การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายด้วย MOSFET

ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นด้วยออกซิเดชันที่ควบคุมด้วยซิลิคอนบ่อยที่สุด ในปัจจุบัน นี่เป็นประเภททรานซิสเตอร์ที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากหน้าที่หลักของทรานซิสเตอร์นี้คือการควบคุมการนำไฟฟ้า ไม่เช่นนั้นปริมาณกระแสไฟฟ้าที่สามารถจ่ายระหว่างขั้วต้นทางของ MOSFET และขั้วเดรนจะขึ้นอยู่กับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วเกต แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเทอร์มินัลเกตจะสร้างสนามไฟฟ้าเพื่อควบคุมการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ MOSFET ใช้เพื่อสร้างวงจรการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น ตัวแปลง DC-DC, การควบคุมมอเตอร์, อินเวอร์เตอร์ , การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย ฯลฯ บทความนี้จะกล่าวถึงวิธีการออกแบบวงจรถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายที่มีประสิทธิภาพสูง มอสเฟต .

การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายด้วย MOSFET

แนวคิดหลักคือการออกแบบระบบ WPT (การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย) พร้อมด้วย MOSFET และการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำแบบเรโซแนนซ์สำหรับควบคุมการส่งกำลังระหว่างขดลวด Tx และ Rx ซึ่งสามารถทำได้ด้วยการชาร์จคอยล์เรโซแนนซ์จาก AC หลังจากนั้นจึงส่งสัญญาณจ่ายที่ตามมาไปยังโหลดตัวต้านทาน วงจรนี้มีประโยชน์ในการชาร์จอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำอย่างรวดเร็วและทรงพลังผ่านการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำแบบไร้สาย

การส่งพลังงานแบบไร้สายสามารถกำหนดได้เป็น; การส่งพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานไปยังโหลดไฟฟ้าในระยะทางโดยไม่ต้องใช้สายเคเบิลหรือสายนำไฟฟ้าเรียกว่า WPT (การส่งพลังงานแบบไร้สาย) การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ธรรมดาในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า โดยเลิกใช้สายเคเบิลทองแดงแบบเดิมๆ และสายไฟที่มีกระแสไหลผ่าน การส่งพลังงานแบบไร้สายมีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ ค่าบำรุงรักษาต่ำ และรวดเร็วสำหรับระยะไกลหรือระยะสั้น ใช้สำหรับชาร์จโทรศัพท์มือถือหรือแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้แบบไร้สาย

ส่วนประกอบที่จำเป็น

การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายด้วยวงจร MOSFET จะประกอบด้วยส่วนเครื่องส่งและส่วนเครื่องรับเป็นหลัก ส่วนประกอบที่จำเป็นในการสร้างส่วนเครื่องส่งสัญญาณสำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายส่วนใหญ่ประกอบด้วย แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า (Vdc) – 30V, ตัวเก็บประจุ-6.8 nF, โช้ก RF (L1 & L2) คือ 8.6 μH & 8.6 μH, คอยล์ตัวส่งสัญญาณ (L) – 0.674 μH, ตัวต้านทาน R1-1K, R2-10 K, R3-94 ohm, R4-94 ohm, R5-10 K, ตัวเก็บประจุ C ทำงานเหมือนตัวเก็บประจุแบบสะท้อน, ไดโอด D1-D4148, D2-D4148, MOSFET Q1-IRF540 และ MOSFET Q2-IRF540

ส่วนประกอบที่จำเป็นในการสร้างส่วนตัวรับสัญญาณสำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายส่วนใหญ่ประกอบด้วย; ไดโอด D1 ถึง D4 – D4007, ตัวต้านทาน (R) – 1k โอห์ม, เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้า IC – LM7805 IC, คอยล์ตัวรับ (L) – 1.235μH, ตัวเก็บประจุเช่น C1 – 6.8nF และ C2 คือ 220μF

การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายด้วยการเชื่อมต่อ MOSFET

