Low-Power Wireless Charging

6 Schritt:Schritt 1: Betriebstheorie Schritt 2: Erforderliche Teile und Geräte Schritt 3: Die Spulen und Oszillator Schritt 4: Slave Pickup und CW-Generator Schritt 5: Setzen sie alle zusammen (und Warnungen) Schritt 6: Verweise und Links

Low-Power Wireless Charging
Hallo und herzlich willkommen zu meinem ersten instructable!

Ich werde Ihnen zeigen, wie Sie Ihre eigenen Low-Power-Wireless-Ladeschaltungen, die Sie Strom durch die Luft (oder einem anderen nichtmetallischen Medium) über kurze Strecken passieren lassen machen. Dies ist für die drahtlose Batterie und Kondensator-Lade und Aktivierung von sehr kleinen ungepufferter Schaltungen (wie etwa eine einzelne LED).

Bitte stellen Sie sicher, dass Sie die letzte Seite, da es jede Menge Verweise und anderen Quellen ist mir gelungen, aus dem Internet und anderen instructables glänzen. Beachten Sie auch, dass ich verbrachte viel Zeit zu experimentieren und forschen, um diese richtig zu machen. Ich bin ein Elektroingenieur und sogar noch dauerte es eine ganze Weile, meinen Kopf um einige der technischen Herausforderungen zu erhalten. Da diese, wie für erfahrene Bastler nur, es ist leider nicht einfach zu tun, obwohl ich versuchte, es so einfach wie möglich zu machen. Es braucht nicht viel Geschick, nur viel Bastelei, um es richtig zu funktionieren.

Nun sollte es kein Strom Patente auf jeder dieser (Tesla, Colpitts, Cockcroft und Walton alle vor diesem Zeug yeaaaaars gemacht), aber ich würde in sie zuerst schauen, wenn Sie wünschen, etwas mit diesen Entwurf zu verkaufen.

Wenn Sie die Schaltung soll dann nur fahren Sie mit Schritt 2 und ignorieren den theoretischen Teil :).

