Ασύρματη μεταφορά ισχύος με MOSFET

Το τρανζίστορ πεδίου δράσης μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού κατασκευάζεται με οξείδωση ελεγχόμενη από πυρίτιο πιο συχνά. Επί του παρόντος, αυτός είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος τρανζίστορ επειδή η κύρια λειτουργία αυτού του τρανζίστορ είναι να ελέγχει την αγωγιμότητα, διαφορετικά το πόσο ρεύμα μπορεί να τροφοδοτήσει μεταξύ των ακροδεκτών πηγής και αποστράγγισης MOSFET εξαρτάται από το άθροισμα της εφαρμοζόμενης τάσης στον ακροδέκτη πύλης του. Η τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη της πύλης παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο για τον έλεγχο της αγωγιμότητας της συσκευής. Τα MOSFET χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφορετικών κυκλωμάτων εφαρμογής όπως μετατροπείς DC-DC, έλεγχος κινητήρα, Μετατροπείς , Ασύρματη μεταφορά ισχύος , κ.λπ. Αυτό το άρθρο περιγράφει πώς να σχεδιάσετε ένα κύκλωμα ασύρματης μεταφοράς ισχύος χρησιμοποιώντας υψηλής απόδοσης MOSFET .

Ασύρματη μεταφορά ισχύος με MOSFET

Η κύρια ιδέα αυτού είναι ο σχεδιασμός ενός συστήματος WPT (ασύρματη μεταφορά ισχύος) με MOSFET και συντονισμένη επαγωγική σύζευξη για τον έλεγχο της μετάδοσης ισχύος μεταξύ ενός πηνίου Tx & Rx. Αυτό μπορεί να γίνει με φόρτιση πηνίου συντονισμού από εναλλασσόμενο ρεύμα, μετά τη μετάδοση της επακόλουθης παροχής στο ωμικό φορτίο. Αυτό το κύκλωμα είναι χρήσιμο για τη φόρτιση μιας συσκευής χαμηλής κατανάλωσης πολύ γρήγορα και ισχυρά μέσω επαγωγικής σύζευξης ασύρματα.

Η ασύρματη μετάδοση ισχύος μπορεί να οριστεί ως: η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας από την πηγή ισχύος σε ένα ηλεκτρικό φορτίο για μια απόσταση χωρίς καλώδια ή αγώγιμο καλώδιο είναι γνωστή ως WPT (ασύρματη μετάδοση ισχύος). Η ασύρματη μεταφορά ισχύος κάνει μια εξαιρετική αλλαγή στον τομέα της ηλεκτρικής μηχανικής που καταργεί τη χρήση συμβατικών χάλκινων καλωδίων και επίσης καλωδίων που μεταφέρουν ρεύμα. Η ασύρματη μετάδοση ισχύος είναι αποτελεσματική, αξιόπιστη, χαμηλό κόστος συντήρησης και γρήγορη για μεγάλης εμβέλειας ή μικρής εμβέλειας. Χρησιμοποιείται για ασύρματη φόρτιση κινητού τηλεφώνου ή επαναφορτιζόμενης μπαταρίας.

Απαιτούμενα εξαρτήματα

Η ασύρματη μεταφορά ισχύος με κύκλωμα MOSFET περιλαμβάνει κυρίως το τμήμα του πομπού και το τμήμα του δέκτη. Τα απαραίτητα εξαρτήματα για την κατασκευή του τμήματος πομπού για ασύρματη μεταφορά ισχύος περιλαμβάνουν κυρίως: πηγή τάσης (Vdc) – 30V, πυκνωτής-6,8 nF, πηνία ραδιοσυχνοτήτων (L1 & L2) είναι 8,6 μH & 8,6 μH, Πηνίο πομπού (L) – 0,674 μH, αντιστάσεις R1-1K, R2-10 K, R3-94 ohm, R4-94 ohm, R5-10 K, ο πυκνωτής C λειτουργεί σαν πυκνωτές συντονισμού, οι δίοδοι D1-D4148, D2-D4148, MOSFET Q1-IRF540 και MOSFET Q2-IRF54

