Lol met Wireless Power Transfer
Het plannetje met de Sencys filament ledlamp die ik vorige blogpost uit elkaar heb gehaald, was om deze draadloos te laten oplichten. Er bestaan namelijk gadgets waarbij een zwevende ledlamp licht geeft. In theorie kan daar stiekem een batterijtje in verstopt zitten, maar dat is stukken minder leuk om na te maken. Een magneet laten zweven heb ik al eerder gedaan, dus deze blogpost richt zich op het draadloos voeden van de ledlamp.
Resultaat (klik voor groter, “hoover” voor bijschrift):
Daar is natuurlijk het een en ander aan vooraf gegaan, want niks werkt ooit in 1 keer. (En we staan allemaal op schouders van reuzen).
De simpele samenvatting van het proces dat tot bovenstaande foto’s geleid heeft is:
- Zie “zwevende lamp gadget”.
- Bedenk dat dat wel eens met Highly Resonant Wireless Power Transfer kan werken, waar je eerder mee gespeeld hebt.
- Merk bij demontage van een goedkope ledlamp met seriecondensatorvoeding, dat zo’n seriecondensatorvoeding zich eigenlijk prima leent om een spoel aan te hangen om zo een resonantiekring te maken.
- Hang er een spoel aan, meet de resonantiefrequentie, maak nog een 2e kring die op dezelfde frequentie resoneert, voed die met een functiegenerator, en probeer de spanning aan de ledlampkant op te jakkeren tot het ding licht geeft.
- Kom er vervolgens achter dat het knap lastig is die spanning te halen. Bedenk: “Goh, wellicht werkt het beter met méér wikkelingen aan de ledlampkant, dan heb ik minder fluxverandering nodig voor dezelfde spanning aldaar, en wordt het dus aan de generatorkant makkelijker.” Pak er bovendien de labvoeding en een fet bij, om niet beperkt te worden door de uitgangsstroom van de functiegenerator.
- Herhaal stap 4 met de nieuwe spoel.
- Succes!
Hieronder een paar foto’s van stap 2, want “spelen met wireless power transfer” is best lollig. Zo kun je bijvoorbeeld een LED laten oplichten op je inductiefornuis. Ook als de resonantiefrequentie van wat je gemaakt hebt flink afwijkt van de frequentie waarop het fornuis werkt, de LED heeft immers maar een paar milliwatt nodig om licht te geven, terwijl koken kilowatts nodig heeft… Er is dus ruime marge voor slechte koppeling (Dan blijft de LED tenminste ook heel…)
Een rode LED heeft een drempelspanning van rond de 2V, maar de filamenten in zo’n ledlamp bestaan uit een heleboel Leds in serie, en hebben een drempelspanning van zo’n 60V. In de sencsys ledlamp staan er 2 in serie, dus ergens rond de 120V zal ik toch wel nodig hebben om die te laten oplichten. Dat is andere koek dan fietslampjes…
Gelukkig, omdat de kring resoneert, kan de spanning flink opslingeren. Ik heb dus geen 120V voeding nodig.
Eerst maar eens oefenen met een neonlampje:
Dat werkt, al wordt de spoel erg warm. De efficiëntie zal dus vrij beroerd zijn. Maar, prima proof of concept. (Ik wist al dát het kon, maar het zelf voor elkaar krijgen is toch de eerstvolgende stap). (In het lasergesneden MDF kastje zit de andere spoel en een oscillator, ingesteld op ongeveer 68Khz – overeenkomstig met de resonantiefrequentie van de spoel bij het neonlampje met de gele 68 nF condensator – dat de getallen overeenkomen is puur toeval).
Daarna maar eens proberen met de ledlamp. Met 23 windingen werkt het niet, dan krijg ik de spanning (op het resonantiepunt) maar tot ongeveer 60V.
Dus dan maar “zo veel mogelijk, mik op minimaal 200” wikkelingen proberen, onder het mom van “met dezelfde fluxverandering, meer spanning”, en opnieuw bepaald wat daar de resonantiefrequentie van is.
