובב אותו.

לאחר שתסיים את הסיבובים, תרצה לסובב את חוט הכניסה וחוט היציאה כדי שהסליל יציב. לאחר מכן הדביקו את הסליל בעזרת סרט חשמלי במספר נקודות.

בסיום שלב זה אמורות להיות לך שני סלילים, סליל אחד בקוטר 20 ס"מ ו -15 סיבובים וסליל אחד בקוטר 40 ס"מ ו -20 סיבובים. יש לסובב את הסלילים היטב ולהדק בעזרת סרט. אתה אמור להיות מסוגל לאסוף אותם ולהתמודד איתם בקלות מבלי שיתפרקו או ייפסק.

שלב 4: הוסף את הנורה ואלקטרוניקה לסליל 20 ס"מ

לאחר מכן, אתה הולך לחבר את הנורה לסליל הקטן. אתה צריך להלחם שלושה קבלים 1uf (1 מיקרופראד, או אמר בצורה שונה 1, 000nF) ואחד 0.47uF (אמר בצורה אחרת, 470nF) לעמודי הנורה. זה סך של 3.47uF (קבלים מסתכמים במקביל). אם אתה עושה את גרסת ההספק הגבוה, עליך גם להלחם דיודת טלוויזיה דו כיוונית 20V בין עמודי הנורה כהגנה מפני מתח יתר.

לאחר הלחמת הקבלים, עליך לסובב את קצות חוט הסליל לאורך כל מרכז הסליל. החוט מספיק נוקשה כדי לתמוך בנורה. לאחר שסובבים את החוט לאורך הקוטר, אתה פשוט חותך את קצות החוט ומשאיר אותם פתוחים.

לאחר מכן תמקם את הנורה במרכז החוט המעוות. אתה תפרק את הפיתולים, כך שכל חוט יגע במסוף אחד של הנורה. לאחר מכן אתה מגרד את אמייל החוט בעזרת סכין ולאחר מכן מלחם את החוט המנקה אל עמודי הנורה. הקפד להשתמש הלחמה הליבה רוזין. אולי כדאי להוסיף כוסית נוספת, שתעזור לנקות את נתחי האמייל.

שלב 5: חבר את הסליל בגודל 40 ס"מ אל האלקטרוניקה

בשלב הבא תצטרך לחבר את סליל 40 ס מ לקבל 1uF. מוצגת כאן גרסת ההספק הגבוהה, שבה חיברתי קבלים 10x 0.1uF במקביל ליצירת קבל 1uF אחד (קבלים במקביל הוספה). הקבל עובר בין הסליל לפלט החיובי של מגבר ההספק. הצד השני של הסליל עובר ישירות למגבר ההספק GND.

שלב 6: חבר מקור גל סיני למגבר כוח ונסה אותו

השלב האחרון הוא יצירת גל סינוס. אתה יכול להוריד אפליקציית מחולל פונקציות בטלפון או במחשב הנייד או בשולחן העבודה שלך. תרצה להתנסות כדי למצוא את תדירות הפעולה הטובה ביותר.

אתה מחבר את מקור הסינוס שלך למגבר עוצמת השמע ואז מחבר את עוצמת השמע לסליל 40 ס מ וקבל 1uF ואז הכל אמור לעבוד!

אם אתה משתמש במגבר שמע בעל עוצמה גבוהה (100W או יותר), היזהר! הוא יכול לייצר מתח גבוה מאוד העולה על +/- 500V. בדקתי עם היקף מתח גבוה כדי להבטיח שאני לא הולך לפוצץ את הקבלים. קל גם להדהים אם אתה נוגע בעופרת חשופה.

כמו כן, אם אתה משתמש במגבר שמע בעל עוצמה גבוהה, לא תוכל לקבל את סליל 20 ס"מ קרוב מדי לסליל 40 ס"מ. אם הם קרובים מדי, דיודת ה- TVS או נורת ה- LED יישרפו עקב הספק רב מדי.

שלב 7: צור את מטען הטלפון האלחוטי

אתה יכול לשנות בקלות את המעגל כדי לטעון טלפון. בניתי סליל שני באורך 20 ס מ ואז הוספתי את כל המעגלים. נעשה שימוש באותו קבל 3.47uF ודיודת TVS. לאחר מכן מיישר גשר (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), ואחריו וסת לינארי 5V (Fairchild LM7805CT), ואחריו קבל טנטלום 47uF. עם מגבר בהספק גבוה, המעגל יכול לטעון את הטלפון שלך בקלות ממרחק של רגל וחצי!

שלב 8: התוצאות

עקומות המתח מול המרחק מצורפות.