การเชื่อมต่อของส่วนเครื่องส่งสัญญาณการถ่ายโอนพลังงานไร้สายมีดังนี้

• ขั้วบวกของตัวต้านทาน R1 เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า 30V และอีกขั้วหนึ่งเชื่อมต่อกับ LED ขั้วแคโทดของ LED เชื่อมต่อกับ GND ผ่านตัวต้านทาน R2
• ขั้วบวกของตัวต้านทาน R3 เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า 30V และอีกขั้วหนึ่งเชื่อมต่อกับขั้วเกทของ MOSFET ที่นี่ขั้วแคโทดของ LED เชื่อมต่อกับขั้วประตูของ MOSFET
• ขั้วต่อท่อระบายน้ำของ MOSFET เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าผ่านขั้วบวกของไดโอดและ ตัวเหนี่ยวนำ 'L1'.
• เทอร์มินัลต้นทางของ MOSFET เชื่อมต่อกับ GND
• ในตัวเหนี่ยวนำ 'L1' เทอร์มินัลอื่นเชื่อมต่อกับเทอร์มินัลแอโนดของไดโอด D2 และเทอร์มินัลแคโทดเชื่อมต่อกับตัวต้านทาน R3 ผ่านตัวเก็บประจุ 'C' และตัวเหนี่ยวนำ 'L'
• ขั้วบวกของตัวต้านทาน R4 เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า และขั้วอื่นของตัวต้านทานเชื่อมต่อกับขั้วเกตของ MOSFET ผ่านทางขั้วบวกและขั้วแคโทดของไดโอด D1 และ D2
• ขั้วบวกของตัวเหนี่ยวนำ 'L2' เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและเทอร์มินัลอื่นเชื่อมต่อกับขั้วท่อระบายน้ำของ MOSFET ผ่านขั้วบวกของไดโอด 'D2'
• เทอร์มินัลต้นทางของ MOSFET เชื่อมต่อกับ GND

การเชื่อมต่อของส่วนเครื่องรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายมีดังนี้

• ตัวเหนี่ยวนำ 'L' ขั้วบวกของตัวเก็บประจุ 'C1' เชื่อมต่อกับขั้วบวกของ D1 และขั้วอื่น ๆ ของตัวเหนี่ยวนำ 'L' ตัวเก็บประจุ 'C1' เชื่อมต่อกับขั้วแคโทดของ D4
• ขั้วบวกขั้วบวกไดโอด D2 เชื่อมต่อกับขั้วขั้วแคโทดไดโอด D3 และขั้วขั้วบวกขั้วบวกไดโอด D3 เชื่อมต่อกับขั้วขั้วบวกขั้วบวกไดโอด D4
• เทอร์มินัลแคโทดไดโอด D2 เชื่อมต่อกับเทอร์มินัลแคโทดไดโอด D1 และเทอร์มินัลแอโนดไดโอด D1 เชื่อมต่อกับเทอร์มินัลอื่นของตัวเหนี่ยวนำ 'L' และตัวเก็บประจุ 'C1'
• ขั้วบวกของตัวต้านทาน 'R' เชื่อมต่อกับขั้วแคโทดของ D1& D2 และขั้วอื่นๆ ของตัวต้านทานเชื่อมต่อกับขั้วแอโนดของ LED และขั้วแคโทดของ LED เชื่อมต่อกับ GND
• ขั้วบวกของตัวเก็บประจุ C2 เชื่อมต่อกับขั้วอินพุตของ LM7805 IC ขั้วอื่นเชื่อมต่อกับ GND และพิน LM7805 IC GND เชื่อมต่อกับ GND

การทำงาน

วงจรการถ่ายโอนพลังงานไร้สายนี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวส่งและตัวรับสองส่วน ในส่วนนี้ขดลวดตัวส่งสัญญาณทำด้วยลวดเคลือบหรือลวดแม่เหล็กขนาด 6 มม. จริงๆ แล้วลวดนี้เป็นลวดทองแดงที่มีชั้นเคลือบฉนวนบางๆ อยู่ เส้นผ่านศูนย์กลางของขดลวดเครื่องส่งสัญญาณคือ 6.5 นิ้วหรือ 16.5 ซม. และยาว 8.5 ซม.

วงจรส่วนเครื่องส่งสัญญาณประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ DC คอยล์เครื่องส่งสัญญาณ และออสซิลเลเตอร์ แหล่งพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงให้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เสถียรซึ่งจ่ายเป็นอินพุตให้กับวงจรออสซิลเลเตอร์ หลังจากนั้นจะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่สูงและจ่ายให้กับคอยล์ส่งสัญญาณ เนื่องจากกระแสไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่สูง คอยล์ตัวส่งสัญญาณจะมีพลังงานสร้างสนามแม่เหล็กสลับภายในคอยล์

