Sähköhammasharjan langattomasta laturista inspiroituneena päätin kokeilla itsekin tehdä langattoman induktioon perustuvan laturin seuraavaan projektiini. Nykyään on toki olemassa jo paljon muitakin käyttökohteita kuten kännykät ja jopa sähköautot. Tässä artikkelissa kerron induktiivisen sähkön siirtämisen periaatteesta lyhyesti ja esittelen oman langattoman laturin prototyyppini kytkentäkaavioineen. Tavoitteena on myös hieman innostaa muita käyttämään vastaavia tekniikkoja omissa tuotoksissaan.
Vaikka sähkönsiirtäminen ilman johtoja voi äkkiseltään kuulostaa vaikealta, sen toteuttaminen ei ole mitenkään vaikeaa. Periaate kun on aivan sama kuin muuntajassa. Itseltäni on toki vielä toteuttamatta sen käyttö lopullisessa kohteessa, joten haasteita voi tulla vielä eteen ja projektikin voi jäädä kesken, mutta ainakin perusperiaate toimii.
Video prototyyppini toiminnasta (webm, 7,7 MiB, 1:21):
https://dl.dropbox.com/u/4305182/linked/ruuvipenkki/induktio-laturi-esittely.webm
[size=150]Induktio[/size]
Induktioilmiötä hyödynnetään mm. muuntajissa. Induktioon tarvitaan yksinkertaisimmillaan kaksi käämiä ja vaihtovirtaa eikä sen periaate ole kovin vaikea. Ensiökäämiin syötetään vaihtovirtaa, jolloin syntyy muuttuva magneettikenttä. Kun tähän magneettikenttään tuodaan käämi, jota kutsutaan toisiokäämiksi, indusoituu toisiokäämiin vaihtojännite ja mikäli toisiokäämi on suljetussa virtapiirissä, syntyy sinne myös vaihtovirtaa. Vaihtovirran suuruus ja jännite riippuvat ensiökäämin virrasta ja jännitteestä sekä ensiö- ja toisiokäämin kierrosten suhteesta. Muuntajassa käämien väliin laitetaan yleensä myös rautasydän, joka parantaa hyötysuhdetta, mutta langattomassa latauksessa sitä ei käytetä, sillä laitteet on tärkeää pystyä erottamaan toisistaan.
Toinen tärkeä ero verkkomuuntajan ja induktiivisen laturin välillä on käytetty taajuus. Verkkomuuntaja käyttää suoraan verkossa olevaa 50 Hz taajuutta, mutta langattomaan lataukseen se ei riitä. Hyötysuhde paranee taajuuden kasvaessa, joten se voi olla esimerkiksi 100 kHz tai kuten omassa prototyypissäni noin 150 kHz (ei testattu oskilloskoopilla), mutta luultavasti pienempikin taajuus toimisi.
Induktiosta Wikipediassa: http://fi.wikipedia.org/wiki/S%C3%A4hk%C3%B6magneettinen_induktio (katso myös artikkeli muuntajista)
Toinen hyvä lähde tutustua tarkemmin induktioon on lukea lukion fysiikan sähkömagnetismin kurssikirjaa (kurssi numero 7).
[size=150]Prototyyppini[/size]
Prototyypissäni, kuten kaikissa langattomissa latureissa, on kaksi osaa: ensiökäämin sisältävä lähetin ja toisiokäämin sisältävä vastaanotin. Lähetin ei varsinaisesti lähetä mitään säteilyä, vaan luo ainoastaan muuttuvan magneettikentän ja vastaavasti vastaanotin ei vastaanota vaan siihen indusoituu sähkövirta. Esittelen ensin vastaanotinosan, koska se on huomattavasti yksinkertaisempi ja sitä voi testata hammasharjan laturilla.
Ensimmäinen versioni oli niinkin yksinkertainen, ettei siinä ollut kuin itse käämitty käämi, jossa oli reilu kaksikymmentä kierrosta ja sen päässä LED, jolla ei ole edes etuvastusta. Kyseinen versio toimi tehtävässään erinomaisesti ja LED palaa kirkkaasti sekä hammasharjan laturilla että omalla versiollani. Periaatteessa LED ei tässä versiossa pala kuin puolet ajasta, mutta käytännössä ihmissilmä ei voi sitä erottaa ja LED näyttää palavan jatkuvasti.
Toinen versio sisältää jo vähän enemmän elektroniikkaa ja käämin kokoa on suurennettu. Käämissä on noin 50 kierrosta ja halkaisija noin 5 cm, kuten lähettimen puolella. Rakensin siihen yksinkertaisen tasasuuntauksen, mutta kuormana on edelleen LED. Tasasuuntauksessa on vain tasasuuntaussilta ja sen perässä kondensaattori tasaamassa huippuja, jotta LED palaa tasaisemmin. Seuraavaksi lisännen siihen step-up hakkurin, jolloin sillä voisi käyttää esimerkiksi mikrokontrolleria tai ladata akkua. Myös tämä versio toimi hyvin molemmilla lähettimillä.
Kytkentäkaaviossa on käytetty jännitteen ja maan merkintöjä, mutta niiden väliin kytketään tässä tapauksessa LED.
