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Low-Power Wireless-Aufladung

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Low-Power Wireless-Aufladung

Hallo und herzlich willkommen zu meinem ersten anweisbaren!

Ich werde Ihnen zeigen, wie Sie Ihre eigenen Low-Power-Wireless-Lade-Schaltungen, mit denen Sie Strom durch die Luft (oder jede andere nicht-metallischen Medium) über kurze Strecken. Dieses ist für drahtlose Batterie- und Kondensatoraufladung und -spannung der sehr kleinen un-gepufferten Stromkreise (wie eine einzelne LED) verwendbar.

Bitte überprüfen Sie die letzte Seite, da es Tonnen von Referenzen und anderen Quellen, die ich gelungen, aus dem Internet und anderen instructables scheinen. Beachten Sie auch, dass ich verbrachte eine große Menge an Zeit experimentieren und forschen, um dieses Recht zu bekommen. Ich bin ein Elektroingenieur, und sogar noch dauerte es eine ganze Weile, um meinen Kopf um einige der technischen Herausforderungen zu bekommen. Als solches dies nur für erfahrene Bastler ist, leider ist es nicht einfach zu tun , obwohl ich es so einfach wie möglich zu machen versucht. Es braucht nicht viel Geschick, nur eine Menge Basteln, um es richtig zu arbeiten.

Nun gibt es keine aktuellen Patente zu einem dieser (Tesla, Colpitts, Cockcroft und Walton alle gemacht dieses Zeug yeaaaaars vor), aber ich würde es zuerst untersuchen, wenn Sie etwas mit diesem Design verkaufen wollen.

Wenn Sie die Schaltung dann einfach weiter zu Schritt 2 und ignorieren Sie die Theorie Teil :).

Schritt 1: Theorie der Operation

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Die Kurzgeschichte: Das ist eine Cockcroft-Walton - Generator einen hängen Resonanztransformator . Wenn Sie nichts dagegen haben, ein paar Minuten mit detaillierten Theorie verschwenden dann kostenlos vorankommen intrepid Leser! Fahren Sie andernfalls mit dem nächsten Schritt fort.

Die lange Geschichte, gut, es ist nicht viel länger. Nehmen Sie eine Spule, machen es Resonanz bei einer bestimmten Frequenz mit einem Kondensator, dann legen Sie sie in der Nähe einer ähnlich abgestimmten Spule und verwenden Sie das oszillierende Magnetfeld des ersten, um die zweite Resonanz. Verwenden Sie einen cleveren AC-DC-Wandler und voila, haben Sie eine Methode der drahtlosen Energieübertragung.

Nach einigen Sleuthing im Internet, ging ich über die Ausarbeitung des ersten Teils, ein Oszillator. Verschiedene Homebrew-Methoden wurden verwendet (siehe: Wireless Power Instructable), waren aber nicht sehr gut oder nur vorübergehende Lösungen. Ich benutzte den Vorschlag auf wikipedia von unter Verwendung eines Colpitts - Oszillator . Dies ist eine anständige Lösung, weil es tot ist einfach zu bauen und, am wichtigsten ist, es ist ein Strom-Oszillator und nicht ein Spannungs-Oszillator. Wie Strom durch eine Induktivität ist, was das magnetische Feld erzeugt, ist dieses, was beide Spulen treibt.

Der zweite Teil ist ziemlich einfach zu verstehen, dass die beiden Spulen. Obwohl sie nicht die gleiche physische Größe haben müssen, müssen sie mit der gleichen Frequenz Resonanz. Die Kombination von Windungen und Durchmesser bestimmt die Induktivität, und einige Kondensatoren wurden hinzugefügt, um die korrekte Oszillationsfrequenz zu erhalten. Es wird schwierig, wenn Sie in die Details erhalten (und sie bekommen sehr, sehr detailliert, so dass ich nicht die Mehrheit hier unten setzen), wie Sie den Durchmesser des Drahtes wählen müssen, um mit der Menge des Stroms gehen durch Ihre Spule zu gehen , Die den Betrag des Widerstands in der Spule bestimmen, was die Lebensfähigkeit Ihres Oszillators beeinträchtigen wird. Um es ein wenig einfach, gehen Sie mit 24AWG emaillierten Magnetdraht.