Τα απαραίτητα εξαρτήματα για την κατασκευή ενός τμήματος δέκτη για ασύρματη μεταφορά ισχύος περιλαμβάνουν κυρίως: δίοδοι D1 έως D4 – D4007, Αντίσταση (R) – 1k ohm, ρυθμιστής τάσης IC – LM7805 IC, πηνίο δέκτη (L) – 1,235μH, πυκνωτές όπως C1 – 6,8nF και C2 είναι 220μF.

Ασύρματη μεταφορά ισχύος με συνδέσεις MOSFET

Οι συνδέσεις του τμήματος του πομπού ασύρματης μεταφοράς ενέργειας ακολουθούν ως εξής:

• Ο θετικός ακροδέκτης της αντίστασης R1 συνδέεται σε μια πηγή τάσης 30 V και ο άλλος ακροδέκτης συνδέεται σε LED. Ο ακροδέκτης καθόδου του LED συνδέεται στο GND μέσω μιας αντίστασης R2.
• Ο θετικός ακροδέκτης της αντίστασης R3 συνδέεται σε μια πηγή τάσης 30 V και ένας άλλος ακροδέκτης συνδέεται στον ακροδέκτη πύλης του MOSFET. Εδώ, ο ακροδέκτης καθόδου του LED συνδέεται με τον ακροδέκτη πύλης του MOSFET.
• Ο ακροδέκτης αποστράγγισης του MOSFET συνδέεται με την παροχή τάσης μέσω του θετικού ακροδέκτη της διόδου και επαγωγέας 'L1'.
• Ο ακροδέκτης πηγής του MOSFET είναι συνδεδεμένος στο GND.
• Στον επαγωγέα «L1» ένας άλλος ακροδέκτης συνδέεται με τον ακροδέκτη ανόδου της διόδου D2 και ο ακροδέκτης καθόδου του συνδέεται με την αντίσταση R3 μέσω των πυκνωτών «C» και του επαγωγέα «L».
• Ο θετικός ακροδέκτης της αντίστασης R4 συνδέεται στην τροφοδοσία τάσης και ο άλλος ακροδέκτης της αντίστασης συνδέεται στον ακροδέκτη πύλης του MOSFET μέσω των ακροδεκτών ανόδου και καθόδου των διόδων D1 & D2.
• Ο θετικός ακροδέκτης του επαγωγέα «L2» συνδέεται στην τροφοδοσία τάσης και ο άλλος ακροδέκτης συνδέεται στον ακροδέκτη αποστράγγισης του MOSFET μέσω του ακροδέκτη ανόδου της διόδου «D2».
• Ο ακροδέκτης πηγής του MOSFET είναι συνδεδεμένος στο GND.

Οι συνδέσεις του τμήματος του δέκτη ασύρματης μεταφοράς ενέργειας έχουν ως εξής:

• Οι θετικοί ακροδέκτες του επαγωγέα «L», του πυκνωτή «C1» συνδέονται στον ακροδέκτη ανόδου του D1 και οι άλλοι ακροδέκτες του επαγωγέα «L», του πυκνωτή «C1» συνδέονται στον ακροδέκτη καθόδου του D4.
• Ο ακροδέκτης ανόδου της διόδου D2 συνδέεται στον ακροδέκτη καθόδου της διόδου D3 και ο ακροδέκτης ανόδου της διόδου D3 συνδέεται στον ακροδέκτη ανόδου της διόδου D4.
• Ο ακροδέκτης καθόδου της διόδου D2 συνδέεται με τον ακροδέκτη καθόδου της διόδου D1 και ο ακροδέκτης ανόδου της διόδου D1 συνδέεται με άλλους ακροδέκτες του επαγωγέα «L» και του πυκνωτή «C1».
• Ο θετικός ακροδέκτης της αντίστασης «R» συνδέεται στους ακροδέκτες καθόδου των D1 & D2 και άλλοι ακροδέκτες μιας αντίστασης συνδέονται σε έναν ακροδέκτη ανόδου του LED και ο ακροδέκτης καθόδου του LED συνδέεται στο GND.
• Ο θετικός ακροδέκτης πυκνωτή C2 συνδέεται σε έναν ακροδέκτη εισόδου του LM7805 IC ο άλλος ακροδέκτης του είναι συνδεδεμένος στο GND και ο ακροδέκτης LM7805 IC GND συνδέεται στο GND.

