Spulen für induktive Stromübertragung

[Cysign]

Hallo zusammen,

mir geht grade wirres Zeug durch den Kopf und ich frage mich daher, welche Spulengröße man bräuchte, um z.B. Qi-mäßig LEDs per Induktion zu betreiben.
Ich weiß zwar noch nicht, was man damit anfangen können soll, jedoch hab ich grade halbierte Tischtennisbälle im Kopf, die auf einer kleinen Platine mit Spule montiert sind und von mit 3-5 LEDs beleuchtet werden, wenn man sie auf eine bestimmte Position auf einem präparierten Tisch stellt.

Ist sowas überhaupt in der Größe realisierbar?
Wenn ich an die Qi-Empfängerspule aus meinem Galaxy S4 denke, ist diese doch schon relativ groß.
Und weiterhin stellt sich dann auch die Frage, ob die übertragende Spule wesentlich größer sein kann/sollte, damit man die Empfänger-Bälle nicht so präzise positionieren muss.
Ich find die Idee irgendwie verrückt genug, um micht da mit den passenden Suchbegriffen etwas einzulesen.
Und wenn ich mich nicht irre, habe ich noch nen Qi-Sender und so ne Empfängerfolie hier irgendwo rumliegen, womit ich etwas spielen könnte.

[PICture]

Hallo!

Ich habe mich damit nur kurz beschäftigt und festgestellt, dass es sehr uneffektiv wegen geringem Wirkungsgrad um ein paar % ist: https://www.roboternetz.de/community/threads/47901-Solar-oder-induktiv-(Solarzahnbürste-fertig)? . ;)

[Cysign]

Sonderlich effizient muss es ja gar nicht sein. Man könnte ja auch Low-Current-LEDs nehmen, dann wären weniger als 10mA schon ausreichend.
Beim Laden des Smartphones/Tablets werden mit der größen Spule ca. 500-600mA bei 5V übertragen. Ich hab leider überhaupt keinen Anhaltspunkt, wie ich auf die Effizienz einer solchen Spule kommen soll, bzw. was ich beachten muss, um selbst eine solche Spule zu wickeln.

[cavy]

Ich vermute, dass zwei Faktoren wichtiger sind, als die Art der Wicklungen:


1) Die Frequenz. Speziell bei kleiner Bauweise ist der Wirkungsgrad bei 50Hz wahrscheinlich zu klein, hier wäre eine Art Schaltnetzteil mit höheren Frequenzen effektiver.
2) Form und Material des Kerns. Wenn es gelingt den Magnetfluss zwischen den beiden Spulen zu verbessern, indem sich Ferritkerne mit möglichst kleinem Spalt gegenüberliegen, verbessert sich die Energieübertragung massiv.

Ich habe allerdings keine praktische Erfahrung, mit solchen Konstruktionen.

[Cysign]

Stimmt, über Ferritkerne hatte ich auch mal was gelesen. Aber gabs da neulich nicht sogar ne Entdeckung, dass Kerne aus irgendwas anderem als Ferrit (ich kann mich grade nicht richtig erinnern) für ne noch bessere Übertragung sorgen? Ich meine, das hätte ich im Zusammenhang mit dem induktiven Laden von Fahrzeugen gelesen.

50 Hz sind schon sehr gering. Wenn ich von einem Tisch - oder sagen wir lieber von einer Holzplatte - ausgehe, kann ich da ja Löcher in der von mir gewünschten Form (Durchmesser/Tiefe) reinbohren und platzieren was ich möchte.
Zur Versorgung kann ich ja einen µC nehmen, der in beliebiger Frequenz per einstellbarer Soft-PWM über eine Transistorschaltung die Spule anregt.

Ich male mir grade in meinem Kopf aus, was man sinnvolles damit anstellen könnte. Vielleicht eine Art Brettspiel oder in ner Kneipe den Ball auf das "Ich will bestellen" oder "Ich will zahlen"-Feld rücken, womit man dem Kellner optisch signalisiert, dass er benötigt wird...

[WL]

Stichwort ist:
Royer-Converter

[i_make_it]

Zur Versorgung kann ich ja einen µC nehmen, der in beliebiger Frequenz per einstellbarer Soft-PWM über eine Transistorschaltung die Spule anregt.


Hm... eher in zur Spule passenden Frequenz, Außer du möchtest nur den Tisch erwärmen.
Bei Spulen gibt es so was wie Induktivität und Resonanzfrequenzen die die Frequenz eigentlich genau festlegen.
Da Du ja grade keinen gemeinsamen Eisenkern hast (Wie bei einem normalem Transformator) wird das mit zunehmender Entfernung schnell zur entscheidenten Größe um überhaupt noch Energie zu übertragen.
Übrigens ist Deutschland eines der wenigen Länder wo der Betrieb von ELF Sendern auch reglementiert ist. Also darf man da nicht zu viel Energie abstrahlen. Und die EMV Richtlinien gelten ja sowieso und überhaupt.