Sie erhalten nun eine etwas beliebige Frequenz für Ihre Schaltung auszuwählen. Dieses entschied ich mich, mit 80KHz zu gehen, es geschah, ein netter Mittelweg zwischen Leichtigkeit und Leistungsfähigkeit zu sein. Dann wählen Sie einen Kondensator Wert, der häufig verfügbar ist, wählte ich 150nF. Dies dauerte eine Weile, um zu wählen, weil Sie eine Induktivität, die innerhalb des Bereichs der Hand gemacht werden muss. Unter Verwendung der Gleichung:
Frequenz = 1 / (2 * pi * sqrt (Induktivität - Kapazität * / 2)) (vom Colpitts - Oszillator )
Wir verwenden die Kondensator- und Frequenzwerte, um zu versuchen, die Induktivität in und um 20uH zu 70uH zu erhalten. Air-Core-Induktivitäten um diese Werte lassen sich leicht herstellen. Ich verwendete einen Wert von 53uH, die zu berechnen:

Freq = 80k
Cap = 150 nF

Freq = 1 / (2 * pi * sqrt (ind * cap / 2))

Freq * 2 * pi * sqrt (ind * cap / 2) = 1

Ind * cap / 2 = (1 / (freq * 2 * pi)) 2

Ind = (1 / (freq * 2 * pi)) ^ 2 / (Cap / 2)

Ind = (1 / (80k * 2 * pi)) ^ 2 / (150nF / 2)

Ind = 52,77 uH

Von hier aus müssen Sie diese praktisch zu bedienen Induktor Rechner , um herauszufinden , um zu versuchen , was Durchmesser und die Anzahl der Umdrehungen benötigt werden. Ich benutzte Werte von ~ 22 Umdrehungen bei 6cm Durchmesser, mit einer beliebigen Länge um 4-5x die Drahtstärke für die sekundäre und ~ 13 Umdrehungen bei ~ 15cm Durchmesser für die primäre. Diese Werte sind nur Ihr Startpunkt. Sie müssen experimentieren, um es richtig zu machen (in den nächsten paar Schritten abgedeckt).

Beachten Sie, dass Sie die gleiche Induktivität und Kapazitanz sowohl für die Resonanzspulen verwenden, dies ist so ist es einfach zu stimmen. Gehen Sie nicht verrückt mit verschiedenen Induktivitäten und Kapazitäten oder sonst erhalten Sie es nicht zu arbeiten.

OK, der letzte Teil dieses Bildes ist der AC / DC-Wandler. Dies ist, was Form der empfangenen AC in etwas, das wir verwenden können, um einen Kondensator oder eine Batterie bei einer nutzbaren Spannung aufzuladen. Ich benutzte einen CW - Generator hier , um große Wirkung; Es erlaubte mir, die Slave-Spule abzustimmen, um genau die richtige Spannung zu erzeugen, ohne über die Ladespannung zu gehen. Ich bestimmte (durch Experimente), dass ein zweistufiger Generator genug wäre, und das wird im Allgemeinen gut sein, wenn man versucht, ~ 5V zu erzeugen. Für die Kondensatoren wählte ich willkürlich 2,2 uF Kappen und für die Dioden wählte ich eine nette Schottky - Diode - Array mit einem sehr niedrigen 0.38V Vorwärtsspannungsabfall. Die P / N ist BAS40TW-TP, aber diese sind sehr kleine Teile, so dass Sie wahrscheinlich haben, um einzelne Schottky-Dioden für diese zu bestellen. Verwenden Sie nur diejenigen mit einem niedrigen Spannungsabfall und einem niedrigen Rückwärts-Leckstrom.

OK! Genug von dieser langatmigen Theorie und Hintergrundinfo, lasst uns auf die eigentliche gute Sachen zu bekommen!

Schritt 2: Benötigte Teile und Ausrüstung

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Ich hasse es, viele Leute herunterzulassen, aber ein Oszilloskop ist hier absolut notwendig. Ohne sie sind Sie nicht in der Lage, Ihre schreckliche handgemachte Induktivität zu stimmen und die Stromkreise stimmen nicht überein. Diese Dinge sind wirklich finicky, auch wenn Sie ging mit der relativ großen Bandbreite, die meine Werte zur Verfügung gestellt.

Wenn Sie Zugang zu einem haben, dann großartig! Das, ein Lötkolben, einige Drahtschneider und Zangen sind alle Werkzeuge, die Sie benötigen.

Wie für Materialien, benötigen Sie ein paar verschiedene Teile, aber nichts zu Phantasie.
Masterspule / Oszillator:
24AWG emaillierten Magnetdraht
Prototypenbrett
2 150nF Kondensatoren
2 10K Ohm Widerstände
1 100 Ohm Widerstand
1 100nF Kondensator
Eine Reihe von 2N2222 Transistoren (ich verwendet 3, können Sie mehr oder weniger je nach Verfügbarkeit)
5V Regler und DC-Buchse zum Anschluss an den Oszillator

Slave-Spule / CW-Generator:
Mehr Draht
Ein weiteres Prototyping-Board
2 150nF Kappen
4 2.2uF Kappen
4 niedrige Schottky-Dioden mit Vorwärtsspannung (Suche digikey für diejenigen mit Vf <400mV @ 1A und Ir <1mA @ 20V)

Beachten Sie, dass technisch jeder Schottky-Diode hier arbeiten wird, also wenn Sie es nur ohne viel Effizienz bauen wollen dann fühlen Sie sich frei zu verwenden, was Sie wollen / können Sie Ihre Hände auf.