Εργαζόμενος

Αυτό το ασύρματο κύκλωμα μεταφοράς ισχύος περιλαμβάνει κυρίως δύο τμήματα πομπό και δέκτη. Σε αυτό το τμήμα, το πηνίο του πομπού κατασκευάζεται με εμαγιέ σύρμα ή σύρμα μαγνήτη 6 mm. Στην πραγματικότητα, αυτό το σύρμα είναι ένα χάλκινο σύρμα με ένα λεπτό στρώμα μόνωσης πάνω του. Η διάμετρος του πηνίου του πομπού είναι 6,5 ίντσες ή 16,5 cm & 8,5 cm σε μήκος.

Το κύκλωμα του τμήματος πομπού περιλαμβάνει μια πηγή ισχύος συνεχούς ρεύματος, ένα πηνίο πομπού & ταλαντωτή. Μια πηγή ισχύος συνεχούς ρεύματος παρέχει μια σταθερή τάση συνεχούς ρεύματος που δίνεται ως είσοδος στο κύκλωμα ταλαντωτή. Μετά από αυτό, αλλάζει την τάση συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα με υψηλή συχνότητα και δίνεται στο πηνίο εκπομπής. Λόγω του ρεύματος AC με υψηλή συχνότητα, το πηνίο του πομπού θα ενεργοποιηθεί για να παράγει ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο μέσα στο πηνίο.

Το πηνίο του δέκτη μέσα στο τμήμα του δέκτη είναι κατασκευασμένο με χάλκινο σύρμα 18 AWG που έχει διάμετρο 8 cm. Στο κύκλωμα του τμήματος του δέκτη, το πηνίο δέκτη παίρνει αυτή την ενέργεια ως επαγόμενη εναλλασσόμενη τάση στο πηνίο του. Ένας ανορθωτής σε αυτό το τμήμα δέκτη αλλάζει την τάση από AC σε DC. Επιτέλους, αυτή η αλλαγμένη τάση συνεχούς ρεύματος παρέχεται στο φορτίο σε ένα τμήμα ελεγκτή τάσης. Η κύρια λειτουργία ενός ασύρματου δέκτη ισχύος είναι να φορτίζει μια μπαταρία χαμηλής κατανάλωσης μέσω επαγωγικής σύζευξης.

Κάθε φορά που παρέχεται τροφοδοσία στο κύκλωμα του πομπού, τότε το συνεχές ρεύμα τροφοδοτείται από τις δύο πλευρές των πηνίων L1 και L2 και στους ακροδέκτες αποστράγγισης του MOSFET, τότε η τάση θα εμφανίζεται στους ακροδέκτες της πύλης των MOSFET και προσπαθεί να ενεργοποιήσει τα τρανζίστορ .

Αν υποθέσουμε ότι το πρώτο MOSFET Q1 είναι ενεργοποιημένο, τότε η τάση αποστράγγισης του δεύτερου MOSFET θα συσφιχθεί για να κλείσει στο GND. Ταυτόχρονα, το δεύτερο MOSFET θα είναι σε κατάσταση εκτός λειτουργίας και η τάση αποστράγγισης του δεύτερου MOSFET θα αυξηθεί στο μέγιστο και θα αρχίσει να πέφτει λόγω του κυκλώματος της δεξαμενής που δημιουργείται από τον πυκνωτή «C» και το πρωτεύον πηνίο του ταλαντωτή σε ένα μόνο μισό κύκλο.

