Drahtlose Energieübertragung

Elektronik Eigenbau und anderes
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asterix
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20.01.2019, 17:30

Insbesondere induktive Leistungsübertragung ist inzwischen eigentlich Gang und Gäbe. Von der Zahnbürste über das Handy bis zum Induktionsherd, der Normalfall in vielen Haushalten. Sogar drahtlose Lademechanismen für E-Autos sind längst im Testbetrieb. Da lohnt es sich einmal drüber zu schauen. Das, zumal immer mehr Betrüger mit immer raffinierteren Methoden ihre "Magnetmotore" betreiben.  Der lässt sich sicher auch aus der Ferne mit Energie versorgen.
So wurde im Jahr 2007 am Massachusetts Institute of Technology unter idealen Laborbedingungen mit einem Spulendurchmesser von 25 cm auf eine Distanz von 2 m eine elektrische Leistung von 60 W bei einem Wirkungsgrad um 40 % übertragen.[4] Kommerziell wird die resonant induktive Kopplung unter Markennamen wie WiTricity vermarktet.
https://de.wikipedia.org/wiki/Drahtlose ... bertragung
Das sollte dann doch problemlos möglich sein. Aber erst einmal erroieren, was es so an einfachen Möglichkeiten gibt, den nötigen Power in eine Spule zu bringen.


Nachdem beim Nachbau nach dem Patent von Robert Norrby des Öfteren das Thema Weichglühen aufgetaucht ist, habe ich einmal geschaut, ob es da nicht schon einfache Möglichkeiten gibt das auf elektrischem Wege zu bewerkstelligen. Und es gibt da tatsächlich eine ziemlich einfache Schaltung, über die eine induktive Erwärmung realisiert werden kann. Man kann damit aber bestimmt noch deutlich mehr machen.


Bei der Schaltung handelt es sich um eine  Kippstufe die hier aber über einen Schwingkreis getaktet wird. Die Schaltung ist auch als Royer Converter im Netz zu finden. Die Spannung am Schwingkreis schaltet immer abwechselnd einen FET ein und den anderen aus. Der Schwingkreis wird durch die resultierenden Ströme aufgepumpt.  
 
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Die Abbildung zeigt die Verhältnisse, wenn die Spannung am Schwingkreis an der Q1-Seite negativ (blau) ist. Die Spannung am Gate von Q2 wird dann gegen Masse gezogen. Q2 sperrt. Das Potential am Gate von Q1 wird über R1 auf +12 V gelegt.  L3 und L4 sind für Wechselstrom undurchlässig. Die HF bleibt im restlichen Kreis.

Mit de Schaltung lassen sich Leistungen bis in den kW-Bereich drahtlos über Induktion übertragen. Die beiden MOSFET arbeiten im Schaltbetrieb, was die Verlustleistung an den Bauteilen auf ein Minimum reduziert. Die Schaltung schwingt praktisch immer mit der Resonanzfrequenz die der Ausgangsschwingkreis vorgibt. Man kann damit auch die Resonanzfrequenz eines unbekannten LC-Kreises austesten. Die Schaltung funktioniert ja auch noch bei sehr stark gedämpften Schwingkreisen.

In LTSpice kann man sich die Funktion auch noch einmal klar machen.

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Im Schwingkreis können je nach Betriebsart enorme Ströme und Spannungen auftreten. Für den praktischen Aufbau sind deshalb noch ein paar Schutzmechanismen für die Halbleiter erforderlich. LTSpice kommt mit solchen Schaltungen nicht sonderlich gut zurecht. Für den endgültigen Aufbau habe ich deshalb keine Simulationen mehr gemacht. Bei der endgültigen Schaltung muss man einige Dinge beachten.

Zunächst einmal muss man die Spannungen am Gate der MOSFETs in zulässigen Schranken halten.