Lähetinosassa oli huomattavasti enemmän tekemistä ja sen toteuttaminen vaati jo vähän perehtymistä. Tutustuin pariin internetistä löytämääni ohjeeseen ennen oman versioni tekemistä:
http://www.instructables.com/id/Wireless-Ipod-Charger/
http://electronics.stackexchange.com/questions/20565/induction-charging-for-diy-projects
Rakensin lähettimeni toimimaan 12 V tasavirtalähteellä, jonka sain ukkosen rikkomasta ADSL-modeemista. Vastaavasti käämeihin käyttämäni kuparilanka on melko vanhaa eikä aivan parasta mahdollista, mutta näyttää toimivan. Yksinkertaistettuna lähettimessä on kaksi käämiä, joihin johdetaan mosfeteillä sähköä vuorotelleen, ja multivibraattoripiiri, joka kytkee mosfetit vuorotellen päälle.
Lähettimeen käytetyt osat:
- Kuparilankaa (kaksi käämiä, molemmissa noin 50 kierrosta, halkaisija noin 5 cm)
- Kaksi mosfettiä (IRFP250N)
- Kaksi NPN-transistoria (BC548)
- Kaksi 470 ohm vastusta (¼ W)
- Kaksi 390 ohm vastusta (½ W, voisi olla enemmänkin)
- Kaksi 2,2 kW vastusta (¼ W)
- Kaksi 2,2 nF kondensaattoria
- 12 V hakkuritasavirtalähde ja liitin sille
- Tarpeeksi johtoja
Listassa ovat osat, joita käytin, mutta ne voidaan korvata vastaavilla tai muunnella tarpeen mukaan. Esimerkiksi mosfetille ja transistorille löytyy paljon sopivia korvaajia, mutta joidenkin vastuksien ja kondensaattorien arvoilla on jo vaikutusta piirin toimintaan. Käyttämäni 390 ohm vastukset lämpenevät melko paljon.
Kytkentäkaavioon ei ole merkitty virtalähdettä, vaan se on kytketty +12V jännitteeseen ja maahan. Yläosassa näkyy astabiili multivibraattori ja alempana mosfettien ja käämien kytkentä.
Muuttamalla 2,2 kohm vastuksien ja kondensaattorien kokoja voidaan muuttaa piirin taajuutta. Halutessaan piirissä olevan astabiilin multivibraattorin voisi toteuttaa myös esimerkiksi 555-piirillä tai vaikkapa mikrokontrollerin PWM:llä tai ajastimilla, mutta tällöin taajuus jäisi luultavasti pienemmäksi. Multivibraattorin toiminnasta saisi vaikka kokonaan oman lukija-artikkelin ja tarvittavan signaalin voisi tehdä myös toisin, joten jätän selostuksen lyhyeksi sen osalta.
Astabiilin multivibraattorin tehtävä on luoda kanttiaalto, joka kytkee mosfetit johtaviksi, kummankin vuorollaan ja siten virran käämeihin. Tein astabiilin multivibraattorin symmetriseksi, jotta virta kulkisi kummassakin käämissä yhtä kauan. Kytkennässä olevat käämit on sijoitettu päällekkäin, niin että virta kulkee toisessa myötäpäivään ja toisessa vastapäivään. Käytännössä siis magneettikentän magneettivuon suunta muuttuu piirin taajuudella.
Kytkennässä on kaksi käämiä, koska vaihtoehtona olisi käyttää tuplamäärä mosfettejä ja siten käyttää samaa käämiä kuljettamaan virtaa molempiin suuntiin.
Atabiilista multivibraattorista lisää englanniksi:
http://en.wikipedia.org/wiki/Multivibrator#Astable_multivibrator
http://www.electronics-tutorials.ws/waveforms/astable.html (täällä on myös taulukko, josta voi helposti katsoa sopivat vastusten ja kondensaattorien arvot)
Mittasin tehonkulutukseksi ilman kuormaa 2 W ja kuorman kanssa 3 W Class Ohlsonilta ostetulla Everflourish EMT707CTL sähkönkulutusmittarilla. Kuorma siis tässä tapauksessa tarkoittaa noita kahta vastaanottimen prototyyppiä. Lisäksi mittasin vastaanotinpuolelta LED:in jaloista jännitteeksi noin 2,0 V yleismittarilla. Muita mittauksia en ole tehnyt.
[size=150]Loppusanat[/size]
Artikkelissa voi olla jopa asiavirheitäkin, joista olisi toivottavaa mainita sellaisen huomatessaan, jottei niitä jäisi tulevien lukioiden harmiksi. Mitään asia- tai kirjoitusvirheitä en sinne tietenkään tietoisesti jättänyt, mutta itselläni ei ole lukion fysiikkaa kummempaa koulutusta alasta ja siten tieto perustuu pitkälti niillä kursseilla oppimaani, internetistä lukemaani ja itse kokemaani.
Kiinnostuneet ja kielitaitoiset voivat vilkaista tällaistakin löytämääni artikkelia:
https://sites.google.com/site/ddmcintosh2projects/inductive-charger
Sieltä löytyvä versio on huomattavasti monimutkaisempi kuin tekemäni prototyyppi, enkä ole vielä itsekään tutkinut sitä läpikotaisin.
Muutokset:
Korjattu yksi linkki