Τα πλεονεκτήματα της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας είναι: ότι είναι λιγότερο δαπανηρό, πιο αξιόπιστο, δεν τελειώνει ποτέ από μπαταρία σε ασύρματες ζώνες, μεταδίδει αποτελεσματικά περισσότερη ισχύ σε σύγκριση με τα καλώδια, πολύ βολικό, φιλικό προς το περιβάλλον κ.λπ. Τα μειονεκτήματα της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας είναι. ότι η απώλεια ισχύος είναι υψηλή, δεν είναι κατευθυντική και δεν είναι αποτελεσματική για μεγαλύτερες αποστάσεις.

ο εφαρμογές ασύρματης μεταφοράς ενέργειας περιλαμβάνουν βιομηχανικές εφαρμογές που περιλαμβάνουν ασύρματους αισθητήρες πάνω από περιστροφικούς άξονες, φόρτιση και τροφοδοσία ασύρματου εξοπλισμού και ασφάλιση στεγανού εξοπλισμού αφαιρώντας τα καλώδια φόρτισης. Αυτά χρησιμοποιούνται για τη φόρτιση κινητών συσκευών, οικιακές συσκευές, μη επανδρωμένα αεροσκάφη και ηλεκτρικά οχήματα. Αυτά χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία και τη φόρτιση ιατρικών εμφυτευμάτων που περιλαμβάνουν: βηματοδότες, υποδόρια φάρμακα και άλλα εμφυτεύματα. Αυτά τα ασύρματα συστήματα μεταφοράς ενέργειας μπορούν να δημιουργηθούν στο σπίτι/breadbaord για να κατανοήσετε τη λειτουργία του. ας δούμε

Πώς να δημιουργήσετε μια συσκευή WirelessPowerTranfer στο σπίτι;

Η δημιουργία μιας απλής συσκευής ασύρματης μεταφοράς ενέργειας (WPT) στο σπίτι μπορεί να είναι ένα διασκεδαστικό και εκπαιδευτικό έργο, αλλά είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η κατασκευή ενός αποτελεσματικού συστήματος WPT με σημαντική απόδοση ισχύος συνήθως περιλαμβάνει πιο προηγμένα εξαρτήματα και ζητήματα. Αυτός ο οδηγός περιγράφει ένα βασικό έργο DIY για εκπαιδευτικούς σκοπούς χρησιμοποιώντας επαγωγική σύζευξη. Λάβετε υπόψη ότι τα παρακάτω είναι χαμηλής κατανάλωσης και δεν είναι κατάλληλα για φόρτιση συσκευών.

Χρειαζονται ΥΛΙΚΑ:

• Πηνίο πομπού (Πηνίο TX): Ένα πηνίο σύρματος (περίπου 10-20 στροφές) που τυλίγεται γύρω από μια κυλινδρική μορφή, όπως ένας σωλήνας PVC.

• Πηνίο δέκτη (Πηνίο RX): Παρόμοιο με το πηνίο TX, αλλά κατά προτίμηση με περισσότερες στροφές για αυξημένη τάση εξόδου.

• LED (Light Emitting Diode): Ως απλό φορτίο για την επίδειξη μεταφοράς ισχύος.

• MOSFET N-καναλιού (π.χ. IRF540): Για να δημιουργήσετε έναν ταλαντωτή και να αλλάξετε το πηνίο TX.

• Δίοδος (π.χ. 1N4001): Για διόρθωση της εξόδου AC από το πηνίο RX.

• Πυκνωτής (π.χ. 100μF): Για εξομάλυνση της ανορθωμένης τάσης.

• Αντίσταση (π.χ. 220Ω): Για περιορισμό του ρεύματος LED.

• Μπαταρία ή Τροφοδοτικό DC: Για να τροφοδοτήσετε τον πομπό (TX).