Schritt 3: Spulen und Oszillator

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Ok, also, was wir hier tun, ist der Oszillator zuerst und dann die Spule zu bauen. Mit dem Oszilloskop stimmen wir die Primärspule ab, bis sie mit der gewünschten Frequenz schwingt.

Der Oszillator ist ziemlich einfach und wurde sowohl in Simulationen als auch in einem praktischen Schaltkreis getestet. Ich habe es von der einen abgeleitet Low-Power Wireless-Aufladung


Auf wikipedia, aber Werte mussten geändert werden und mehr BJTs (Transistoren) wurden hinzugefügt, nachdem ich entdeckte, dass max aktuellen Transfer verbessert. Rough Schema und Bilder sind unten. Anmerkung, um mehr BJTs hinzuzufügen, verbinden Sie sie einfach in "parallel" mit dem im Schaltplan, Stift-zu-Stift.

Die Primärspule begann als ~ 18 Umdrehungen bei ~ 15cm Durchmesser, dann entfernte ich Drehungen auf der Grundlage der endgültigen Form / Durchmesser. Wenn man sich das Bild der Jig sieht man, wie ich leicht die Spulen zu einer bestimmten Größe. Einfach ausschneiden einige Löcher in einem Karton und verwenden Stifte in einem Winkel, um den Draht umwickeln.

In dem anderen Bild der fertigen Schaltung / Spule zwang ich die Spule in eine ungefähr rechteckige Form, so daß sich die Induktivität änderte. Einfach die Spule mit einigen zusätzlichen Drehungen herstellen und dann an den Oszillator anschließen (direkt, ohne Kabel oder andere Drähte verlöten). Legen Sie die Sonden der Sonde über die Spule und überprüfen Sie die Wellenperiode. Entfernen Sie Spulen, bis der Zeitraum entspricht, was Sie wollen (in meinem Fall war es 12.5us). Durch Entfernen von Spulen meine ich physisch entfernen eine Wendung durch Schneiden des Drahtes und erneute Löten des Endes. Überschüssiger Draht führt zu mehr Induktivität und Sie erhalten nicht den richtigen Wert.

Nachdem Sie mit der Primärspule fertig sind, tun Sie im Wesentlichen dasselbe für die Sekundärspule. Nur Entlöschung der primären und wiederholen. Jedoch, wenn Sie die Spule Sie sind willkommen, den Durchmesser und die Anzahl der Umdrehungen zu ändern. Ich benutzte meine Hand für die zweite und begann mit ~ 30 Umdrehungen, um es kleiner und einfacher in Dinge passen.

Sobald Sie fertig sind, können Sie die Spulen wickeln, obwohl dies riskant ist, da Sie die Induktivität deutlich ändern, so müssen Sie eine beträchtliche Menge an Versuch und Irrtum zu tun, um es richtig zu machen. Die Induktivität ändert sich, weil Sie die Drähte näher zusammen zwingen.

Jetzt auf den Slave-Pickup und CW-Generator!

Schritt 4: Slave Pickup und CW Generator

Low-Power Wireless-Aufladung

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Ah, fast fertig! Dieser Schritt besteht aus dem Hinzufügen von 2 Kondensatoren parallel zur Slave-Spule und die Verbindung bis zu einer Leiter von Schottky-Dioden und Kondensatoren.

Beachten Sie, dass in den Abbildungen unten, meine stark modifizierte ursprüngliche Platine betrachtet werden. Wegen der Einfachheit hier kann dies auf einige Lochrasterplatinen hergestellt werden oder sogar tot-bug Stil.

Der Schaltplan und die Bilder sagen es wirklich aus, einfach die Sekundärspule an die Kondensatoren anschließen und dann an die Diodenleiter anschließen. Die "untere" Linie der Spule wird als Masse gewählt und der obere Teil der Leiter ist der Ausgang, in meinem Fall war es ein bisschen unter 5V.

Der nächste Schritt ist einfach setzen sie alle zusammen mit einer Art von Speicherelement.

Schritt 5: Setzen Sie es zusammen (und Einschränkungen)

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Großartig, jetzt haben wir die Primärspule und den Oszillator, eine Sekundärspule und einen CW-Generator.

Natürlich ist der Zweck dieser instructable ist, dass es keine 'Aufhängen'! Wenn Sie den Oszillator einschalten und die Sekundärspule innerhalb / an / um die Primärspule haben, werden Sie feststellen, dass eine ziemlich anständige Spannung auf der Sekundärspule erzeugt wird. Obwohl in der Regel nur mehr als die Hälfte der Spannung auf der primären, nimmt die CW-Generator die Wechselspannung und bequem produziert eine saubere 5V. Idealerweise kann dies verwendet werden, um eine große Kondensator-Bank wie ich oder eine niedrige Leistung 5V Schaltung geladen. Jetzt für die Vorbehalte.

