Беспроводная система передачи энергии

Устройство было специально разработано в нашем кружке как первая самоделка учащихся. Несмотря на свою простоту, она позволяет в буквальном смысле «пощупать» электромагнитное поле и познакомиться с основными понятиями радиотехники.

Граждане матёрые электронщики! Не сочтите идиотизмом столь подробное описание простой конструкции. Все когда-то начинали…

Что это такое

Система представляет собой два устройства: приёмник и передатчик.

Приёмником является кольцо из толстой (2кв. мм) проволоки диаметром 100 мм. В разрез кольца включены параллельно светодиод и конденсатор.

Передатчик представляет собой проволочное кольцо диаметром 150 мм, к которому подключена хитрая схема.

Подключаем к передатчику питание (5…12 В), кладём его на стол и подносим к нему приёмник так, чтобы кольца передатчика и приёмника находились на одной оси. При расстоянии между ними около 25 см, светодиод приемника начинает светиться. Чем сильнее приближать приёмник к передатчику, тем ярче будет свечение светодиода!

Как это получается

Всё очень просто! Кольца передатчика и приёмника — это катушки индуктивности, образующие колебательные контуры. Эти контуры настроены на одну и ту же частоту. Передатчик генерирует высокочастотные колебания тока (порядка 30 МГц) и подаёт их в свой контур. В результате, вокруг катушки контура (проволочного кольца), возникает переменное магнитное поле. Это поле распространяется во все стороны вокруг кольца, постепенно ослабевая с расстоянием.

Если теперь в это магнитное поле внести кольцо приёмника, то в нём наведутся высокочастотные колебания тока, и в разрезе кольца появится ВЧ-напряжение, положительные полупериоды которого будут питать светодиод, и он станет светиться.
Основные параметры

Напряжение питания………………………………… 5…12 В
Ток потребления…………………………………. 30…100 мА
Рабочая частота……………………………….около 30 МГц
Дальность срабатывания при Uпит = 5 В…….. 25 см

 

Схема и её подробное описание

Схема передатчика представляет собой двухполупериодный (двухтактный) генератор гармонических колебаний. Почему двухтактный? Да потому что, по сравнению с однотактным, он позволяет получить вдвое большую мощность при одинаковом напряжении питания. А у нас — каждый вольт на счету, посему — приходится вертеться. Вот, собственно, схема.

Если вы съели собаку на гармонических автогенераторах, то смело пропускайте три следующих абзаца.

Как вы могли догадаться, катушка L1 — и есть передающее кольцо. Вместе с конденсаторами C1, C2, она образует колебательный контур. От значений ёмкостей C1, C2 и индуктивности L1, зависит частота излучения передатчика. Ровно посередине, от катушки сделан отвод, подключённый к «+» питания. Этот отвод делит катушку на два «плеча», каждое из которых управляется одним из двух транзисторов: VT1 и VT2. Поскольку мы уже сказали, что генератор — двухполупериодный, значит эти транзисторы будут работать по очереди, обслуживая только «свою» половинку периода колебаний тока в контуре.

Вопрос: а как транзисторы узнают, какая сейчас половинка, своя или чужая? Очевидно, они должны как-то наблюдать за колебаниями в контуре. Действительно, они это делают — с помощью конденсаторов C3, C4. Иными словами, эти конденсаторы создают положительную обратную связь (ПОС). А если вы знаете, положительная обратная связь — это то, без чего невозможно построить ни один генератор.

И наконец, зачем нам в схеме резисторы R1, R2? А они создают начальное смещение на базах транзисторов! Дело в том, что транзистор начинает открываться только тогда, когда на его базе напряжение перевалит за 0,6 В. Таким образом, если мы подадим на базу сигнал с амплитудой меньше 0,6 В, то он и не подумает открыться, а тем более, усилить сигнал. Значит, нужно всегда держать транзистор немножко приоткрытым, чтобы любой, даже самый слабый сигнал, мог управлять транзистором. Для этого мы и ставим резистор в цепь базы. Кроме того, эти резисторы ускоряют процесс рассасывания заряда с конденсаторов.

Переходим к схеме приёмника.

Надеюсь, здесь всё понятно. L1 — это приёмное кольцо. Вместе с C1, они образуют колебательный контур, настроенный на частоту передатчика. Параллельно конденсатору включён светодиод.

У внимательного читателя возникнет вопрос: диод-то, поди, пропускает ток только в одну сторону, а в катушке ток — переменный, то есть бегает по очереди в обе стороны. Значит, диод будет светиться не всё время, а только когда направление тока в катушке будет «правильным»? Совершенно верно, диод в этой схеме работает вполсилы, то есть горит только по половине периода каждого колебания. Вторая половина периода расходуется вхолостую. Правда, человеческий глаз всё равно этого не заметит, потому как частота очень большая (30 МГц). И всё же, чтобы скомпенсировать досадный промах, можно параллельно этому светодиоду включить другой, причём включить в противоположном направлении. Тогда, одну половину периода будет гореть первый светодиод, другую — второй. И не будет холостых ходов.