Günter Wahl hatte mal in einem seiner Bücher über Minispione was drin wie man die Richtwirkung von Ferritkernantennen verbessert in dem man 2 Stück achsial hintereinander schaltet und auf der einen Seite quer dazu noch eine um das Magnetfeld auf die andere Seite zu verdrängen. Ich weis leider nicht mehr in welchem Band das ist und welche Leistung da möglich ist, Da das dort ja eigentlich nur zur Signal- und nicht zur Energieübertragung gedacht war.

Generell könnte es aber hilfreich sein sich mal mit ELF zu befassen, Da gibt es zumindest ein paar Stichworte die ggf. weiterhelfen können.
Generell ist der Wirkungsgrad aber recht bescheiden.
Schaltnetzteil mit höheren Frequenzen, hat den Nachteil, das man neben der Induktion auch noch anfängt in ULF (0,3-3kHz) oder VLF 3kHz-30kHz) zu senden.
Und wie bei einem Schaltnetzteil ein Metallgehäuse drum rum machen geht ja grade nicht.

Also beim Kreativprozess immer diese Spaßbremsen im Hinterkopf behalten damit nicht irgendwann ein Messwagen vor der Tür steht und die ungeplanten "Nebenkosten" des Projekts durch die Decke gehen, nur weil ein Nachbar sich über irgendwelche Störungen beschwert hat.
In einer Etagenwohnung, kann der Störabstand schon mal unter 2 Meter sein, wenn der Nachbar ein Gerät (Antenne eines Gerätes) oben auf dem Schrank stehen hat. (genau unter dem eigenen Laborplatz wo man seinen Testaufbau in Betrieb nimmt)

(Für manche Projekte wäre ein Wohnsitz im australischen Outback nützlich, Aber ob da Amazon und Co auch die Teilebestellungen hinliefern?)

[Holomino]

(Für manche Projekte wäre ein Wohnsitz im australischen Outback nützlich, Aber ob da Amazon und Co auch die Teilebestellungen hinliefern?)
Kein Problem, das machen die per Postflugzeug. :p

Allerdings kann man einen Royer-Konverter ohne Probleme unter die 100kHz-Grenze drücken (darunter senden nur noch U-Boote, die sind genauso weit weg, wie das Outback). Und der produziert auch üblicherweise keine Oberwellen (ist ein reiner Sinus).

Theoretisch müsste die Schaltungsvariante aus dem Microcontroller.net (http://www.mikrocontroller.net/articles/Royer_Converter) mit den Mosfets (ohne Messspule im Primärkreis) interessant werden, wenn mehrere Übertragungspunkte auf dem Tisch durch in Reihe schalten mehrerer Primärspulen erreicht werden sollen. Dann sollte es auch mit nur einer Elektronik funzen.

[Cysign]

Oh...der positive Nebeneffekt beim Messwagen wäre, dass dir mir dann gleich auch sagen können, mit welcher Leistung ich auf welcher Frequenz sende :D

Das mit dem beliebig änderbaren Impuls per Soft-PWM war darauf bezogen, die ideale Frequenz zu finden. Aber ich glaube, ich sollte mich da eirlich etwas einlesen, bevor ich anfange zu basteln - guter Hinweis! ;)
Gibts denn so ne Art Mini-Messempfänger, der mir sagt "Juneg, auf deinem Schreibtisch strahlts aber ganz ordentlich"? So zur Kontrolle, dass ich keinen Mist mache?


Aber die Beispielschaltung von Mikrokontroller.net ist auf jeden Fall im unkritischen Bereich? Dann würde ich die erstmal für erste Gehversuche nachbauen ;)

[Klebwax]

Schaltnetzteil mit höheren Frequenzen, hat den Nachteil, das man neben der Induktion auch noch anfängt in ULF (0,3-3kHz) oder VLF 3kHz-30kHz) zu senden.

Eine Spule, die mit ein paar 10 kHz betrieben wird, macht nocht lange keinen Sender. Sie ist dazu viel zu klein. Er wenn die metallische Struktur so bis auf eine Größenordnung an die Wellenlänge herankommt, entsteht eine Raumwelle und die Anordnung wird zum Sender. Nicht umsonst haben Mittelwellensender schon 100 und mehr Meter lange Antennen. Und Ubote schleppen, wenn sie mal auf Längstwellen Senden oder Emfangen wollen, eine kilometerlange Antenne. Von den Gegenstellen an Land will ich garnicht reden.