 
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D1 und D2 sperren die jeweils positiv wirkende Halbwelle vom Schwingkreis. D3 und D4 begrenzen die über die Betriebsspannung resultierende Spannung am jeweiligen Gate. Unbedingt beachten muss man, dass die Drosselspulen L3 und L4 für den nötigen Strom dimensioniert sind. Gebräuchlich sind da Ringkerndrosseln. Die dürfen auch unter bei Volllast nicht in die Sättigung gehen. Dabei ist der maximale Strom beim Betrieb als Speicherdrossel relevant. Die üblichen symmetrisch aufgebauten Entstördrosseln kommen da nur auf einen Bruchteil ihres ausgewiesenen Maximalstromes. Je nach Arbeitsfrequenz kann man deren Induktivität noch drastisch reduzieren. Die Z-Dioden müssen für einen Strom von mindestens maximale Speisespannung/R4 dimensioniert werden.  Kritisch ist der Kondensator im Schwingkreis. Wenn der zu hohe Verluste hat, bläht er sich in der Regel irgendwann auf und ruiniert dann die komplette Schaltung. Wenn die induktiven Anteile des Kondensators zu groß sind, dann schwingt die Anordnung meist gar nicht erst. Die Kondensatoren zum Schwingkreis müssen, im Gegensatz zu einigen Bauanleitungen im Netz, nahe am FET platziert werden, weil die u.U. sonst noch eine relevante Induktivität zum FET hin sehen, was in der Praxis zu ziemlich merkwürdigem Verhalten führt.

Zum Ausprobieren mit kleinen Strömen kann man die Schaltung ziemlich einfach aufbauen. L1 und L2 sollten aber für mindestens 500mA bei Betrieb als Speicherdrossel,  dimensioniert sein. Ansonsten hängt das Verhalten u.U. hauptsächlich von deren Sättigungsverhalten ab. L3 sollte für Betrieb auf dem Steckbrett aus eher dünnem Draht gewickelt werden. Das begrenzt die Stromaufnahme ein wenig. Ich habe 16 Windungen Schaltdraht 0.6mm benutzt. Die Schaltung zieht dann bei 5V etwa 0.5A. Am Schwingkreis kommt man auf etwa 25Vss. Die FETs bleiben dabei auch ohne Kühlkörper kalt. Spule und Kondensator werden aber merklich warm. Im Schwingkreis muss auch hier schon ein ziemlich hoher Strom fließen. Der hier verwendete Kondensator wäre in der endgültigen Schaltung sicher nicht zu gebrauchen.

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Man bekommt die Dinger übrigens inzwischen auch für wenige € zu kaufen. Zu finden unter dem Stichwort " Zvs Induktionsheizung " Für den Betrieb mit höhen Leistungen sind da die richtigen Bauteile schon drin. Ein Eigenbau lohnt sich finanziell eigentlich nicht, wenn man nicht gerade einen speziellen Anwendungsfall hat. Ein spezieller Anwendungsfall ergibt sich z.B. wenn man das Gerät für Eckis Torsionsversuch nutzen will. Da ist man mit einem geeigneten Selbstbau deutlich flexibler. Es gibt da bestimmt auch noch andere Anwendungen für die eigentlich recht simple Schaltung.

Ein Aufbau auf einer Streifenplatine ist auch ziemlich leicht zu realisieren. Am problematischsten sind die Drosselspulen. Zum Austesten sind hier 10 mH angedacht. Die ergeben bei 1kHz einen Blindwiderstand von  2*3,14*1000Hz*0,01H=62,8 Ohm. Einfach auf einem Kern drauf los wickeln bis die 10mH da sind, führt bei der Realisierung leider ziemlich schnell in die Katastrophe. Die im Anschluss gemessenen mH sind je nach Kern schnell wieder weg, wenn nur ein kleiner Strom fließt. Nachrechnen ist diesmal zwingend erforderlich.

Für die endgültige Realisierung von L1 und L2 habe ich noch ein paar Ferritkerne gefunden:
EPCOS B67411A6X30, U-Form ( 22,5x19,6x6 mm)
 
U_Kern.gif
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Material N30
µ=4300


https://www.tdk-electronics.tdk.com/dow ... df-n30.pdf

Beim Verwenden von 2 U-Kernen für einen geschlossenen Magnetkreis kommt man bei einem Querschnitt von 6mm*6mm=36mm² und einer mittleren Feldlinienlänge von 16,6*2+19,5*4=111,2mm auf einen magnetischen Widerstand von 0,1112m/(4300*1,2566E-6 Vs/Am*36E-6 m²)=571658,64 A/Vs