Конструкция

Подробный чертёж конструкции привожу только для передатчика. С приемником разбирайтесь сами — думаю, затруднений не возникнет.

Плата выполнена по планарной технологии — то есть, без дырочек. Это облегчает и ускоряет процесс изготовления. Точки на плате, отмеченные цифрами, соответствуют точкам на схеме с таким же номером.

Сборочный чертёж

На сборочном чертеже показан общий вид конструкции. Антенна — кольцо из медной проволоки сечением 2 квадрата. Проволока может быть с любой изоляцией (пластмасса, лак, и т.д.)

Технология изготовления антенны: берём кусок проволоки такой длины, чтобы из неё получилось кольцо диаметром 150 мм. (Посчитайте сами). Снимаем с концов проволоки по 5…10 мм изоляции. Затем, находим середину и убираем ещё 10 мм изоляции с середины. Все оголённые участки тщательно облуживаем и припаиваем кольцо к плате согласно чертежу. От площадки 1 на плате кидаем провод на середину кольца. Вот и всё. Теперь проверяем все пайки, смотрим, нет ли залипонов между дорожками, и включаем!

Настройка

Настройка заключается в подгонке частоты передатчика к частоте приёмника. Подгоняем именно частоту передатчика. Дело в том, что частоту приёмника подогнать проблематично: приёмник не имеет органов настройки, а передатчик имеет — подстроечный конденсатор C2. Поэтому делаем так. Включаем передатчик, кладём приёмник рядом, чтобы светодиод подавал признаки жизни, и начинаем крутить конденсатор C2. При этом смотрим, что делается со светодиодом. Если он начинает светиться ярче — значит мы крутим в правильную сторону. Если тускнеет — меняем направление вращения. Таким образом, находим точку, в которой светодиод имеет максимальную яркость. И теперь самое неприятное: посмотрите, в каком положении находится ротор конденсатора. Если в одном из крайних, то радоваться пока что рано.

На рисунке показано, как стоят роторы в крайних положениях. В первом случае, ёмкость конденсатора максимальна, во втором — минимальна. Если наибольшая яркость достигается в этих точках, это означает, что ёмкость «хочет» быть выше или ниже предела. Соответственно, в первом случае надо добавить ёмкости, то есть, припаять параллельно кондёр где-то на 20 пф. Во втором, надо убавить ёмкость. Это уже труднее. Но у нас есть балласт: конденсатор C1. Мы можем его отпаять и заменить на другой, пикофарад на 20 меньше.

Откуда, кстати, я беру это значение — 20 пф? Посмотрите на схему: наш подстроечный конденсатор может изменять ёмкость в пределах 6…25 пф. То есть, диапазон его емкостей — около 20 пф (25 — 6 = 19). Допустим, у нас стоял один подстроечник 6…25 пф. Мы «довесили» его постоянным кондёром в 20 пф. Диапазон регулировки сдвинется на эти 20 пф, то есть, станет 26…45 пФ. При этом нижний предел нового диапазона почти совпадает с верхним пределом старого. То есть мы почти не рискуем «пропустить» какую — то ёмкость при настройке.

Итак, мы прибавили (убавили) ёмкость, и снова крутим, пока снова не получим максимальную яркость диода. Если и теперь она соответствует крайней точке конденсатора — снова добавляем (убавляем) ёмкость. И так далее, пока не получится. А вы что думали, легко будет???

Информация к размышлению

Первое. Принятой энергией в нашем устройстве питается светодиод. А кто сказал, что ей не может питаться больше ничего??? Любое маломощное устройство с напряжением питания не более 3…5 В, можно подключить к приёмной петле. Только нужно помнить, что в петле напряжение переменное, и если подключаемое устройство питается постоянным током, то надо поставить выпрямитель. В качестве выпрямителя можно использовать мостик из 4-х диодов. А можно просто один диод, но это менее эффективно. Кроме того, необходимо после выпрямителя поставить сглаживающий конденсатор, где-то на 1…10 нФ. Схема будет выглядеть примерно так:

Ещё один момент: при изменении нагрузки, придётся немножко перестроить частоту передатчика.

Второе. Есть такая весчь — смарт-карта называется. Те, кто ездит в метро — знают: прикладываешь её к турникету, и готово. Можно даже не вынимать из бумажника.
Так вот, в этой смарт-карте стоит микрочип, в котором записана необходимая информация. При этом, никакой батарейки в карточке нет. Питание на неё подаётся с турникета, точно таким же способом, как в нашем устройстве: в турникете стоит передатчик, в карточке есть приёмная петля. Когда в этой петле наводится необходимое напряжение (при приближении к турникету), срабатывает чип, и передаёт турникету информацию (по радиоканалу).