Een printstift leek wel ongeveer een bruikbare diameter te hebben, een accuboor kan wel als aandrijving dienen van een geïmproviseerde wikkelaar (Omwentelingen tellen, maar er een beetje naast zitten is niet erg), en met plakband – of “een flexibele koppeling” volgens marketing – zijn die 2 aan elkaar te zetten:
Zo’n 270 omwentelingen later… (Nuja, een deel van de foto’s is met de spoel van 23 wikkelingen. Daarbij zijn wel de aansluitingen duidelijker zichtbaar, omdat het dikker draad is).
Daarna opnieuw de resonantiefrequentie bepaald. Dat gaat als volgt: Sluit een functiegenerator aan over de LC (parallel)kring, stel ‘m in op een sinus, amplitude niet heel belangrijk maar ongeveer 1 Vpp oid. Meet met de oscilloscoop (of AC voltmeter), varieer de frequentie, en zoek naar de maximum uitgangsspanning (exacte waarde niet belangrijk). Noteer de frequentie waarbij de spanning maximaal is. (Bij serie-resonantie: waarbij de spanning minimaal is).
Dat is met déze spoel en déze ledlamp toevallig 29 kHz. (Er is een bandbreedte van enkele kHz, 29 kHz is een onthoudbaar getal wat daarbinnen valt, niet het exacte midden.) Mocht je het nabouwen zul je zelf moeten meten, ook als je dezelfde ledlamp zou hebben, want je spoel is gegarandeerd anders. Al zit het waarschijnlijk in de buurt als je dezelfde diameter prittstift gebruikt en exact even veel omwentelingen mist met tot 270 tellen. (Het exact aantal wikkelingen is niet belangrijk, omdat de resonantiefrequentie de stap erna gemeten wordt. Het moeten er alleen niet te weinig zijn. En het is fijn boven de 20 kHz uit te komen omdat het anders hoorbaar wordt voor de jongeren onder ons)
Voor wie exacte getallen wil: Spoel 1 aan de generatorkant staat parallel met 520 nF foliecondensators, is ongeveer 48.6uH, binnendiameter 42 mm, weerstand 0.3 Ohm, Q van die kring is 29.5 Spoel 2 aan de ledlampkant staat in serie met ceramische condensators volgens het schema van de ledlamp, resulterend in 4.6nF omdat ze in serie staan. De spoel aan de ledlampkant heeft 270 wikkelingen (of iets meer dus), een binnendiameter van 26 mm, en een weerstand van 9.4 Ohm. Ondanks de hogere weerstand (langer en dunner draad dan de andere spoel) én de grotere verlieshoek van ceramische condensators, is de Q van deze kring beduidend hoger, namelijk 127. Dat is te danken aan de hogere inductiviteit van deze spoel: maar liefst 6.55 milliHenry. Zie ook bovenstaande foto.
Wie uit de Q de bandbreedte wil berekenen, moet er rekening mee houden dat de 29 kHz niet exact is, en bovendien niet in het midden ligt.
De voeding levert 12V, de Fet is een STP16NF06L (maar vooral omdat ik die had liggen, elke goede schakelfet zal voldoen), de opgenomen stroom is ongeveer 200mA als de ledlampspoel níet in de buurt is van de generatorspoel, en loopt op van 400mA tot ongeveer 1A als de ledlampspoel wél in de buurt is. (beiden afgelezen metertje van de voeding, en het is geen nette DC stroom, zie scopebeeld, dus neem dat met een korreltje zout).
Ook valt te experimenteren met de koppelfactor door een ferrietstaaf in de buurt van de spoelen te houden, of door beide spoelen te steken voor een betere koppeling. Daar heb ik een filmpje van gemaakt: https://www.youtube.com/watch?v=YMGsd-n59TY
Ik heb gebruik gemaakt van de informatie uit dit whitepaper voor dit project. Of eigenlijk de versie uit 2013 (De link verwijst naar de versie uit 2017, die liet zich anno bijna 2019 makkelijker vinden).
Vragen, opmerkingen, aanvullingen, gedachten, spelfouten en dergelijke zijn welkom als reactie!
