Drahtlose Energieübertragung mit MOSFET

Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor wird am häufigsten mit siliziumkontrollierter Oxidation hergestellt. Derzeit ist dies der am häufigsten verwendete Transistortyp, da die Hauptfunktion dieses Transistors darin besteht, die Leitfähigkeit zu steuern. Wie viel Strom ansonsten zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen des MOSFETs liefern kann, hängt von der Summe der an seinem Gate-Anschluss angelegten Spannung ab. Die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld, um die Leitung des Geräts zu steuern. MOSFETs werden zur Herstellung verschiedener Anwendungsschaltungen wie DC-DC-Wandler, Motorsteuerung usw. verwendet. Wechselrichter , Kabellose Energieübertragung usw. In diesem Artikel wird erläutert, wie eine drahtlose Stromübertragungsschaltung mit hoher Effizienz entworfen wird MOSFET .

Drahtlose Energieübertragung mit MOSFET

Das Hauptkonzept besteht darin, ein WPT-System (Wireless Power Transfer) mit MOSFETs und resonanter induktiver Kopplung zur Steuerung der Leistungsübertragung zwischen einer Tx- und Rx-Spule zu entwerfen. Dies kann durch Aufladen der Resonanzspule mit Wechselstrom und anschließender Übertragung der anschließenden Versorgung an die Widerstandslast erfolgen. Diese Schaltung ist hilfreich, um ein Gerät mit geringem Stromverbrauch sehr schnell und leistungsstark durch induktive Kopplung drahtlos aufzuladen.

Drahtlose Energieübertragung kann definiert werden als: Die Übertragung elektrischer Energie von der Stromquelle zu einer elektrischen Last über eine Entfernung ohne Kabel oder Leitungen wird als WPT (Wireless Power Transmission) bezeichnet. Die drahtlose Energieübertragung stellt eine außergewöhnliche Veränderung im Bereich der Elektrotechnik dar, da die Verwendung herkömmlicher Kupferkabel und stromführender Drähte überflüssig wird. Die drahtlose Energieübertragung ist effizient, zuverlässig, wartungsarm und schnell für große und kurze Distanzen. Dies dient dem kabellosen Laden eines Mobiltelefons oder Akkus.

Erforderliche Komponenten

Die drahtlose Energieübertragung mit einer MOSFET-Schaltung umfasst hauptsächlich den Senderteil und den Empfängerteil. Zu den erforderlichen Komponenten zur Herstellung des Senderabschnitts für die drahtlose Energieübertragung gehören hauptsächlich: Spannungsquelle (Vdc) – 30 V, Kondensator – 6,8 nF, HF-Drosseln (L1 und L2) sind 8,6 μH und 8,6 μH, Senderspule (L) – 0,674 μH, Widerstände R1-1K, R2-10 K, R3-94 Ohm, R4-94 Ohm, R5-10 K, Kondensator C funktioniert wie ein Resonanzkondensator, Dioden D1-D4148, D2-D4148, MOSFET Q1-IRF540 und MOSFET Q2-IRF540

Zu den erforderlichen Komponenten zur Herstellung eines Empfängerteils für die drahtlose Energieübertragung gehören hauptsächlich: Dioden D1 bis D4 – D4007, Widerstand (R) – 1 kOhm, Spannungsregler IC – LM7805 IC, Empfängerspule (L) – 1,235 μH, Kondensatoren wie C1 – 6,8 nF und C2 beträgt 220 μF.

Drahtlose Energieübertragung mit MOSFET-Verbindungen

Die Anschlüsse des drahtlosen Energieübertragungssenderabschnitts sind wie folgt:

• Der positive Anschluss des Widerstands R1 ist mit einer 30-V-Spannungsquelle verbunden und der andere Anschluss ist mit der LED verbunden. Der Kathodenanschluss der LED ist über einen R2-Widerstand mit GND verbunden.
• Der positive Anschluss des R3-Widerstands ist mit einer 30-V-Spannungsquelle verbunden und ein weiterer Anschluss ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden. Hier ist der Kathodenanschluss der LED mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden.
• Der Drain-Anschluss des MOSFET ist über den Pluspol der Diode und mit der Spannungsversorgung verbunden Induktor 'L1'.
• Der Source-Anschluss des MOSFET ist mit GND verbunden.
• In der Induktivität „L1“ ist ein weiterer Anschluss mit dem Anodenanschluss der D2-Diode verbunden und ihr Kathodenanschluss ist über die Kondensatoren „C“ und die Induktivität „L“ mit dem Widerstand R3 verbunden.
• Der positive Anschluss des Widerstands R4 ist mit der Spannungsversorgung verbunden und der andere Anschluss des Widerstands ist über die Anoden- und Kathodenanschlüsse der Dioden D1 und D2 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET verbunden.
• Der positive Anschluss des Induktors „L2“ ist mit der Spannungsversorgung verbunden und der andere Anschluss ist über den Anodenanschluss der Diode „D2“ mit dem Drain-Anschluss des MOSFET verbunden.
• Der Source-Anschluss des MOSFET ist mit GND verbunden.