Mit L=N²/Rm kommt man für die geforderten 10mH über N=Wurzel(L*Rm) auf =WURZEL(571658,64 A/Vs *0,01T)=75Windungen
Das Material geht bei etwa 240mT in die Sättigung. Also bei den Abmessungen, bei einem magnetischen Fluss von 0,24Vs/m² *36E-6m²=0,000008640Vs
Mit Phi= N*I /Rm geschieht das bei einem Strom von I=Phl*Rm/N= 0,000008640Vs*571658,64 A/Vs/75=0,07A

Nicht sonderlich viel. Wenn man 4 der Kerne benutzt kommt man auf den doppelten Querschnitt. Rm halbiert sich auf 285829,32 A/Vs. Der maximal zulässige Fluss verdoppelt sich auf 0,000017280 Vs.
Als Windungszahl ergibt sich damit WURZEL(285829,3200 A/Vs *0,01T) = 53,46  Windungen.
Der Sättigungsstrom ist dann 0,000017280 Vs*285829,32 A/Vs/53,46 = 0,09A

Auch nicht viel besser. Aber man kann jetzt noch 2mm Luftspalt in den Magnetkreis einbringen.

Rm Eisen bleibt wie gehabt bei 285829,32 A/Vs.
Rm Luftspalt bringt einen zusätzlichen magnetischen Widerstand von 0,002m/(1,2566E-6 Vs/Am*2*36E-6 m²)= 22105505,16 A/Vs in den Kreis.
Rm wird dann 285829,32 A/Vs +  22105505,16 A/Vs = 22391334,48 A/Vs.
Es ergeben sich WURZEL(22391334,48 A/Vs *0,01T) = 473,19 Windungen.
Der maximale Strom ist jetzt 0,000017280 Vs*22391334,48 A/Vs/473,19  =0,82 A

So ein Luftspalt dürfte wohl das wirkungsvollste Mittel sein um die vorzeitige Sättigung zu umgehen.

Auf den Spulenkörper gehen etwa 25m Draht mit 0,3mm Durchmesser. Die habe ich auch komplett drauf gewickelt. Das sind etwa 560 Windungen. Bei dem gerechneten Spalt kommt man damit theoretisch auf  14mH. Gemessen habe ich 18mH. Die beiden Kunststoffsscheiben für die Spalte hatten aber auch nicht ganz einen mm. Wenn man über eine Spaltvergrößerung jetzt die 10mH einstellt, kann man die Drossel ohne Induktivitätsverlust bis mindestens zu den eruierten 0,82 A betreiben. Für die meisten Versuchszwecke dürfte das reichen. Im Schwingkreis wird ohnehin ein vielfaches des Eingangsstromes fließen. Der steht sozusagen zum drahtlosen Absaugen bereit. Über die Drosseln wird nur nachgeliefert was im Schwingkreis an Verlusten ausgeglichen werden muss und was vom Schwingkreis ggf. extern abgesaugt wird.

Man kann übrigens relativ einfach nachmessen, bei welchem Strom eine Drossel in die Sättigung geht. Die Drossel muss dazu aber 2 Wicklungen haben. Die Arbeitswicklung speist man mit einer möglichst hochohmigen Gleichstromquelle. Ein Transistor mit regelbarem Widerstand an der Basis genügt da aber schon. An der anderen Wicklung misst man die Induktivität. Die geht drastisch herunter sobald man in der Arbeitswicklung in die Nähe des Sättigungsstromes kommt.

Ind_Platine.gif
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So sieht das Ganze dann aus:

 
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Bei den Z-Dioden habe ich die 10V-Typen gegen jeweils 2*5,1V in Reihe ersetzt, weil da die 1.3W-Typen bis 200mA belastbar sind.

Die ersten Tests habe ich mit einer Spule L3=20 Windungen CU/1.5mm² gemacht. Die Spule ist 5cm lang und hat einen Durchmesser von 2cm. C2 hat 0,66µF. Im Leelauf zieht die Schaltung bei 5V etwa 300mA und schwingt mit etwa 100kHz. Am Schwingkreis hat man etwa 22Vss. Wenn man einen 3mm Gewindestab in L3 schiebt steigt der Strom auf 550 mA. Der Stab erwärmt sich dann merklich. Für Eckis Versuch ist der Strom im Schwingkreis wahrscheinlich noch zu hoch. Aber da gibt es bestimmt noch Möglichkeiten den zu verringern.

Ind_Spice.zip
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Das ist meine persönliche Meinung dazu. Basierend auf einer nach bestem Wissen und Gewissen recherchierten Faktenlage.
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