«Создание устройства для передачи электрической энергии без проводов в домашних условиях» (практико-ориентированный проект)

Выполнил: Мазур Даниил

«Создание устройства для  передачи электрической 

энергии без проводов в домашних условиях»

(практико-ориентированный проект)

Руководитель:  Доценко А. А.

Учитель физики

Страна: Россия, г. Новомосковск,

Тульской обл.

МБОУ «Гимназия № 13»

11 класс

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение                                                                                                           3
2. Теория                                                                                                                3  
3. Практическая часть                                                                                          4
4. Демонстрация передачи электрической энергии без проводов                          7
5. Заключение                                                                                                       7
6. Источники информации                                                                                  9

Актуальность исследования. За сравнительно короткий  исторический срок электричество стало неотъемлемой частью нашей жизни, верным помощником в хозяйственных делах и познании окружающего мира. И не приходится сомневаться, что дальнейшее развитие земной цивилизации не может обойтись без развития знаний об электричестве, его возможностях и способах передачи. Освоение электроэнергии продолжается  нарастающими темпами.

Даже после того как беспроводное подключение к Интернету стало обыденностью, передача энергии по воздуху по-прежнему воспринимается многими как волшебство. В течение последних нескольких лет в этом направлении велись активные исследования, и сейчас первые индуктивные зарядные устройства поступили в продажу.

Гипотеза: электрическую энергию можно передавать без проводов при помощи несложного устройства, которое можно сконструировать в домашних условиях.

Цель работы: исследовать возможность создания устройства для демонстрации передачи электрической энергии без проводов в домашних условиях.

Задачи:

• изучить устройства для передачи электрической энергии без проводов и возможность их создания в домашних условиях;
• собрать устройство для передачи энергии без проводов;
• изучить характеристики электромагнитного поля, создаваемого источником;
• исследовать зависимость эффективности передачи энергии от расстояния до источника, частоты излучения и площади поверхности проводника.

Теория.  Над  проблемой  передачи  электрической

Энергии  без  проводов  работал  знаменитый   сербский

изобретатель     Никола    Тесла.   Он    хотел   построить

мощную    установку    для    передачи  высокочастотной

электроэнергии без проводов на значительные расстояния

и  почти  без  потерь.  Известны  его   опыты  с  большим

высоковольтным       резонансным трансформатором в 1898 году. Очевидцы рассказывали о лампочках, горящих у него  в  руках без  электробатарей  и   генераторов  тока.

На сайтах в Интернете есть рекомендации по сборке трансформатора Тесла, но демонстрации с ним достаточно  опасны.

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных, резонансных колебаний, то при усилиях равных с принудительными колебаниями, максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Тесла - в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия - генератор. Их согласованность ("подталкивание" строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства). 

Трансформатор Тесла рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре. Разрядник включенный параллельно, замыкая источник питания (трансформатор), исключает его из контура, иначе источник питания вносит определенные потери в первичный контур и этим снижает его добротность. На практике это влияние может в разы уменьшить длину разряда, поэтому в грамотно построенной схеме трансформатора Тесла разрядник всегда ставится параллельно источнику питания.

Заряд конденсатора производится внешним источником высокого напряжения на базе повышающего низкочастотного трансформатора. Емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы вместе с индуктором она составляла резонансный контур с частотой резонанса равной ВВ контуру. Однако емкость будет отличаться от расчетной т.к. часть энергии тратится на "накачку" второго контура. Напряжение заряда ограничено напряжением пробоя разрядника, которое (в случае воздушного разрядника) можно регулировать, изменяя расстояние между электродами или их форму. Обычно напряжение заряда конденсатора лежит в диапазоне 2-20 кВ. Знак напряжения при заряде конденсатора имеет значение в том смысле, что он не должен сильно "закорачивать" конденсатор на котором напряжение постоянно меняет знак - Колебательный контур.

После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда (ионов). Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой через разрядник и в ней возникают высокочастотные колебания. Колебания постепенно затухают, в основном из-за потерь в разряднике и ухода электромагнитной энергии на вторичную катушку, и продолжаются

до тех  пор,    пока    ток    создаёт     достаточное  

количество   носителей  заряда для поддержания

напряжения   пробоя   разрядника   существенно  

меньшего,      чем       амплитуда       напряжения

колебаний     в     LC     контуре.  Во   вторичной

цепи      возникают     резонансные     колебания,  

что    приводит     к     появлению    на терминале

высокого напряжения. 

Неверно считать, что трансформатор Тесла

не имеет широкого  практического  применения.  Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Катушка зажигания в ДВС является разновидностью трансформатора Тесла.

Уже в наши дни сотрудник компании Intel Джошуа Смит и физик Массачусетского Технологического Института Марин Сольячич разработали уникальную на сегодняшний день систему передачи электроэнергии, основанную на феномене резонансной электромагнитной индукции.

Установка представляет собой две антенны (диаметр основной антенны составляет чуть более полуметра), выполненные из меди, одна из которых создает в пространстве около себя электромагнитное поле, индуцирующее переменный электрический ток в контуре второй антенны. В ходе демонстрации исследователи передавали электроэнергию, которой хватало для работы 60-ваттной лампочки, на расстояние от 0,6 до 1,0 метра. Довольно высок и коэффициент полезного действия – около 75%. В случае беспроводной передачи электроэнергии на расстояние до нескольких метров КПД установки заметно падает – до 50%. Но даже в этом случае установку можно использовать, например, для подзарядки аккумуляторов ноутбука, мобильного телефона, плеера и пр.

Принцип   работы   индуктивной

зарядки весьма прост и основывается на

явлении  электромагнитной   индукции.

Беспроводные     зарядные     устройства  

используют     дополнительный       блок

преобразования, аналогичный обычному    

трансформатору,    что       приводит      к  

некоторому    снижению  эффективности.