คอยล์ตัวรับภายในส่วนตัวรับทำด้วยลวดทองแดง 18 AWG ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 ซม. ในวงจรส่วนตัวรับ คอยล์ตัวรับจะได้รับพลังงานนั้นเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเหนี่ยวนำในคอยล์ของมัน วงจรเรียงกระแสในส่วนตัวรับสัญญาณนี้จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าจาก AC เป็น DC ในที่สุด แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เปลี่ยนแปลงนี้จะถูกจ่ายให้กับโหลดทั่วทั้งส่วนตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า หน้าที่หลักของตัวรับพลังงานไร้สายคือการชาร์จแบตเตอรี่พลังงานต่ำผ่านการเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำ

เมื่อใดก็ตามที่จ่ายไฟให้กับวงจรตัวส่งสัญญาณ จากนั้นกระแส DC จะจ่ายผ่านทั้งสองด้านของขดลวด L1 และ L2 และไปยังขั้วท่อระบายน้ำของ MOSFET จากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะปรากฏที่ขั้วประตูของ MOSFET และพยายามเปิดทรานซิสเตอร์ .

หากเราสมมติว่า MOSFET Q1 ตัวแรกเปิดอยู่ แรงดันเดรนของ MOSFET ตัวที่สองจะถูกหนีบให้ใกล้กับ GND ในขณะเดียวกัน MOSFET ตัวที่สองจะอยู่ในสภาวะปิด และแรงดันเดรนของ MOSFET ตัวที่สองจะเพิ่มขึ้นถึงจุดสูงสุดและเริ่มลดลงเนื่องจากวงจรแทงค์ที่สร้างขึ้นโดยตัวเก็บประจุ 'C' และคอยล์ปฐมภูมิของออสซิลเลเตอร์ตลอดครึ่งรอบเดียว

ข้อดีของการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายคือ ว่าราคาถูกกว่า เชื่อถือได้มากกว่า พลังงานแบตเตอรี่ไม่เคยหมดภายในโซนไร้สาย ส่งพลังงานได้มากกว่าเมื่อเทียบกับสายไฟอย่างมีประสิทธิภาพ สะดวกมาก เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เป็นต้น ข้อเสียของการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายคือ การสูญเสียกำลังมีสูง ไม่มีทิศทาง และไม่มีประสิทธิภาพในระยะทางไกลๆ

ที่ การประยุกต์ใช้การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย เกี่ยวข้องกับการใช้งานทางอุตสาหกรรมซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์ไร้สายเหนือเพลาหมุน การชาร์จและการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไร้สาย และการรักษาความปลอดภัยอุปกรณ์กันน้ำด้วยการถอดสายชาร์จ สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับการชาร์จอุปกรณ์มือถือ เครื่องใช้ในบ้าน เครื่องบินไร้คนขับ และยานพาหนะไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับปฏิบัติการและชาร์จรากฟันเทียมทางการแพทย์ซึ่งรวมถึง; เครื่องกระตุ้นหัวใจ อุปกรณ์จ่ายยาใต้ผิวหนัง และการปลูกถ่ายอื่นๆ ระบบถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายเหล่านี้สามารถสร้างขึ้นใน home/breadbaord เพื่อให้เข้าใจการทำงานของระบบ มาดูกัน

จะสร้างอุปกรณ์ WirelessPowerTranfer ที่บ้านได้อย่างไร ?

การสร้างอุปกรณ์ถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย (WPT) อย่างง่ายที่บ้านอาจเป็นโครงการที่สนุกสนานและให้ความรู้ แต่สิ่งสำคัญที่ควรทราบก็คือ การสร้างระบบ WPT ที่มีประสิทธิภาพพร้อมกำลังไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญ มักจะเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบและข้อพิจารณาขั้นสูงกว่า คู่มือนี้จะสรุปโครงการ DIY พื้นฐานเพื่อการศึกษาโดยใช้การเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำ โปรดทราบว่าสิ่งต่อไปนี้เป็นพลังงานต่ำและไม่เหมาะสำหรับการชาร์จอุปกรณ์

วัสดุที่ต้องการ:

• ขดลวดส่งสัญญาณ (TX Coil): ขดลวด (ประมาณ 10-20 รอบ) พันรอบรูปทรงกระบอก เช่น ท่อพีวีซี

• คอยล์ตัวรับ (RX คอยล์): คล้ายกับคอยล์ TX แต่ควรมีการหมุนมากกว่าเพื่อเพิ่มแรงดันเอาต์พุต