• Σύρματα Breadboard και Jumper: Για την κατασκευή του κυκλώματος.

• Πιστόλι θερμής κόλλας: Για να στερεώσετε τα πηνία στη θέση τους.

Επεξήγηση κυκλώματος:

Ας δούμε πώς πρέπει να συνδεθούν το κύκλωμα πομπού και δέκτη.

Πλευρά πομπού (TX):

• Μπαταρία ή Τροφοδοσία DC: Αυτή είναι η πηγή ενέργειας για τον πομπό. Συνδέστε τον θετικό πόλο της μπαταρίας ή το τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος στη θετική ράγα της πλακέτας σας. Συνδέστε τον αρνητικό ακροδέκτη στην αρνητική ράγα (GND).

• Πηνίο TX (Πηνίο πομπού): Συνδέστε το ένα άκρο του πηνίου TX στον ακροδέκτη αποστράγγισης (D) του MOSFET. Το άλλο άκρο του πηνίου TX συνδέεται με τη θετική ράγα του breadboard, όπου συνδέεται ο θετικός ακροδέκτης της πηγής τροφοδοσίας σας.

• MOSFET (IRF540): Ο ακροδέκτης πηγής (S) του MOSFET συνδέεται με την αρνητική ράγα (GND) της πλακέτας ψωμιού. Αυτό συνδέει τον ακροδέκτη πηγής του MOSFET με τον αρνητικό ακροδέκτη της πηγής τροφοδοσίας σας.

• Πύλη (G) Ακροδέκτης του MOSFET: Στο απλοποιημένο κύκλωμα, αυτός ο ακροδέκτης παραμένει ασύνδετος, γεγονός που ουσιαστικά ενεργοποιεί συνεχώς το MOSFET.

Πλευρά Δέκτη (RX):

• LED (Load): Συνδέστε την άνοδο (μακρύτερο καλώδιο) της λυχνίας LED στη θετική ράγα της πλακέτας ψωμιού. Συνδέστε την κάθοδο (μικρότερο καλώδιο) του LED στο ένα άκρο του πηνίου RX.

• RX Coil (Receiver Coil): Το άλλο άκρο του πηνίου RX θα πρέπει να συνδεθεί με την αρνητική ράγα (GND) του breadboard. Αυτό δημιουργεί ένα κλειστό κύκλωμα για το LED.

• Δίοδος (1N4001): Τοποθετήστε τη δίοδο μεταξύ της καθόδου του LED και της αρνητικής ράγας (GND) της πλακέτας ψωμιού. Η κάθοδος της διόδου θα πρέπει να συνδέεται με την κάθοδο του LED και η άνοδος της πρέπει να συνδέεται με την αρνητική ράγα.

• Πυκνωτής (100μF): Συνδέστε ένα καλώδιο του πυκνωτή στην κάθοδο της διόδου (την πλευρά της ανόδου του LED). Συνδέστε το άλλο καλώδιο του πυκνωτή στη θετική ράγα της πλάκας ψωμιού. Αυτός ο πυκνωτής βοηθά στην εξομάλυνση της ανορθωμένης τάσης, παρέχοντας μια πιο σταθερή τάση στο LED.

Έτσι συνδέονται τα εξαρτήματα στο κύκλωμα. Όταν τροφοδοτείτε την πλευρά του πομπού (TX), το πηνίο TX δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο προκαλεί μια τάση στο πηνίο RX στην πλευρά του δέκτη (RX). Αυτή η επαγόμενη τάση διορθώνεται, εξομαλύνεται και χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του LED, επιδεικνύοντας την ασύρματη μεταφορά ισχύος σε μια πολύ βασική μορφή. Να θυμάστε ότι πρόκειται για μια επίδειξη χαμηλής κατανάλωσης και εκπαιδευτική, ακατάλληλη για πρακτικές εφαρμογές ασύρματης φόρτισης.