Schritt 1: Betriebstheorie

  1. Low-Power Wireless Charging

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    Die Kurzgeschichte: das ist eine Cockcroft-Walton-Generator hängen von einem Resonanztransformator . Wenn Sie nichts dagegen haben, verschwenden ein paar Minuten mit detaillierten Theorie dann laden voraus unerschrockene Leser! Andernfalls fahren Sie mit dem nächsten Schritt.
    Die lange Geschichte, gut, es ist nicht viel länger. Nehmen Sie eine Spule, machen es in Resonanz mit einer bestimmten Frequenz unter Verwendung eines Kondensators, dann legen Sie sie in der Nähe einer ähnlich abgestimmte Spule und verwenden Sie das oszillierende Magnetfeld der ersten, die bewirken, dass der zweite in Resonanz. Verwenden Sie einen cleveren AC-DC-Wandler und voila, Sie haben ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung.
    Nach einiger Detektivarbeit im Internet, ging ich zu der Ausarbeitung des ersten Teils, einen Oszillator. Verschiedene homebrew Methoden angewandt wurden (siehe: Wireless Power Instructable), aber waren nicht sehr gut oder einfach nur temporäre Lösungen. Ich habe den Vorschlag auf wikipedia der Verwendung eines Colpitts-Oszillator . Dies ist eine anständige Lösung, weil es tot ist einfach zu bauen und, was am wichtigsten ist, es ist ein Strom-Oszillator und kein Spannungsoszillator. Als Strom durch eine Induktivität ist, was erzeugt das Magnetfeld, das ist, was die beiden Spulen zu fahren.
    Der zweite Teil ist ziemlich einfach zu verstehen, dass wobei die beiden Spulen. Obwohl sie nicht haben, um die gleiche physikalische Größe haben, müssen sie bei der gleichen Frequenz schwingen. Die Kombination der Zahl der Wendungen und Durchmesser zu bestimmen, die Induktivität und einige Kondensatoren wurden zugegeben, um die korrekte Oszillationsfrequenz zu erhalten. Es wird schwierig, wenn man in die Details jedoch erhalten (und sie bekommen sehr, sehr detailliert, so lasse ich mir nicht die Mehrheit hier unten), wie Sie benötigen, um den Durchmesser des Drahtes auswählen, um mit der Menge an Strom, der durch Ihre Spule gehen Dies ist der Betrag des Widerstands in der Spule, die die Lebensfähigkeit des Oszillators auswirken bestimmen. Um es etwas einfach, gehen Sie mit 24AWG enamled Magnetdraht.
    Sie erhalten nun eine etwas-was für beliebige Frequenz für Ihre Schaltung holen. Das habe ich beschlossen, mit 80 kHz zu gehen, kam es auf eine nette Mitte zwischen Leichtigkeit und Effizienz. Dann können Sie einen Kondensator Wert, der allgemein verfügbar ist holen, nahm ich 150nF. Das dauerte eine Weile, um zu wählen, weil Sie brauchen, um eine Induktivität, die in den Bereich der hand gemacht ist zu bekommen. Unter Verwendung der Gleichung:
    Frequenz = 1 / (2 * pi * sqrt (Induktivität-Kapazität * / 2)) (vom Colpitts-Oszillator )
    wir die Kondensator und Frequenzwerten, zu versuchen, die Induktivität in und um den 20uH 70uH erhalten. Luftspulen um jene Werte sind leicht zu machen. Ich habe einen Wert von 53uH, die für die Berechnung:
    freq = 80k
    cap = 150nF
    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 = 52.77uH
    Von hier aus müssen Sie diese handlichen verwenden Induktivität Taschenrechner , um zu versuchen, herauszufinden, was Durchmesser und Anzahl der Umdrehungen benötigt werden. Ich benutzte Werte ~ 22 dreht sich mit 6 cm Durchmesser, mit einer beliebigen Länge rund 4-5x die Drahtstärke für die sekundäre und ~ 13 dreht sich mit ~ 15 cm Durchmesser für die primäre. Diese Werte werden Ihr Ausgangspunkt ONLY sein. Sie haben zu experimentieren, um es richtig zu machen (in den nächsten paar Schritte überdacht).
    Beachten Sie, dass Sie verwenden die gleiche Induktivität und Kapazität sowohl für die Resonanzspulen wird, so ist es dies leicht zu stimmen. Gehen Sie nicht verrückt mit unterschiedlichen Induktivitäten und Kapazitäten, sonst werden Sie nicht erhalten, um zu arbeiten.
    OK, der letzte Teil des Bildes ist die AC-DC-Wandler. Dies ist, was die empfangene AC in etwas, die wir verwenden können, um einen Kondensator oder eine Batterie zu einem nutzbaren Spannung aufzuladen zu gestalten. Ich habe eine CW-Generator Sie hier, um große Wirkung; es mir erlaubt, tune die Slave-Spule, um genau die richtige Spannung, ohne über die Ladespannung zu erzeugen. I bestimmt (durch Experimente), dass ein zweistufiger Generator wäre genug, und das wird in der Regel in Ordnung sein, wenn sie versuchen, um ~ 5 V zu erzeugen. Für die Kondensatoren ich willkürlich gewählt 2,2 uF Kappen und für die Dioden Ich entschied mich für einen netten Schottky-Dioden Array mit einer sehr geringen 0.38V Spannungsabfall. Die P / N ist BAS40TW-TP, aber diese sind sehr kleinen Teilen so müssen Sie wahrscheinlich auf einzelne Schottky-Dioden für diesen einen zu bestellen. Verwenden Sie einfach diejenigen mit einem geringen Spannungsabfall und einen niedrigen Sperrstrom.
    OK! Genug von diesem langatmigen Theorie und Hintergrundinformationen, lassen Sie uns auf die tatsächlichen guten Sachen!

Schritt 2: Erforderliche Teile und Geräte

  1. Low-Power Wireless Charging
    Ich hasse es, eine Menge Leute im Stich gelassen, aber ein Oszilloskop ist hier absolut notwendig. Ohne sie werden Sie nicht in der Lage sein, stimmen Sie Ihre schrecklichen handgemachte Induktor und die Schaltungen werden nicht überein. Diese Dinge sind wirklich pingelig, auch wenn Sie mit dem relativ großen Bandbreite, die meine Werte bereitgestellt ging.

    Wenn Sie einen Zugang, so groß! Dass, ein Lötkolben, einige Drahtschneider und Zangen sind alle Werkzeuge, die Sie benötigen.

    Als Materialien, werden Sie ein paar verschiedene Teile benötigen, aber nichts Besonderes.
    Master Spule / Oszillator:
    24AWG emaillierten Lackdraht
    Prototyping-Board
    2 150nF Kondensatoren
    2 10K Ohm Widerstände
    1 100Ohm Widerstand
    1 100 nF Kondensator
    Ein Bündel von 2N2222 Transistoren (Ich habe 3, können Sie mehr oder weniger je nach Verfügbarkeit)
    5V-Regler und DC-Buchse, um es in den Oszillator-Stecker

    Slave Spule / CW-Generator:
    Weitere Draht
    Eine andere Prototyping-Board
    2 150nF caps
    4 2,2 uF caps
    4 niedrige Durchlassspannungsabfall-Schottky-Dioden (Suche DigiKey für diejenigen mit Vf <400mV @ 1A und Ir <1 mA @ 20 V)

    Beachten Sie, dass technisch jeder Schottky-Diode wird hier zu arbeiten, so dass, wenn Sie nur bauen es ohne viel Effizienz wollen, dann zögern Sie nicht verwenden, was auch immer Sie wollen / können Sie Ihre Hände auf.

