Alimentation sans fil haut de gamme : 9 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Construisez un système de transmission d'énergie sans fil qui peut alimenter une ampoule ou charger un téléphone jusqu'à 2 pieds de distance ! Celui-ci utilise un système de bobine résonante pour envoyer des champs magnétiques d'une bobine émettrice à une bobine réceptrice.

Nous l'avons utilisé comme démo lors d'un sermon sur les quatre grandes équations de Maxwell dans notre église ! Découvrez-le sur:

www.youtube.com/embed/-rgUhBGO_pY

Étape 1: choses dont vous aurez besoin

• Fil magnétique de calibre 18. Notez que vous ne pouvez pas utiliser de fil ordinaire, vous devez utiliser un fil magnétique (qui a une isolation en émail très mince dessus). Un exemple est disponible sur Amazon ici:

  www.amazon.com/gp/product/B00BJMVK02

• Une ampoule LED dimmable 6W (ou moins) AC/DC 12V. Un exemple est ici:

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

• Condensateurs 1uF (pas électrolytiques, doivent être non polarisés). Vous avez quelques choix ici. Si vous construisez une version basse consommation, vous pouvez obtenir des condensateurs 250V 1uF de Radio Shack ou Frys. Si vous souhaitez construire une version haute puissance, vous devrez vous procurer des condensateurs spéciaux 560V de Digikey.
• Condensateur 0.47uF (pas électrolytique, doit être non polarisé)
• Une sorte d'amplificateur de puissance. Nous avons utilisé un ampli de puissance HI-FI de 450W. Vous pouvez utiliser n'importe quoi, de cela à un haut-parleur pour PC. Plus vous utilisez de puissance, plus vous en tirerez d'autonomie.
• Soudure et fer à souder. Pinces coupantes
• Un morceau de contreplaqué et quelques petits clous (utilisés pour enrouler les bobines)
• Ruban électrique noir
• Ruban à mesurer et règle
• Fil isolé
• Marteau

• Source audio à fréquence et amplitude variables qui génèrent une tonalité sinusoïdale de 8 kHz. Il est facile d'utiliser un PC, un ordinateur portable ou un téléphone avec un logiciel de génération de tonalité disponible gratuitement et de se connecter à la prise casque. J'ai utilisé un Mac avec ce logiciel:

  code.google.com/p/audiotools/downloads/det… Ou vous pouvez utiliser ce logiciel pour un PC: vous pouvez également utiliser un générateur de fonctions si vous en avez un (équipement de test coûteux)

Liste des pièces des condensateurs NTE (pour la version basse consommation). Vous pouvez obtenir ces pièces chez Frys

3 condensateurs 1uF 50V, NTE CML105M50 (à fixer sur l'ampoule et la petite bobine)

1 x condensateur 0.47uF 50V, NTE CML474M50 (à fixer à l'ampoule et à la petite bobine en parallèle avec des capuchons 1uF)

1 x condensateur 1uF 250V, NTE MLR105K250 (à fixer sur la grosse bobine)

Digikey Order (pour la version haute puissance)

Vous trouverez ci-joint une liste de pièces Digikey que vous pouvez utiliser pour la version plus puissante. Ces condensateurs vont jusqu'à 560 V, ce qui vous permet d'utiliser un amplificateur d'environ 500 W et d'atteindre une portée de près de 60 cm. La version ci-jointe ne comprend que les pièces minimales. Du moment que vous passez une commande Digikey, commandez des extras au cas où vous feriez une erreur ou en exploseriez une (c'est notamment le cas des diodes de protection TVS, que j'ai fumées plusieurs fois).

Étape 2: Fabriquez l'enrouleur de bobine

Pour enrouler les bobines, vous avez besoin d'un cadre pour les enrouler.

Sur un morceau de contreplaqué, il faut à l'aide d'un compas tracer un cercle précis de 20 cm et un cercle précis de 40 cm.

Clous de marteau régulièrement espacés autour du cercle. Pour le cercle de 20 cm, j'ai utilisé environ 12 clous et pour le cercle de 40 cm, j'en ai utilisé environ 16. À un endroit du cercle, vous voudrez faire un point d'entrée qui tiendra le fil pendant que vous commencez le premier enroulement. À cet endroit, enfoncez un autre clou près d'un clou, puis un autre à quelques centimètres.

Étape 3: Enroulez la bobine de 40 cm avec 20 tours et la bobine de 20 cm avec 15 tours

Vous ferez d'abord quelques boucles avec le fil sur le clou extérieur pour ancrer le fil, puis commencerez la boucle autour de la bobine. Assurez-vous de laisser beaucoup de fil supplémentaire au début et à la fin de la bobine. Laissez 3 pieds pour être en sécurité (vous en aurez besoin pour brancher l'électronique).