• LED (ไดโอดเปล่งแสง): เป็นโหลดง่ายๆ เพื่อสาธิตการถ่ายโอนพลังงาน

• N-channel MOSFET (เช่น IRF540): เพื่อสร้างออสซิลเลเตอร์และสลับ TX Coil

• ไดโอด (เช่น 1N4001): สำหรับแก้ไขเอาต์พุต AC จากคอยล์ RX

• ตัวเก็บประจุ (เช่น 100μF): เพื่อทำให้แรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขเรียบขึ้น

• ตัวต้านทาน (เช่น 220Ω): เพื่อจำกัดกระแสไฟ LED

• แบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟ DC: เพื่อจ่ายไฟให้กับเครื่องส่งสัญญาณ (TX)

• สายเขียงหั่นขนมและจัมเปอร์: สำหรับสร้างวงจร

• ปืนกาวร้อน: เพื่อยึดคอยล์ให้อยู่ในตำแหน่ง

  “ไดโอดเรียงกระแสคืออะไร ”

คำอธิบายวงจร:

มาดูกันว่าจะต้องต่อวงจรตัวส่งและตัวรับอย่างไร

ด้านเครื่องส่งสัญญาณ (TX):

• แบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟ DC: นี่คือแหล่งพลังงานของคุณสำหรับเครื่องส่งสัญญาณ เชื่อมต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟ DC เข้ากับรางบวกของเขียงหั่นขนมของคุณ เชื่อมต่อขั้วลบเข้ากับรางขั้วลบ (GND)

• คอยล์ TX (คอยล์เครื่องส่งสัญญาณ): เชื่อมต่อปลายด้านหนึ่งของคอยล์ TX เข้ากับขั้วเดรน (D) ของ MOSFET ปลายอีกด้านของ TX Coil เชื่อมต่อกับรางขั้วบวกของเขียงหั่นขนม ซึ่งเป็นจุดที่ขั้วบวกของแหล่งพลังงานเชื่อมต่ออยู่

• MOSFET (IRF540): เทอร์มินัลต้นทาง (S) ของ MOSFET เชื่อมต่อกับรางลบ (GND) ของเขียงหั่นขนม สิ่งนี้จะเชื่อมโยงเทอร์มินัลต้นทางของ MOSFET กับขั้วลบของแหล่งพลังงานของคุณ

• เทอร์มินัลเกต (G) ของ MOSFET: ในวงจรแบบง่าย เทอร์มินัลนี้จะไม่ได้เชื่อมต่อ ซึ่งจะทำให้ MOSFET เปิดอย่างต่อเนื่องอย่างมีประสิทธิภาพ

ฝั่งตัวรับ (RX):

• LED (โหลด): เชื่อมต่อขั้วบวก (สายยาว) ของ LED เข้ากับรางบวกของเขียงหั่นขนม เชื่อมต่อแคโทด (สายสั้นกว่า) ของ LED เข้ากับปลายด้านหนึ่งของ RX Coil

• RX Coil (Receiver Coil): ปลายอีกด้านของ RX Coil ควรเชื่อมต่อกับรางลบ (GND) ของ breadboard สิ่งนี้จะสร้างวงจรปิดสำหรับ LED

• ไดโอด (1N4001): วางไดโอดระหว่างแคโทดของ LED และรางลบ (GND) ของเขียงหั่นขนม แคโทดของไดโอดควรเชื่อมต่อกับแคโทดของ LED และควรเชื่อมต่อขั้วบวกกับรางลบ

• ตัวเก็บประจุ (100μF): เชื่อมต่อลีดหนึ่งของตัวเก็บประจุเข้ากับแคโทดของไดโอด (ด้านแอโนดของ LED) เชื่อมต่อตะกั่วอีกอันของตัวเก็บประจุเข้ากับรางบวกของเขียงหั่นขนม ตัวเก็บประจุนี้ช่วยลดแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขแล้ว ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่เสถียรแก่ LED มากขึ้น

นั่นคือวิธีการเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ ในวงจร เมื่อคุณจ่ายไฟให้กับฝั่งเครื่องส่งสัญญาณ (TX) คอยล์ TX จะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในคอยล์ RX ที่ฝั่งตัวรับ (RX) แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำนี้ได้รับการแก้ไข ปรับให้เรียบ และใช้ในการจ่ายไฟให้กับ LED ซึ่งแสดงให้เห็นการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายในรูปแบบพื้นฐาน โปรดจำไว้ว่านี่เป็นการสาธิตที่ใช้พลังงานต่ำและให้ความรู้ ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานการชาร์จแบบไร้สายที่ใช้งานได้จริง