Светящийся каменный шар

Автор: hector
Опубликовано 16.09.2018
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2018!"

        Посредине лежал светящийся каменный шар, вкопанный в земляной пол пещеры, чем-то он походил на Луну в миниатюре, наверное, неровной поверхностью с кратерами и бледным светом, исходившим от него.

        Шар из кальцита, подсвечен двумя белыми светодиодами, энергия для светодиодов передается по воздуху. Cлужит в качестве ночничка на прикроватной тумбочке.

         С чего все началось.

        Первые эксперименты по беспроводной передаче энергии проводил еще в 1893 году сербский учёный Никола Тесла. Своими опытами он доказал, что электроэнергия может передаваться без использования проводов, за что и получил соответствующие патенты. В 1899 году Тесла пришел к выводу: несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха. Однако сейчас получили распространение как раз решения с беспроводной передачей электроэнергии на основе явления электромагнитной индукции. А именно: магнитно-индуктивный и магнитно-резонансный способы передачи энергии. 

        Магнитно-индуктивный способ – стандарт Qi (с китайского ци – поток духовной энергии). Используется ближнее электромагнитное поле – переменный электрический ток, протекающий через передающую катушку, создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в приёмной катушке электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным – даже на небольших расстояниях индуктивная связь становится неэффективной. Систему можно описать как трансформатор с увеличенным воздушным зазором между обмотками. Частота переменного магнитного поля, используемого в этом стандарте, составляет от 110 до 205 кГц. Передатчики и приёмники этой системы широко представлены на рынке. 

        Магнитно-резонансный способ беспроводной передачи энергии – бренд Rezence. Передатчик и приёмник настроены на одну частоту, использование резонанса заметно увеличивает дальность передачи. Частота переменного магнитного поля, используемого в этом стандарте, составляет 6.78 MHz. Одновременно поддерживается несколько приёмников энергии. Второй метод передачи энергии имеет меньший КПД в виду более высоких рабочих частот. Появляются заметные потери на переключениях силовых элементов, скин-эффекте. Более подробно технологии беспроводной передачи энергии описаны здесь: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/70732/

         Суть свечения каменного шара.

        Для подсветки использован магнитно-резонансный способ передачи энергии, т.к. расстояние между передающей и приёмной катушкой может составлять несколько сантиметров. В качестве передатчика применена известная схема двухтактного автогенератора на биполярных транзисторах, в коллекторной цепи которых включена передающая катушка L1 и частотозадающий конденсатор С1. Напряжение питания 8 В, потребляемый ток 25 мА, частота передачи установлена около 6.78 MHz (не обязательно). Проконтролировать частоту довольно просто, если иметь тестер с функцией измерения частоты – достаточно из одного щупа сделать измерительную петлю.

        Для приёма энергии можно применить классическую схему – настроенный в резонанс приёмный контур, далее диодный мостик и нагрузка (вариант А). По этой схеме была сделана подсветка для фото в кристалле (фото закрыто листком). Измеренный ток через светодиоды составил около 4 мА, соответственно суммарный КПД системы беспроводной системы передачи энергии в такой реализации можно оценить на уровне 10%.

        Можно зажечь пару светодиодов ещё проще (вариант В для шара). Как известно, p-n переходы любых диодов, и светодиодов, в частности, обладают ёмкостью, обусловленной наличием объёмного заряда. Можно зажечь светодиод, используя его собственную ёмкость в параллельном LC резонансном контуре. Задача настройки в резонанс приёмной части сведётся к подбору нужного количества витков приёмной катушки. Ёмкость светодиода увеличивается при увеличении на нём прямого смещения  – увеличении его яркости свечения (картинка с интернета за какой-то светодиод ниже). Это нужно учесть при настройке резонанса приёмной части – с потушенными светодиодами приёмный контур должен иметь более высокую резонансную частоту, чем передающий. 

        При правильной настройке будет показателен такой опыт – будем постепенно приближать приёмную катушку со светодиодами к передающей. В какой-то момент светодиоды сразу засветятся. Это объясняется возникновением положительной обратной связи вблизи резонанса. При увеличении напряжения в приёмной катушке ёмкость p-n-перехода светодиодов будет возрастать, резонансная частота приёмного контура понижается. Т.к. резонансная частота приёмного контура приблизилась к частоте передающего, то напряжение в нём опять вырастет, ёмкость p-n-перехода светодиодов опять возрастёт, а резонансная частота приёмного контура понизится. Напряжение в приёмном контуре будет лавинообразно нарастать, пока светодиоды не начнут сразу светятся с той яркостью, при которой их ёмкость вместе с индуктивностью приёмной катушки попадают в резонанс с передающим контуром.

        По сборке: собиралось все из деталей, что были "под рукой". Номиналы резисторов не критичны, транзисторы подойдут практически любые маломощные. Катушка передатчика содержит 3+3 витка на оправке диаметром 8...9 см (было сделано два передатчика). В приёмнике для подставки фото катушка содержит 7 витков диаметром 4 см, подставки шара – 12 витков диаметром 3 см. Из-за компьютерного сбоя файла печатной платы передатчика не сохранилось, прилагаю её фото. Светодиоды в приемнике шара – со светодиодной ленты, измеренная ёмкость двух светодиодов при нулевом напряжении составила 15 pF. Передающая катушка с платкой передатчика закреплены скотчем с обратной стороны столешницы (её толщина 1.6см).

        Некоторые этапы сборки и настройки подставки шара в картинках:

         Как итог

        Передать небольшое кол-во энергии на расстояние несколько сантиметров довольно просто. Если сделать приемник по схеме А - можно запитать устройство постоянным напряжением. Если ограничится передачей энергии для подсветки – достаточно реализовать схему B.

Всего вам доброго, хорошего настроения и здоровья!

Все вопросы в Форум.