Il est étonnamment difficile de garder une trace du nombre d'enroulements. Utilisez un ami pour vous aider.

Faites les enroulements VRAIMENT serrés. Si vous vous retrouvez avec des enroulements lâches, la bobine sera un gâchis.

Il est vraiment difficile de garder les enroulements en ordre (surtout si vous utilisez du fil de calibre 18, le calibre 24 est plus facile à manipuler mais a beaucoup plus de perte). Vous aurez donc besoin de quelques personnes pour vous aider à le maintenir pendant que vous l'enroulez.

Après avoir terminé les tours, vous voudrez tordre le fil d'entrée et le fil de sortie pour maintenir la bobine stable. Ensuite, scotchez la bobine avec du ruban électrique à plusieurs endroits.

Lorsque vous avez terminé cette étape, vous devriez avoir deux bobines, une bobine de 20 cm de diamètre et 15 tours et une bobine de 40 cm de diamètre et 20 tours. Les bobines doivent être enroulées fermement et fixées avec du ruban adhésif. Vous devriez pouvoir les ramasser et les manipuler facilement sans qu'ils ne se désagrègent ou ne se déroulent.

Étape 4: Ajoutez l'ampoule et l'électronique à la bobine de 20 cm

Ensuite, vous allez attacher l'ampoule à la petite bobine. Vous devez souder trois condensateurs 1uf (1 microfarad, ou autrement dit 1 000nF) et un 0.47uF (dit autrement, 470nF) aux bornes de l'ampoule. C'est un total de 3,47 uF (les condensateurs s'additionnent en parallèle). Si vous utilisez la version haute puissance, vous devez également souder une diode TVS bidirectionnelle 20V entre les bornes de l'ampoule comme protection contre les surtensions.

Après avoir soudé les condensateurs, vous devez tordre les extrémités du fil de la bobine jusqu'au centre de la bobine. Le fil est suffisamment rigide pour supporter l'ampoule. Après avoir tordu le fil sur tout le diamètre, vous allez simplement couper les extrémités du fil et les laisser ouvertes.

Ensuite, vous placerez l'ampoule au centre du fil torsadé. Vous allez séparer les torsions, de sorte que chaque fil touche une borne de l'ampoule. Ensuite, vous grattez l'émail du fil avec un couteau, puis vous soudez le fil nettoyé aux poteaux de l'ampoule. Assurez-vous d'utiliser une soudure à noyau de colophane. Vous voudrez peut-être ajouter de la colophane supplémentaire, ce qui aidera à nettoyer les morceaux d'émail.

Étape 5: Fixez la bobine de 40 cm à l'électronique

Ensuite, vous devrez connecter la bobine de 40 cm à un condensateur de 1 uF. Voici la version haute puissance, où j'ai connecté 10 condensateurs de 0,1 uF en parallèle pour créer un condensateur de 1 uF (les condensateurs en parallèle s'additionnent). Le condensateur passe entre la bobine et la sortie positive de l'amplificateur de puissance. L'autre côté de la bobine va directement à l'amplificateur de puissance GND.

Étape 6: connectez une source d'onde sinusoïdale à un ampli de puissance et essayez-le

La dernière étape consiste à créer une onde sinusoïdale. Vous pouvez télécharger une application génératrice de fonctions sur votre téléphone, votre ordinateur portable ou votre ordinateur de bureau. Vous voudrez expérimenter pour trouver la meilleure fréquence de fonctionnement.

Vous connectez votre source sinusoïdale à l'ampli de puissance audio, puis connectez l'ampli de puissance audio à la bobine de 40 cm et au condensateur 1uF, et tout devrait fonctionner !

Si vous utilisez un ampli audio haute puissance (100W ou plus), ATTENTION ! Il peut générer des tensions très élevées supérieures à +/- 500V. J'ai testé avec un oscilloscope à haute tension pour m'assurer que je n'allais pas faire exploser les condensateurs. Il est également facile d'être choqué si vous touchez un fil exposé.

De plus, si vous utilisez un ampli audio haute puissance, vous ne pouvez pas rapprocher la bobine de 20 cm trop près de la bobine de 40 cm. S'ils sont trop proches, la diode TVS ou l'ampoule LED brûlera en raison d'une puissance excessive.

Étape 7: Créer le chargeur de téléphone sans fil

Vous pouvez facilement modifier le circuit pour charger un téléphone. J'ai construit une deuxième bobine de 20 cm, puis j'ai ajouté tous les circuits. Le même condensateur de 3,47 uF et la même diode TVS sont utilisés. Ceci est suivi d'un pont redresseur (Comchip P/N: CDBHM240L-HF), suivi d'un régulateur linéaire 5V (Fairchild LM7805CT), suivi d'un condensateur au tantale 47uF. Avec un amplificateur haute puissance, le circuit peut facilement charger votre téléphone à une distance d'un pied et demi !

