Energia sem fio de alto alcance: 9 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Construa um sistema de transmissão de energia sem fio que possa alimentar uma lâmpada ou carregar um telefone a até 60 centímetros de distância! Isso usa um sistema de bobina ressonante para enviar campos magnéticos de uma bobina transmissora para uma bobina receptora.

Usamos isso como uma demonstração durante um sermão sobre as Quatro Grandes Equações de Maxwell em nossa igreja! Confira em:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Etapa 1: Coisas que você precisa

• Fio magnético de calibre 18. Observe que você não pode usar fio normal, você tem que usar fio magnético (que tem um isolamento de esmalte muito fino). Um exemplo está disponível na Amazon aqui:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Uma lâmpada LED de 6W (ou menos) AC / DC 12V regulável. Um exemplo está aqui:

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

• Capacitores de 1uF (não eletrolíticos, devem ser não polarizados). Você tem algumas opções aqui. Se você construir uma versão de baixa potência, poderá obter capacitores de 250V 1uF da Radio Shack ou Frys. Se você deseja construir uma versão de alta potência, você precisará obter capacitores especiais de 560 V da Digikey.
• Capacitor 0,47uF (não eletrolítico, deve ser não polarizado)
• Algum tipo de amplificador de potência. Usamos um amplificador de potência HI-FI de 450W. Você poderia usar qualquer coisa, desde um alto-falante para PC. Quanto mais energia você usa, mais alcance você obterá dela.
• Solda e ferro de solda. Cortadores de arame
• Um pedaço de madeira compensada e alguns pregos pequenos (usados para enrolar bobinas)
• Fita isolante preta
• Fita métrica e régua
• Fio isolado
• Martelo

• Fonte de áudio com frequência e amplitude variáveis que geram um tom senoidal de 8 kHz. É fácil usar um PC, laptop ou telefone com software de geração de tons disponível gratuitamente e conectar ao conector de fone de ouvido. Usei um Mac com este software:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Ou você pode usar este software para um PC: Você também pode usar um gerador de função, se tiver um (equipamento de teste caro)

Lista de peças do capacitor NTE (para a versão de baixa potência). Você pode conseguir essas peças na Frys

3 x 1uF 50V capacitor, NTE CML105M50 (para anexar à lâmpada e à pequena bobina)

1 x 0,47uF capacitor 50V, NTE CML474M50 (para anexar à lâmpada e bobina pequena em paralelo com tampas de 1uF)

1 x 1uF capacitor 250V, NTE MLR105K250 (para anexar à bobina grande)

Pedido Digikey (para a versão de alta potência)

Em anexo está uma lista de peças Digikey que você pode usar para a versão mais avançada. Esses capacitores vão até 560 V, o que permite a você usar um amplificador de ~ 500 W e chegar a quase 60 centímetros de alcance. A versão anexada inclui apenas as peças mínimas. Contanto que você esteja fazendo um pedido Digikey, peça alguns extras para o caso de cometer um erro ou explodir um (isso é particularmente verdadeiro para os diodos de proteção TVS, que eu fumei várias vezes).

Etapa 2: faça o enrolador de bobina

Para enrolar as bobinas, você precisa de uma estrutura para enrolá-las.

Em um pedaço de madeira compensada, você precisa usar uma bússola para traçar um círculo preciso de 20 cm e um círculo preciso de 40 cm.

Pregos do martelo espaçados uniformemente ao redor do círculo. Para o círculo de 20 cm, usei cerca de 12 pregos e para o círculo de 40 cm, usei cerca de 16. Em um ponto do círculo, você vai querer fazer um ponto de entrada que irá segurar o fio enquanto você inicia o primeiro enrolamento. Nesse local, martele outro prego perto de um prego e depois outro a alguns centímetros de distância.

Etapa 3: enrole a bobina de 40 cm com 20 voltas e a bobina de 20 cm com 15 voltas

Primeiro, você fará algumas voltas com o fio do prego externo para ancorá-lo e, em seguida, iniciará a volta ao redor da bobina. Certifique-se de deixar muito fio extra no início e no final da bobina. Deixe um metro para ficar seguro (você precisará disso para conectar os aparelhos eletrônicos).

É surpreendentemente difícil controlar o número de enrolamentos. Use um amigo para ajudá-lo.