Schritt 3: Die Spulen und Oszillator

  1. Low-Power Wireless Charging

    Low-Power Wireless Charging

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    Ok, also das, was wir hier tun, ist zuerst und dann die Spule beim Aufbau der Oszillator. Mit dem Oszilloskop, werden wir Abstimmung der Primärspule, bis er bei der gewünschten Frequenz schwingt.

    Der Oszillator ist ziemlich einfach und wurde sowohl in Simulationen und in einer praktischen Schaltung getestet. Ich leitete es von der einen Low-Power Wireless Charging


    Wikipedia jedoch Werte geändert werden musste und BJTs (Transistoren) zugegeben, nachdem ich entdeckt, dass max Stromübertragung verbessert. Grob schematisch und Bilder finden Sie unten. Beachten Sie, mehr BJTs fügen Sie einfach schließen Sie sie in "parallel" zu dem in der schematischen, Pin-to-Pin.

    Die Primärspule begann als ~ 18 Umdrehungen bei ~ 15 cm Durchmesser, dann entfernte ich abwechselnd auf der Grundlage der endgültigen Form / Durchmesser. Wenn Sie auf das Bild der Schablone schauen Sie sehen, wie ich leicht gemacht, die Spulen zu einer bestimmten Größe. Nur aus in einem Karton schneiden einige Löcher und benutzen Stifte auf einem Winkel, um den Draht herum wickeln.

    In dem anderen Bild des vollendeten Kreislauf / Spule, zwang ich die Spule in eine in etwa rechteckige Form, so dass die Induktivität verändert. Machen Sie einfach die Spule mit ein paar Extrazüge und schließen, dass bis zu dem Oszillator (direkt, ohne Kabel löten oder andere Drähte). Legen Sie die "Rahmen Sonden an der Spule und überprüfen Sie die Wellenperiode. Entfernen Spulen, bis die Periode übereinstimmt, was Sie wollen (in meinem Fall war es 12.5us). Durch Entfernen Spulen ich meine physisch entfernen Sie eine wiederum durch Schneiden des Drahtes und re-Löten der Ende. Überschüssige Draht zu mehr Induktivität führen und Sie werden nicht den richtigen Wert zu erhalten.

    Nachdem Sie mit der Primärspule fertig sind Sie im Wesentlichen für die Sekundärspule das gleiche tun. Nur ablöten der primären und wiederholen. Allerdings, wenn Sie die Spule Sie sind herzlich eingeladen, den Durchmesser und die Anzahl der Windungen zu ändern. Früher habe ich meine Hand für die zweite und begann mit ca. 30 Umdrehungen, es kleiner und leichter zu in Sachen fit zu machen.

    Nach Fertigstellung können Sie die Spulen wickeln, obwohl dies riskant, da Sie die Induktivität wesentlich ändern, so dass Sie eine beträchtliche Menge von Versuch und Irrtum zu tun, um es richtig zu machen haben. Die Induktivität ändert, weil Sie die Drähte näher zusammen zu zwingen.

    Jetzt auf die Slave-Pickup und CW-Generator!

Schritt 4: Slave Pickup und CW-Generator

  1. Low-Power Wireless Charging

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    Ah, fast fertig! Dieser Schritt besteht aus der Zugabe von 2-Kondensatoren parallel zu der Slave-Spule und den Anschluss, dass bis zu einer Leiter von Schottky-Dioden und Kondensatoren.

    Beachten Sie, dass in den folgenden Bildern sind Sie bei mir erheblich veränderten Original PCB suchen. Wegen der Einfachheit hier, kann dies auf einige Lochrasterplatinen oder sogar gemacht werden dead-bug Stil.

    Die schematische und Bilder wirklich sagen, dass es alles, schließen Sie einfach die Sekundärspule an die Kondensatoren und schließen, dass bis zu der Diode Leiter. Die 'bottom' Linie der Spule als Grund ausgewählt, und die Spitze der Rangliste ist die Ausgabe, in meinem Fall war es ein bisschen unter 5V.

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

Schritt 5: Setzen sie alle zusammen (und Warnungen)

  1. Low-Power Wireless Charging

    Low-Power Wireless Charging

    Große, jetzt haben wir die Primärspule und Oszillator, eine Sekundärspule und ein CW-Generator.

    Natürlich ist der Zweck dieser instructable ist, dass es keine "Einhaken"! Wenn Sie die Oszillatorleistung und die Sekundärspule innen / am / um die Primärspule, werden Sie feststellen, dass eine recht ordentlich Spannung an der Sekundärspule erzeugt. Obwohl in der Regel nur über die Hälfte der Spannung an der Primär nimmt der CW-Generator, Wechselspannung und bequem für einen sauberen 5V. Im Idealfall kann verwendet werden, um eine große Kondensatorbank wie ich, oder ein Low-Power-5V Schaltung berechnen. Nun zu den Vorbehalten.