Étape 8: Les résultats

Les courbes de tension mesurée en fonction de la distance sont jointes.

Mesures de conception et comparaison avec la simulation et la théorie

Bobine de 40 cm

• Bobine principale = rayon de 0,2 m, diamètre de 0,4 m. Fil de calibre 18 20 enroulements
• Résistance théorique = 20,95e-3*(2*pi*0,2*20+0,29*2) = 0,5387 ohms
• Résistance réelle = 0,609 ohms. Écart par rapport à la théorie: +13%
• Inductance simulée = 0,435 mH Inductance réelle: 0,49 mH. Ecart par rapport à la simulation: +12%

Bobine de 20 cm

• Bobine de réception = 0,1 m de rayon 0,2 m de diamètre Fil de calibre 18 15 enroulements
• Résistance théorique = (2*pi*0,1*15+0,29*2)*0,0209 = 0,2091
• Résistance réelle = 0,2490. Ecart par rapport à la simulation: +19%
• Inductance simulée = 0,105 mH. Inductance réelle = 0,1186 mH. Ecart par rapport à la simulation: +12%

Étape 9: Simulation, optimisation et discussion

Comment nous avons simulé la conception

Nous avons simulé et optimisé la conception dans un simulateur mangetostatique 2D et avec SPICE.

Nous avons utilisé le simulateur mangetostatique 2D gratuit appelé Infolytica. Vous pouvez télécharger gratuitement ici:

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

Nous avons utilisé le simulateur gratuit SPICE appelé LTSPICE. Vous pouvez le télécharger ici:

www.linear.com/designtools/software/

Les fichiers de conception des deux simulateurs sont joints.

Discussion

Cette conception utilise une transmission de puissance magnétostatique résonnante. L'amplificateur de puissance audio produit un courant électrique qui traverse la bobine émettrice et génère un champ magnétique oscillant. Ce champ magnétique est reçu par la bobine réceptrice et transformé en champ électrique. En théorie, nous pourrions le faire sans aucun composant (c'est-à-dire sans condensateur). Cependant, l'efficacité est extrêmement faible. Au départ, nous voulions faire une conception plus simple qui n'utilisait que les bobines et aucun autre composant, cependant, l'efficacité énergétique était si faible qu'elle ne pouvait pas allumer la LED. Nous sommes donc passés à un système résonnant. Le condensateur que nous avons ajouté résonne à une fréquence particulière (dans ce cas environ 8 kHz). À toutes les autres fréquences, le circuit est extrêmement inefficace, mais à la fréquence de résonance exacte, il devient très efficace. L'inducteur et le condensateur agissent comme une sorte de transformateur. Sur la bobine émettrice, nous mettons une petite tension et un courant élevé (10Vrms et 15Arms). Cela finit par produire > 400 Vrms aux bornes du condensateur, mais à un courant beaucoup plus faible. C'est la magie des circuits résonants ! Les circuits résonants sont quantifiés par le "facteur Q". Dans la bobine émettrice de 40 cm de diamètre, le facteur Q mesuré est d'environ 40, ce qui signifie que c'est assez efficace.

Nous avons simulé et optimisé la bobine avec le simulateur magnétostatique 2-D d'Infolytica. Ce simulateur nous a donné une inductance simulée pour chaque bobine et l'inductance mutuelle entre les deux bobines.

Valeurs simulées magnétiques:

• Bobine de transmission = 4,35 mH
• Bobine de réception = 0,105 mH
• Inductance mutuelle = 9,87uH. K=6.87e-3 (avec les bobines séparées de 0.2m)

Nous avons ensuite pris ces chiffres et les avons introduits dans SPICE pour simuler les caractéristiques électriques.

Vous pouvez télécharger les fichiers de simulation ci-joints, et essayer de faire vos optimisations et mesures !

Des tracés de champ sont également joints, qui montrent le champ magnétique produit par les bobines. Il est intéressant de noter que même si nous mettons beaucoup de puissance, les champs absolus sont assez petits (de l'ordre du milliTesla). C'est parce que les champs sont répartis sur une grande surface. Donc, si vous additionnez (intégrez) le champ magnétique sur la grande surface, ce serait substantiel. Mais à un moment donné du volume, c'est minuscule. En passant, c'est pourquoi les transformateurs utilisent des noyaux de fer, de sorte que le champ magnétique se concentre dans une zone.