Faça os enrolamentos MUITO apertados. Se você acabar com enrolamentos soltos, a bobina ficará uma bagunça.

É muito difícil manter os enrolamentos em ordem (especialmente se você usar fio de 18 calibre, 24 de calibre é mais fácil de manusear, mas tem muito mais perdas). Portanto, você precisará de algumas pessoas para ajudá-lo a segurá-lo enquanto dá corda.

Depois de terminar as voltas, você vai querer torcer o fio de entrada e o fio de saída para manter a bobina estável. Em seguida, prenda a bobina com fita isolante em vários pontos.

Quando você terminar esta etapa, você deve ter duas bobinas, uma bobina com diâmetro de 20cm e 15 voltas e uma bobina com diâmetro de 40cm e 20 voltas. As bobinas devem ser enroladas com firmeza e presas com fita adesiva. Você deve ser capaz de pegá-los e manuseá-los facilmente, sem que se partam ou se desenrolem.

Etapa 4: adicione a lâmpada e os componentes eletrônicos à bobina de 20 cm

Em seguida, você vai conectar a lâmpada à pequena bobina. Você precisa soldar três capacitores de 1uf (1 microfarad, ou de forma diferente 1, 000nF) e um de 0,47uF (de forma diferente, 470nF) aos postes da lâmpada. Isso é um total de 3,47uF (os capacitores somam em paralelo). Se você estiver fazendo a versão de alta potência, você também deve soldar um diodo TVS bidirecional de 20 V entre os postes da lâmpada como proteção contra sobretensão.

Depois de soldar os capacitores, você precisa torcer as pontas do fio da bobina por todo o centro da bobina. O fio é rígido o suficiente para suportar a lâmpada. Depois de torcer o fio por todo o diâmetro, você vai apenas cortar as pontas do fio e deixá-las abertas.

Em seguida, você colocará a lâmpada no centro do fio trançado. Você separará as torções, de modo que cada fio toque um terminal da lâmpada. Em seguida, você raspa o esmalte do fio com uma faca e solda o fio limpo aos postes da lâmpada. Certifique-se de usar solda com núcleo de colofônia. Você pode adicionar colofônia extra, o que ajudará a limpar os pedaços de esmalte.

Etapa 5: prenda a bobina de 40 cm aos componentes eletrônicos

Em seguida, você precisará conectar a bobina de 40 cm a um capacitor de 1uF. Aqui está a versão de alta potência, onde conectei 10x capacitores 0,1uF em paralelo para fazer um capacitor de 1uF (capacitores em paralelo somam). O capacitor fica entre a bobina e a saída positiva do amplificador de potência. O outro lado da bobina vai diretamente para o amplificador de potência GND.

Etapa 6: Conecte uma fonte de onda senoidal a um amplificador de potência e experimente

A última etapa é criar uma onda senoidal. Você pode baixar um aplicativo gerador de funções em seu telefone, laptop ou desktop. Você vai querer experimentar para encontrar a melhor frequência de operação.

Você conecta sua fonte senoidal ao amplificador de potência de áudio e, em seguida, conecta o amplificador de potência de áudio à bobina de 40 cm e ao capacitor de 1uF, e então tudo deve funcionar!

Se você usar um amplificador de áudio de alta potência (100 W ou superior), TENHA CUIDADO! Ele pode gerar tensões muito altas acima de +/- 500V. Testei com um osciloscópio de alta tensão para garantir que não explodiria os capacitores. Também é fácil ficar chocado ao tocar em um eletrodo exposto.

Além disso, se você usar um amplificador de áudio de alta potência, você não pode colocar a bobina de 20 cm muito perto da bobina de 40 cm. Se eles estiverem muito próximos, o diodo TVS ou a lâmpada LED irão queimar devido ao excesso de energia.

Etapa 7: Crie o carregador de telefone sem fio

Você pode modificar facilmente o circuito para carregar um telefone. Eu construí uma segunda bobina de 20 cm e, em seguida, adicionei todos os circuitos. O mesmo capacitor de 3,47uF e diodo TVS é usado. Isso é seguido por um retificador de ponte (Comchip P / N: CDBHM240L-HF), seguido por um regulador linear de 5V (Fairchild LM7805CT), seguido por um capacitor de tântalo 47uF. Com um amplificador de alta potência, o circuito pode carregar facilmente seu telefone a uma distância de trinta centímetros!