מדידות עיצוב והשוואה לסימולציה ותאוריה

סליל 40 ס"מ

• סליל ראשי = רדיוס 0.2 מ ', קוטר 0.4 מ'. חוט 18 מד 20 פיתולים
• התנגדות תיאורטית = 20.95e-3*(2*pi*0.2*20+0.29*2) = 0.5387 אוהם
• התנגדות בפועל = 0.609 אוהם. שונות מהתיאוריה: +13%
• השראות מדומה = 0.435mH אינדוקציה בפועל: 0.49mH. שונות מהסימולציה: +12%

סליל 20 ס"מ

• קבל סליל = 0.1 מ 'רדיוס 0.2 מ' קוטר 18 חוט מד 15 פיתולים
• התנגדות תיאורטית = (2*pi*0.1*15+0.29*2)*0.0209 = 0.2091
• התנגדות בפועל = 0.2490. שונות מהסימולציה: +19%
• השראות מדומה = 0.105mH. אינדוקציה בפועל = 0.1186mH. שונות מהסימולציה: +12%

שלב 9: סימולציה, אופטימיזציה ודיון

איך הדמינו את העיצוב

הדמנו וייעלנו את העיצוב בסימולטור מנגוסטוסטטי דו-ממדי, ועם SPICE.

השתמשנו בסימולטור מנגוסטוסטטי דו-ממדי חינם שנקרא Infolytica. אתה יכול להוריד בחינם כאן:

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

השתמשנו בסימולטור SPICE החינמי שנקרא LTSPICE. אתה יכול להוריד אותו כאן:

www.linear.com/designtools/software/

מצורפים קובצי עיצוב לשני הסימולטורים.

דִיוּן

עיצוב זה משתמש בהעברת כוח מגנטוסטטית מהדהדת. מגבר עוצמת השמע מייצר זרם חשמלי הזורם דרך סליל השידור ויוצר שדה מגנטי מתנדנד. שדה מגנטי זה מתקבל על ידי סליל הקבלה והופך לשדה חשמלי. בתיאוריה, נוכל לעשות זאת ללא רכיבים (כלומר ללא קבלים). עם זאת, היעילות נמוכה במיוחד. בתחילה רצינו ליצור עיצוב פשוט יותר שהשתמש רק בסלילים וללא רכיבים אחרים, אולם יעילות החשמל הייתה כה ירודה עד שלא הצליחה להדליק את הנורית. אז עברנו למערכת תהודה. הקבל שהוספנו מהדהד בתדר אחד במיוחד (במקרה זה בערך 8 קילוהרץ). בכל שאר התדרים המעגל אינו יעיל במיוחד, אך בתדר התהודה המדויק הוא הופך ליעיל מאוד. המשרן והקבל פועלים כמו שנאי מסוגים שונים. בסליל המשדר, הכנסנו מתח קטן וזרם גבוה (10Vrms ו- 15Arms). זה מייצר בסופו של דבר> 400Vrms לרוחב הקבל, אך בזרם נמוך בהרבה. זה הקסם של מעגלים מהדהדים! מעגלים מהודדים נמדדים בכמות "גורם Q". בסליל המשדר בקוטר 40 ס"מ, גורם ה- Q הנמדד הוא בערך 40, כלומר די יעיל.

סימולנו וייעלנו את הסליל עם סימולטור סטטי מגנטו דו-ממדי של Infolytica. סימולטור זה נתן לנו השראות מדומה לכל סליל, והשראות הדדית בין שני הסלילים.

ערכים מדומים מגנטיים:

• שידור סליל = 4.35mH
• קבלת סליל = 0.105mH
• השראות הדדית = 9.87uH. K = 6.87e-3 (כאשר הסלילים מופרדים ב -0.2 מ ')

לאחר מכן לקחנו את המספרים האלה והזנו אותם ל- SPICE כדי לדמות את המאפיינים החשמליים.

אתה יכול להוריד את קבצי הסימולציה המצורפים ולנסות לבצע את האופטימיזציות והמדידות שלך!

כמו כן מצורפות חלקות שדה המציגות את השדה המגנטי המיוצר על ידי הסלילים. מעניין שלמרות שאנחנו משקיעים הרבה כוח, השדות המוחלטים די קטנים (בטווח מילי -טסלה). הסיבה לכך היא שהשדות פרושים על פני שטח גדול. אז אם אתה מוסיף (משלב) את השדה המגנטי על פני השטח הגדול, זה יהיה משמעותי. אבל בכל נקודה נתונה בנפח הוא זעיר. כהערת צד, זו הסיבה מדוע שנאים משתמשים בליבות ברזל, כך שהשדה המגנטי מתרכז באזור אחד.