Бездротова передача електроенергії

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип пристрою для бездротової передачі електроенергії.

Обладнання:

– макетна плата;

– біполярний npn-транзистор 2n2222 або 2n3904;

– резистор опором 1 кОм, 0,25…1 Вт;

– емальований або ізольований монолітний дріт діаметром 0,2…0,5 мм (по міді);

– світлодіод;

– з’єднувальні провідники;

– 1-2 елементи живлення 1,5 В формату АА або ААА;

– циліндричне тіло діаметром 20…40 мм;

– ізоляційна стрічка або вузький скотч;

– лінійка або штангенциркуль.

Основні терміни та поняття

ВЗАЄМОІНДУКЦІЯ Загальні відомості про електронні генератори Блокінг-генератори

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип пристрою для бездротової передачі електроенергії в роботі

Бездротова передача електроенергії – це спосіб передачі електричної енергії без використання струмопровідних елементів в електричному колі.

Відомі такі способи бездротової передачі електроенергії:

• спосіб електромагнітної індукції;
• за допомогою мікрохвильового випромінювання;
• спосіб електростатичної індукції;
• лазерний;
• ультразвуковий.

Спосіб електромагнітної індукції ґрунтується на взаємоіндукції між двома котушками, на одну з яких подається змінний струм, а інша є приймачем. За таким принципом відбувається передача електроенергії, зокрема, між первинною і вторинною обмотками трансформатора.

Спосіб передачі електроенергії за допомогою мікрохвильового випромінювання є радіохвильовим способом. Використання радіохвиль мікрохвильового діапазону зумовлено тим, що зменшення довжини хвилі дає змогу зробити випромінювання більш спрямованим. При передачі електроенергії цим способом енергія постійного струму перетворюється на надвисокочастотні коливання, які подаються на антену. Приймачем, як правило, є ректена – пристрій, який поєднує антену та випрямляч.

У способі електростатичної індукції використовуються два електроди, піднесені над провідною поверхнею. Електричне поле утворюється за рахунок заряду ємності між передавальним електродом та провідною поверхнею струмом високої частоти та високого потенціалу. У ємності між приймальним електродом і провідною поверхнею збуджується змінний струм за рахунок явища електростатичної індукції.

Лазерний спосіб передачі електроенергії полягає в опроміненні лазерним променем, що має високу спрямованість, фотоелемента, який генерує енергію постійного струму.

Ультразвуковий спосіб передачі електроенергії полягає у перетворенні електроенергії в передавачі на ультразвукові хвилі, прийомі цих хвиль приймачем з подальшим перетворенням на електроенергію.

У побуті часто послуговуються способом електромагнітної індукції для бездротової передачі електроенергії. Він використовується для бездротового заряджання акумуляторів мобільних телефонів та інших пристроїв, а також для бездротового живлення портативних пристроїв на невеликих відстанях.

У цій практичній роботі пропонується виготовити і випробувати пристрій для передачі електроенергії саме способом електромагнітної індукції.

Схема пристрою, який пропонується виготовити, представлена на рисунку 2.

Передавач є різновидом блокінг-генератора. Котушки L1 та L2 мають вигляд однієї котушки з відводом від середини. Коли до передавача підключається джерело живлення, струм починає текти через котушку L2, резистор R1 і перехід база-емітер (Б-Е) транзистора Q1. Транзистор при цьому відкривається. Через котушку L1 та колектор (К) транзистора починає також протікати струм, сила якого значно більша за силу струму бази. При цьому за рахунок взаємоіндукції в котушці L2 наводиться ЕРС, знак якої є протилежним до знаку початкової ЕРС, і початковий струм припиняється, що призводить до закривання транзистора. Далі такі цикли повторюються доти, доки підключене джерело живлення. У такий спосіб передавач генерує змінний імпульсний струм високої частоти. Котушка L2 є котушкою зворотного зв’язку генератора.