Die Anschlüsse des Abschnitts des drahtlosen Energieübertragungsempfängers sind wie folgt:

• Die positiven Anschlüsse des Induktors „L“ und des Kondensators „C1“ sind mit dem Anodenanschluss von D1 verbunden, und die anderen Anschlüsse des Induktors „L“ und des Kondensators „C1“ sind mit dem Kathodenanschluss von D4 verbunden.
• Der Anodenanschluss der Diode D2 ist mit dem Kathodenanschluss der Diode D3 verbunden und der Anodenanschluss der Diode D3 ist mit dem Anodenanschluss der Diode D4 verbunden.
• Der Kathodenanschluss der Diode D2 ist mit dem Kathodenanschluss der Diode D1 verbunden und der Anodenanschluss der Diode D1 ist mit anderen Anschlüssen der Induktivität „L“ und des Kondensators „C1“ verbunden.
• Der positive Anschluss des Widerstands „R“ ist mit den Kathodenanschlüssen von D1 und D2 verbunden, und andere Anschlüsse eines Widerstands sind mit einem Anodenanschluss der LED verbunden, und der Kathodenanschluss der LED ist mit GND verbunden.
• Der positive Anschluss des Kondensators C2 ist mit einem Eingangsanschluss des LM7805 IC verbunden, sein anderer Anschluss ist mit GND verbunden und der GND-Pin des LM7805 IC ist mit GND verbunden.

Arbeiten

Diese drahtlose Energieübertragungsschaltung besteht hauptsächlich aus zwei Abschnitten: Sender und Empfänger. In diesem Abschnitt besteht die Sendespule aus 6 mm dickem Lackdraht oder Magnetdraht. Tatsächlich handelt es sich bei diesem Draht um einen Kupferdraht mit einer dünnen Isolierschicht darauf. Der Durchmesser der Senderspule beträgt 6,5 Zoll bzw. 16,5 cm und die Länge beträgt 8,5 cm.

Der Schaltkreis des Senderabschnitts umfasst eine Gleichstromquelle, eine Senderspule und einen Oszillator. Eine Gleichstromquelle liefert eine stabile Gleichspannung, die als Eingang an die Oszillatorschaltung gegeben wird. Danach wandelt es Gleichspannung in Wechselspannung mit hoher Frequenz um und wird an die Sendespule weitergeleitet. Aufgrund des Wechselstroms mit hoher Frequenz wird die Sendespule mit Strom versorgt, um ein magnetisches Wechselfeld innerhalb der Spule zu erzeugen.

Die Empfängerspule im Empfängerteil besteht aus 18 AWG Kupferdraht mit einem Durchmesser von 8 cm. In der Empfängerschaltung erhält die Empfängerspule diese Energie als induzierte Wechselspannung in ihrer Spule. Ein Gleichrichter in diesem Empfängerteil wandelt die Spannung von Wechselstrom in Gleichstrom um. Schließlich wird diese geänderte Gleichspannung über ein Spannungsreglersegment an die Last bereitgestellt. Die Hauptfunktion eines drahtlosen Stromempfängers besteht darin, einen Akku mit geringem Stromverbrauch durch induktive Kopplung aufzuladen.

Immer wenn der Senderkreis mit Strom versorgt wird, fließt Gleichstrom durch die beiden Seiten der L1- und L2-Spulen und zu den Drain-Anschlüssen der MOSFETs. Dann erscheint die Spannung an den Gate-Anschlüssen der MOSFETs und versucht, die Transistoren einzuschalten .

Wenn wir davon ausgehen, dass der erste MOSFET Q1 eingeschaltet ist, wird die Drain-Spannung des zweiten MOSFET nahe an GND gehalten. Gleichzeitig befindet sich der zweite MOSFET im ausgeschalteten Zustand und die Drain-Spannung des zweiten MOSFET steigt auf einen Spitzenwert und beginnt dann abzufallen, da der Schwingkreis durch den „C“-Kondensator und die Primärspule des Oszillators während eines einzelnen Halbzyklus erzeugt wird.

Die Vorteile der drahtlosen Energieübertragung sind: dass es kostengünstiger und zuverlässiger ist, in drahtlosen Zonen nie die Batterieleistung verliert, im Vergleich zu Kabeln effizienter mehr Strom überträgt, sehr praktisch und umweltfreundlich ist usw. Die Nachteile der drahtlosen Energieübertragung sind: Dieser Leistungsverlust ist hoch, ungerichtet und für längere Distanzen nicht effizient.

Der Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung umfassen industrielle Anwendungen, zu denen drahtlose Sensoren über Drehwellen, das Laden und Betreiben von drahtlosen Geräten sowie die Sicherung wasserdichter Geräte durch Entfernen von Ladekabeln gehören. Diese werden zum Laden mobiler Geräte, Haushaltsgeräte, unbemannter Flugzeuge und Elektrofahrzeuge verwendet. Diese werden zum Betreiben und Laden medizinischer Implantate verwendet, darunter: Herzschrittmacher, subkutane Arzneimittelversorgung und andere Implantate. Dieses drahtlose Energieübertragungssystem kann zu Hause bzw. auf dem Steckbrett erstellt werden, um seine Funktionsweise zu verstehen. Mal sehen

Wie erstellt man zu Hause ein WirelessPowerTransfer-Gerät?