Etapa 8: os resultados

As curvas de tensão medida versus distância estão anexadas.

Medições de projeto e comparação com simulação e teoria

Bobina de 40cm

• Bobina principal = raio de 0,2 m, diâmetro de 0,4 m. Fio de bitola 18 20 enrolamentos
• Resistência teórica = 20,95e-3 * (2 * pi * 0,2 * 20 + 0,29 * 2) = 0,5387 ohms
• Resistência real = 0,609 ohms. Variação da teoria: + 13%
• Indutância simulada = 0,435mH Indutância real: 0,49mH. Variação da simulação: + 12%

Bobina de 20cm

• Receber bobina = 0,1m de raio 0,2m de diâmetro 18 fio de bitola 15 enrolamentos
• Resistência teórica = (2 * pi * 0,1 * 15 + 0,29 * 2) * 0,0209 = 0,2091
• Resistência real = 0,2490. Variação da simulação: + 19%
• Indutância simulada = 0,105 mH. Indutância real = 0,1186mH. Variação da simulação: + 12%

Etapa 9: Simulação, Otimização e Discussão

Como simulamos o design

Simulamos e otimizamos o projeto em um simulador mangetostático 2-D e com SPICE.

Usamos o simulador mangetostático 2-D gratuito chamado Infolytica. Você pode baixar gratuitamente aqui:

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

Usamos o simulador SPICE gratuito chamado LTSPICE. Você pode baixá-lo aqui:

www.linear.com/designtools/software/

Arquivos de projeto para ambos os simuladores estão anexados.

Discussão

Este projeto usa transmissão de energia magnetostática ressonante. O amplificador de potência de áudio produz uma corrente elétrica que flui através da bobina de transmissão e gera um campo magnético oscilante. Esse campo magnético é recebido pela bobina receptora e transformado em um campo elétrico. Em teoria, poderíamos fazer isso sem quaisquer componentes (ou seja, sem capacitores). No entanto, a eficiência é extremamente baixa. Inicialmente, queríamos fazer um design mais simples que usasse apenas as bobinas e nenhum outro componente, no entanto, a eficiência de energia era tão baixa que não conseguia ligar o LED. Então, mudamos para um sistema ressonante. O capacitor que adicionamos ressoa em uma frequência específica (neste caso, cerca de 8kHz). Em todas as outras frequências, o circuito é extremamente ineficiente, mas na frequência de ressonância exata torna-se muito eficiente. O indutor e o capacitor agem como uma espécie de transformador. Na bobina de transmissão, colocamos uma pequena tensão e uma alta corrente (10Vrms e 15Arms). Isso acaba produzindo> 400 Vrms no capacitor, mas com uma corrente muito mais baixa. Essa é a magia dos circuitos ressonantes! Os circuitos ressonantes são quantificados pelo "fator Q". Na bobina transmissora de 40 cm de diâmetro, o fator Q medido é cerca de 40, o que significa que é bastante eficiente.

Simulamos e otimizamos a bobina com o simulador magneto estático 2-D da Infolytica. Esse simulador nos deu uma indutância simulada para cada bobina e a indutância mútua entre as duas bobinas.

Valores magnéticos simulados:

• Bobina transmissora = 4,35mH
• Bobina de recepção = 0,105mH
• Indutância mútua = 9,87uH. K = 6,87e-3 (com as bobinas separadas por 0,2m)

Em seguida, pegamos esses números e os alimentamos no SPICE para simular as características elétricas.

Você pode baixar os arquivos de simulação anexados e tentar fazer suas otimizações e medições!

Também estão anexados os gráficos de campo, que mostram o campo magnético produzido pelas bobinas. É interessante que, embora estejamos colocando muita potência, os campos absolutos são muito pequenos (na faixa de miliTesla). Isso ocorre porque os campos estão espalhados por uma grande área de superfície. Portanto, se você somar (integrar) o campo magnético sobre a grande área de superfície, ele será substancial. Mas em qualquer ponto do volume ele é minúsculo. Como observação lateral, é por isso que os transformadores usam núcleos de ferro, de forma que o campo magnético fica concentrado em uma área.