Приймач має вигляд котушки L3, навантаженої на світлодіод VD1. Коли котушка приймача розташована над котушкою передавача співвісно, на певній відстані, в ній за рахунок взаємоіндукції наводиться змінна високочастотна ЕРС від котушки передавача. За рахунок наведеної ЕРС світлодіод починає світитися. У цій схемі світлодіод є одночасно споживачем електроенергії і випрямлячем.

Рис. 2. Схема пристрою для бездротової передачі електроенергії

На рисунку 3 представлене розміщення виводів для транзисторів 2n2222 та 2n3904.

Рис. 3. Розміщення виводів транзисторів 2n2222 та 2n3904

Котушки L1 та L2 мають по 15-20 витків (30-40 витків з відводом від середини), котушка L3 має 30-40 витків. Діаметр усіх котушок 20-40 мм.

Хід роботи

1. Візьміть циліндричне тіло і намотайте на ньому 15-20 витків ізольованим або емальованим дротом, залишивши приблизно 5 см дроту від початку.
2. Зробіть відвід довжиною приблизно 5 см і намотайте в цьому самому напрямку ще стільки ж витків.
3. Залиште приблизно 5 см дроту від кінця та обріжте решту. Ви намотали котушки L1 та L2, що мають вигляд однієї котушки з відводом від середини.
4. Акуратно зніміть намотану котушку і зафіксуйте її за допомогою ізоляційної стрічки або скотчу. Приклад котушки показано на рисунку 4.

Рис. 4. Приклад котушки L1 – L2

5. Очистіть кінці проводів від емалі або ізоляції, надійно скрутіть між собою кінці проводів, якими було зроблено відведення від середини, забезпечивши гарний електричний контакт між ними. Якщо є можливість, ці проводи можна спаяти за допомогою паяльника.
6. На тому ж циліндричному тілі намотайте котушку L3 з кількістю витків такою самою, як у котушці L1 – L2, але без відводів. Так само акуратно зніміть її з циліндричного тіла, зафіксуйте ізоляційною стрічкою або вузьким скотчем і очистіть її виводи від емалі або ізоляції.
7. На макетній платі складіть електричну схему відповідно до рис. 2 з урахуванням правильного розміщення виводів транзистора відповідно до рис. 3. Приклад зібраного пристрою показано на  рис. 5. Як видно зі схеми на рис. 2 та зібраного пристрою на рис. 5, світлодіод не має електричного контакту з джерелом живлення.
8. Підключіть до пристрою живлення.
9. Візьміть котушку L3 та розташуйте її над котушкою L1 – L2 на відстані 1-2 см. Світлодіод має світитися. Якщо світлодіод не світиться, спробуйте змінити його полярність.
10. Віддаляючи котушку L3, зафіксуйте максимальну відстань між котушками, за якої світлодіод ще світиться.
11. Спробуйте для живлення пристрою використовувати одну і дві батарейки. Визначте максимальну відстань для обох випадків.

Рис. 5. Приклад зібраного пристрою.

12. За бажанням зробіть котушки з такою самою кількістю витків, але іншого діаметру, підключіть їх до пристрою і проведіть його випробування.
13. За бажанням зробіть котушки такого самого діаметру, але з іншою кількістю витків, підключіть до пристрою і проведіть його випробування.

Аналіз даних

1. Дійдіть висновків про максимальну відстань передачі електроенергії залежно від напруги джерела живлення.
2. Відомо, що для живлення світлодіодів зазвичай потрібна напруга не менше 2 В. Проаналізуйте схему більш глибоко і дійдіть висновків, чому світлодіод горить за напруги живлення 1,5 В, що відповідає лише одній батарейці.
3. Якщо ви виконали п. 12, дійдіть висновків, як  діаметр котушок впливає на дальність передачі електроенергії.
4. Якщо ви виконали п. 13, дійдіть висновків, як кількість витків у котушках впливає на дальність передачі електроенергії.