Das Erstellen eines einfachen WPT-Geräts (Wireless Power Transfer) zu Hause kann ein unterhaltsames und lehrreiches Projekt sein. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Aufbau eines effizienten WPT-Systems mit erheblicher Leistungsabgabe in der Regel komplexere Komponenten und Überlegungen erfordert. Dieser Leitfaden beschreibt ein grundlegendes DIY-Projekt für Bildungszwecke mit induktiver Kopplung. Bitte beachten Sie, dass die folgenden Geräte einen geringen Stromverbrauch haben und nicht zum Laden von Geräten geeignet sind.

Benötigte Materialien:

• Senderspule (TX-Spule): Eine Drahtspule (ca. 10–20 Windungen), die um eine zylindrische Form, beispielsweise ein PVC-Rohr, gewickelt ist.

• Empfängerspule (RX-Spule): Ähnlich der TX-Spule, jedoch vorzugsweise mit mehr Windungen für eine höhere Spannungsausgabe.

• LED (Light Emitting Diode): Als einfache Last zur Demonstration der Leistungsübertragung.

• N-Kanal-MOSFET (z. B. IRF540): Zum Erstellen eines Oszillators und zum Schalten der TX-Spule.

• Diode (z. B. 1N4001): Zur Gleichrichtung des Wechselstromausgangs der RX-Spule.

• Kondensator (z. B. 100 μF): Zur Glättung der gleichgerichteten Spannung.

• Widerstand (z. B. 220 Ω): Zur Begrenzung des LED-Stroms.

• Batterie- oder Gleichstromversorgung: Zur Stromversorgung des Senders (TX).

• Steckbrett und Überbrückungsdrähte: Zum Aufbau der Schaltung.

• Heißklebepistole: Zur Fixierung der Spulen.

Schaltungserklärung:

Sehen wir uns an, wie der Sender- und Empfängerkreis angeschlossen werden muss.

Senderseite (TX):

• Batterie- oder Gleichstromversorgung: Dies ist Ihre Stromquelle für den Sender. Verbinden Sie den Pluspol der Batterie oder des Gleichstromnetzteils mit der Plusschiene Ihres Steckbretts. Verbinden Sie den Minuspol mit der Minusschiene (GND).

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• TX-Spule (Senderspule): Verbinden Sie ein Ende der TX-Spule mit dem Drain-Anschluss (D) des MOSFET. Das andere Ende der TX-Spule wird mit der Plusschiene des Steckbretts verbunden, wo der Pluspol Ihrer Stromquelle angeschlossen ist.

• MOSFET (IRF540): Der Source-Anschluss (S) des MOSFET ist mit der negativen Schiene (GND) des Steckbretts verbunden. Dadurch wird der Quellenanschluss des MOSFET mit dem Minuspol Ihrer Stromquelle verbunden.

• Gate (G)-Anschluss des MOSFET: In der vereinfachten Schaltung bleibt dieser Anschluss unbeschaltet, wodurch der MOSFET effektiv kontinuierlich eingeschaltet wird.

Empfängerseite (RX):

• LED (Last): Verbinden Sie die Anode (längeres Kabel) der LED mit der Plusschiene des Steckbretts. Verbinden Sie die Kathode (kürzeres Kabel) der LED mit einem Ende der RX-Spule.

• RX-Spule (Empfängerspule): Das andere Ende der RX-Spule sollte mit der Minusschiene (GND) des Steckbretts verbunden werden. Dadurch entsteht ein geschlossener Stromkreis für die LED.

• Diode (1N4001): Platzieren Sie die Diode zwischen der Kathode der LED und der negativen Schiene (GND) des Steckbretts. Die Kathode der Diode sollte mit der Kathode der LED verbunden werden und ihre Anode sollte mit der negativen Schiene verbunden werden.

• Kondensator (100 μF): Verbinden Sie eine Leitung des Kondensators mit der Kathode der Diode (der Anodenseite der LED). Verbinden Sie die andere Leitung des Kondensators mit der Plusschiene des Steckbretts. Dieser Kondensator trägt zur Glättung der gleichgerichteten Spannung bei und sorgt so für eine stabilere Spannung an der LED.

So sind die Komponenten im Stromkreis verbunden. Wenn Sie die Senderseite (TX) mit Strom versorgen, erzeugt die TX-Spule ein sich änderndes Magnetfeld, das in der RX-Spule auf der Empfängerseite (RX) eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung wird gleichgerichtet, geglättet und zur Stromversorgung der LED verwendet, wodurch die drahtlose Energieübertragung in einer sehr einfachen Form demonstriert wird. Denken Sie daran, dass es sich hierbei um eine lehrreiche Demonstration mit geringem Stromverbrauch handelt, die nicht für praktische kabellose Ladeanwendungen geeignet ist.