    Das erste ist, dass Sie nicht wirklich nutzen diese für Hochstromanwendungen, wie zum Beispiel Antriebsmotoren oder einem Bündel von LEDs. Der Ladevorgang ist eine andere Sache natürlich und wird für das völlig in Ordnung arbeiten. Wenn Sie versuchen, zu viel Strom aus diesem Kreislauf ziehen die Spannung beginnt Fallenlassen erheblich. Zum Beispiel, wenn Sie einen vollständig verarmten Kondensatorbank mit ihm verbinden die Spannung an der Sekundär erheblich reduziert. Wenn Sie einen Blick auf die Primär während dieser Zeit werden Sie auch sehen, dass die Frequenz und Amplitude der Welle unterscheidet sich erheblich. Diese Frequenzverschiebung ist, was verhindert, dass Sie mit hohen Stromlasten. Ich bin sicher, es gibt bessere Oszillatoren und andere Maßnahmen, die ergriffen werden können, um die Spannungsregelung zu verbessern, aber das funktioniert wie ein Vorabmodell.

    Die zweite Einschränkung ist, dass Sie können nicht jedes Metall in zwischen der primären und sekundären, insbesondere auf Eisenbasis Metalle (Stahl, Edelstahl oder anderweitig). Selbst Anordnen des Schwingkreises innerhalb der primären Auswirkungen die Leistung, die Schaffung Drop-out-Zone auf der oberen Fläche des Bildrahmens, die Aufladung zu verhindern, wenn die sekundäre wird an bestimmten Stellen angeordnet.

    Der dritte Nachteil ist, dass der Abstand zwischen der Primär- und Sekundärspule ist auf einem Minimum gehalten werden. Dies ist nicht WiTricity , das es nichts nicht ausschalten können über eine Distanz von 20 cm auch.

    Umgehung dieser Einschränkungen ist recht einfach aber. Meine Methode war, um die Schaltung zu verwenden, um eine große Kondensatorbatterie aufladen (3F bei 5 V) und verwenden Sie dann, dass die Bank an die Macht einen Schaltregler (einen konstanten 5V zu halten, auch wenn die Kondensatorspannung fällt) und LDO so habe ich sowohl 5V und 3.3 V, mit zu arbeiten. Es dauert etwa eine ganze Nacht, um die Kondensatoren zu laden, und ich kann eine beträchtliche Menge an Laufzeit mit der richtigen Energiespar Aufmerksamkeit auf den Rest meiner Schaltung zu erhalten.

    Als nächstes? Nun, vielleicht eine größere, robustere Version auf Erhaltungs erheben eine Autobatterie oder eine schönere Version suchen, um ein Handy Akku aufzuladen. Vielleicht haben einige Experimente in flachen Spulen gewickelt oder andere Methoden. Fühlen Sie sich frei, um auf meine Methoden erweitern und verbessern diese tech und heck, nehmen meine Idee und integrieren sie in einige Ihrer vorhandenen Projekte. Nur so lange, wie Sie versprechen, ein instructable oder etwas daraus zu machen, ich bin interessiert zu sehen, was die Leute damit zu tun! Stellen Sie außerdem sicher, um meinen Respekt Creative-Commons BY-SA -Lizenz;).

    Happy Hacking,
    -Devin

Schritt 6: Verweise und Links

  1. K, zunächst einmal, Verbindungen zu Menschen, die vor mir gekommen sind!
    Instructables Benutzer robotkid249: drahtlose Energieübertragung über kurze Distanzen
    Instructables Benutzer puffin_juice: Ich brauche deine Hilfe. IPT
    Robert Coup und Monique Ryan (U of Auckland): Induktiv gekoppelte Universal-Ladegerät

    Jetzt Links zur Wikipedia (all abgerufen am oder um Dez '09):
    Drahtlose Energieübertragung
    Resonanzenergietransfer
    Colpitts-Oszillator
    Resonanten Transformator
    Cockcroft-Walton-Generator
    WiTricity
    Point-to-Point-Bau
    Schottky Diode
    Stripboard
    Sekundärspule: LC-Schaltung Resonanz

    Links aus dem Web:
    Inductor-Rechner
    Colpitts-Oszillator
    Gemeinsame Kondensatorwerte

    Wireless-Power-Links (nur zur Info):
    Ordentlich RGB LED Projekt ähnliches Setup wie diese
    Verwenden von großen Kondensatoren und kleine Induktivitäten statt
    Quick-and-dirty-Methode für hohe Ausgangsleistung mit einer Kompaktleuchtstofflampe.

    Ich werde diesen Raum unter für alle, die diese in einem ihrer Projekte verwendet zu buchen, lassen Sie es mich wissen!