КПД этого блока, по данным разных производителей, колеблется от 50% до 90%.

Очевидно, что в ближайшее время все усилия исследователей сконцентрируются на решении следующих задач: повышении КПД устройств, увеличении количества передаваемой энергии и расстояния.

Наиболее простыми устройствами для передачи электрической энергии без проводов, которые можно создать в домашних условиях, являются генераторы электромагнитных колебаний – качер Бровина и высокочастотный источник питания, изготовленный на основе трансформатора строчной развёртки, на микросхеме NE 555. 

Практическая часть

На  сайтах в  Интернете  можно найти разные варианты изготовления источников     высокой     частоты    и напряжения  [7, 8, 9, 10, 11].

Нами  была  выбрана  и  усовершенствована    одна   из   схем строчника      на  555 таймере (http://stalin.flyback.org.ru/555.htm).

В данную схему,  были внесены некоторые изменения: поставлены два предохранителя, чтобы в случае короткого замыкания ни один элемент устройства не пострадал; поставлен конденсатор (С1) большей ёмкости; добавлен выключатель; добавлен светодиод; поставлен R2 с меньшим сопротивлением и переменное сопротивление R2', что позволило увеличить частоту с 3-100 кГц  до 70-138 кГц (для расчёта частоты, получаемой на выходе микросхемы NE555, использовалась специальная программа Electro Droid) и плавно её изменять; поставлено 2 транзистора, чтобы увеличить мощность и уменьшить нагрев.

Устройство высокочастотного источника питания, изготовленного на основе трансформатора строчной развёртки, на микросхеме NE 555

Обозначения элементов на схеме и их характеристики: N1 и N2 – предохранители (0,5 А); T1 – трансформатор ТН 51-127/220-50  (16 В, 4,7 А); D1 – диодный мост КВРС2510 (25 А, 50 В); С1 – полярный конденсатор (25В, 22000 мкФ); S1 – выключатель; LED – светодиод; R LED – резистор для светодиода; R1 – резистор (470 Ом); R2 – резистор (100 Ом); R2’ – переменный резистор (от 0 до 1 кОм); R3 – резистор (50 Ом); C2 – неполярный конденсатор (0,01 мкФ); C3 – неполярный конденсатор (1 нФ); два транзистора IRFP250; микросхема NE555; ТВС – трансформатор выходной строчный.

        Блок питания выполнен по стандартной схеме на мощном диодном мосте VD1-VD4. Он устанавливается на небольшом радиаторе с площадью поверхности около 100 см2. Конденсатор фильтра C1 должен иметь ёмкость не менее 10000 мкФ, чем больше, тем лучше, т.к. он сглаживает колебания тока и обеспечивает стабильность выходного напряжения. Частоту генератора на полевом транзисторе можно менять, при помощи переменного сопротивления R2' (чем меньше его сопротивление, тем выше частота). Транзистор очень сильно нагревается во время работы. Поэтому был поставлен параллельно ему второй транзистор на хороший радиатор, при этом возросла выходная мощность ТВС.  Микросхема и резисторы R1, R2, R3 монтируются на монтажной плате. Нельзя допускать, чтобы высоковольтные провода от ТВС касались низковольтной части, т.к. их может пробить и микросхема сгорит.

Переменное сетевое напряжение (220 В, 50 Гц) подается через предохранители (N1 и N2) на понижающий трансформатор (T1), потом пониженное переменное напряжение выпрямляется диодным мостом (D1). Полярным конденсатором (С1) ток сглаживается и проходит через выключатель (S1).  Индикатором работы устройства является светодиод (LED). Далее напряжение подаётся на микросхему (NE555). Неполярный конденсатор (C2), два постоянных резистора (R1 и R2) и один переменный (R2’). Два транзистора IRFP250 усиливают переменное напряжение, идущее с микросхемы. ТВС повышает напряжение до 2 кВ.

Результаты измерений и выводы:

Для наблюдения свечения лампы частота электромагнитного поля должна быть достаточно большой.

Результаты работы:

• Изготовлен высокочастотный источник высокого напряжения на основе трансформатора строчной развёртки на микросхеме NE 555 с выходным напряжением до 2 кВ и частотой от 70 до 138 кГц.
• Продемонстрировано свечение люминесцентной и  энергосберегающей лампы при беспроводной подаче энергии.

Задачи на следующий год

• Изучить характеристики магнитного поля, генерируемого установкой.
• Исследовать зависимость эффективности передачи энергии от расстояния до источника, частоты излучения и площади поверхности проводника.

Данный прибор может быть использован для демонстрации

беспроводной передачи энергии на уроках физики.

Источники информации

1. http://www.ng.ru/energy/2008-02-12/23_peredacha.html
2. http://nepoznannoe.org/HTM/tesla.htm
3. http://ntesla.at.ua/publ/2-1-0-80
4. http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9710.html
5. http://www.3dnews.ru/news
6. http://itc.ua/
7. http://candlepowerforums.ru/viewtopic.php?f=33&t=821  
8. http://radiomaster.org/projects/tesla_coil/55-preobrazovatel-na-strochnike.html
9. http://tcz.narod.ru/tvs2.html - схема 3
10. http://ramzess.ru/vysokovoltnaya-igrushka-na-strochnike-tvs-110l/  
11. http://stalin.flyback.org.ru/555.htm
12. http://uchkol.ru/catalog.htm?gid=6326
13. http://www.energodetal.ru/eksperimentalnye-istochniki-elektroenergii/peredacha-elektroenergii-bez-provodov/peredacha-elektroenergii-bez-provodov/
14. http://tesla.zabotavdome.ru/mains

Физический энциклопедический словарь. Том 1, 4. «Советская энциклопедия». М.: 1965.