Dieses erste Wesen, das Sie nicht wirklich verwenden können für alle Hochstrom-Anwendungen, wie Motoren oder eine Reihe von LEDs. Laden ist eine andere Sache natürlich und wird perfekt ok für die Arbeit. Wenn Sie versuchen, zu viel Strom aus dieser Schaltung zu ziehen, beginnt die Spannung erheblich zu fallen. Zum Beispiel, wenn Sie eine völlig verarmte Kondensator-Bank, um es die Spannung über die sekundäre wird erheblich reduziert. Wenn Sie einen Blick auf die primäre während dieser Zeit sehen Sie auch, dass die Frequenz und Amplitude der Welle ist erheblich anders. Diese Frequenzverschiebung verhindert, dass Sie hohe Strombelastungen verwenden. Ich bin sicher, es gibt bessere Oszillatoren und andere Maßnahmen, die genommen werden können, um die Spannungsregelung zu verbessern, aber das funktioniert als ein vorläufiges Modell.

Der zweite Vorbehalt ist, dass Sie kein Metall zwischen dem primären und sekundären, insbesondere Metalle auf Eisenbasis (Stahl, rostfrei oder anders). Sogar das Anordnen des Schwingkreises im Inneren der Primärwicklung bewirkt die Leistung und erzeugt ausfallende Zonen auf der Oberseite des Bilderrahmens, die das Aufladen verhindern, wenn das Sekundärteil an bestimmten Stellen platziert wird.

Der dritte Nachteil ist, dass der Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärspule auf einem Minimum gehalten werden muss. Dies ist nicht WiTricity es nichts über eine Entfernung von 20 cm selbst antreiben kann.

Umgehen dieser Einschränkungen ist ziemlich einfach. Meine Methode war, die Schaltung zu verwenden, um eine große Kondensatorbank (3F @ 5V) aufzuladen und dann diese Bank zu benutzen, um einen Schaltregler zu versorgen (um eine konstante 5V zu halten, selbst wenn die Kondensatorspannung abfällt) und LDO, so habe ich sowohl 5V als auch 3.3 V zu arbeiten. Es dauert ungefähr eine volle Nacht, um die Kondensatoren aufzuladen, und ich kann eine beträchtliche Menge der Laufzeit mit der richtigen Energieeinsparungaufmerksamkeit zum Rest meiner Schaltung erhalten.

Als nächstes? Nun vielleicht eine größere, robustere Version zu trickle kostenlos eine Autobatterie oder eine schönere Version, um eine Handy-Batterie aufzuladen. Vielleicht einige Experimente in flat-wrapped Spulen oder andere Methoden. Fühlen Sie sich frei, auf meine Methoden zu erweitern und diese Technologie zu verbessern, und heck, nehmen Sie meine Idee und integrieren sie in einige Ihrer bestehenden Projekte. Gerade solange du versprichst, ein instructable oder etwas aus ihm heraus zu bilden, bin ich interessiert zu sehen, was Leute mit diesem tun! Stellen Sie außerdem sicher , dass meine zu respektieren Creative-Commons by-sa Lizenz;).

Glückliches Hacken,
-Devin

Schritt 6: Referenzen und Links

K, zuerst aus, Links zu Menschen, die vor mir gekommen sind!
Instructables Benutzer robotkid249: drahtlose Übertragung über kurze Strecken
Instructables Benutzer puffin_juice: Ich brauche Ihre Hilfe. IPT
Robert Coup und Monique Ryan (U von Auckland): Induktiv gekoppeltes Universal-Ladegerät

Jetzt für Links von wikipedia (alle auf oder um Dez '09 zugegriffen):
Wireless Energieübertragung
Resonanten Energieübertragung
Colpitts Oszillator
Resonanter Transformator
Cockcroft-Walton Generator
WiTricity
Punkt-zu-Punkt-Konstruktion
Schottky-Diode
Stripboard
Sekundärspule: LC - Schaltung Resonanz

Weitere Links aus dem Internet:
Inductor Rechner Colpitts Oszillator
Gemeinsame Kondensatorwerte

Drahtlose Stromverbindungen (nur fyi):
Ordentlich RGB - LED - Projekt, ähnliches Setup wie diese
Mit großen Kondensatoren und Induktivitäten kleine statt
Schnell und unsaubere Methode für hohe Leistung eine CFL Lampe verwendet wird .

Ich reserviere diesen Platz unten für jeden, der dies in einem ihrer Projekte verwendet, lass es mich wissen!

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