Das mit dem Nachbar wird auch kein Problem, der feuert mit seinem Induktionsherd im 50kHz bis 70kHz Bereich und 1,5kW zurück. Und vor lauter Induktionsherden, aufladbaren Aldi-Taschenlampen und Zahnbürsten würde auch der Messwagen nichts finden. Den DCF77 Sender, der mit einer großen Antenne ausgestattet ist, würde er aber schon entdecken, weil der wirklich sendet.

Aber zur ürsprünglichen Frage. Es gab schon mehrmals beim Aldi kontaktlos aufladbare Taschenlampen. Der Lader wird in die Steckdose gesteckt und in sein ringförmiges Gehäuse dann die Lampe. Aus dem Gewicht würde ich schließen, daß da einfache Luftspulen drin sind. Ich bin aber noch nicht dazu gekommen, das genauer zu untersuchen. Die Größe eines Tischtennisballs könnte gut passen.

MfG Klebwax

[i_make_it]

Eine Spule, die mit ein paar 10 kHz betrieben wird, macht nocht lange keinen Sender. Sie ist dazu viel zu klein. Er wenn die metallische Struktur so bis auf eine Größenordnung an die Wellenlänge herankommt, entsteht eine Raumwelle und die Anordnung wird zum Sender.


Ich habe da so grob im Hinterkopf:
Spule = magnetischer Dipol und
und für die gilt l<λ/10 funktioniert.
Natürlich sollte man mindestens λ/2 bei Sendern und λ/4 bei Empfangsantennen haben um einen Antennengewinn zu haben, aber man kennt das ja das gewünschte Ergebniss findet sich nur ein wenn alle Parameter genau stimmen. Dem Fehler reicht schon ein einziger halbwegs passender Wert.

Da ich mich schon in beiden von mir beschriebenen Situationen befunden habe (Bastler und durch Störung betroffener), und auch meine Selbstbauten kein CE Zeichen haben, weis ich daß das Argument daß der Herd (mit CE Zeichen) doch viel stärker strahlt nicht zählt. In Deutschland müssen Gesetze und Verordnungen nicht logisch oder sinnvoll sein, sie müssen nur irgendwo geschrieben stehen damit man sich damit rumärgern muß.

Wenn man genung Platz hat und es eine ortsfeste Installation ist, kann man sich auch mal mit einem Helmholtz Spulenpaar auseineandersetzen. Da ist zwichen den Spulen zumindest an jedem Ort das Magnetfeld homogen. Bei einem Abstand Tisch zu Zimmerdecke von 1,5m müsste dann allerdings auch der Tisch 3m Durchmesser haben und beide Spulen müssen die selbe Achse haben.

An sonsten mal nach "Saugkreis" suchen: https://de.wikipedia.org/wiki/Saugkreis
Der ist als Empfängerseite genau für solche Energieübertragung gedacht (jeder RFID Tag gat das drin).

[Klebwax]

Ich habe da so grob im Hinterkopf:
Spule = magnetischer Dipol und und für die gilt l<λ/10 funktioniert.
Magnetischer Dipol ist schon richtig, aber der allein erzeugt nur ein Magnetfeld aber keine elektromagnetische Welle (https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle). Dieses elektrische Feld ensteht, wenn während einer Schwingung durch die Länge des Leiters und die Lichtgeschwindigkeit eine Potentialdifferenz im Leiter entsteht. Außerdem dürfen die Stellen des Leiters mit unterschiedlichem Potential nicht zu dicht beieinader liegen, das elektrische Feld würde sich sonst aufheben. Es ist dabei egal, ob man mit einem kleinen Schwingkreis und einer großen Antenne oder einer großen Spule arbeitet.


Natürlich sollte man mindestens λ/2 bei Sendern und λ/4 bei Empfangsantennen haben um einen Antennengewinn zu haben, aber man kennt das ja das gewünschte Ergebniss findet sich nur ein wenn alle Parameter genau stimmen. Dem Fehler reicht schon ein einziger halbwegs passender Wert.

Es geht nicht um irgendeinen Gewinn, sondern um das Entstehen einer Welle überhaupt.


Da ich mich schon in beiden von mir beschriebenen Situationen befunden habe (Bastler und durch Störung betroffener), und auch meine Selbstbauten kein CE Zeichen haben, weis ich daß das Argument daß der Herd (mit CE Zeichen) doch viel stärker strahlt nicht zählt. In Deutschland müssen Gesetze und Verordnungen nicht logisch oder sinnvoll sein, sie müssen nur irgendwo geschrieben stehen damit man sich damit rumärgern muß.

Darum geht es nicht. Ein Herd strahlt höchsten Wärme aus. Was aber passieren kann, ist das er das Stromnetz als Antenne nutzt. Es ist ja lang genug. Dagegen helfen relativ einfache Filter an der richtigen Stelle und ein geschickter Aufbau. Und das wird auch nachgemessen.

Drahtlose Energieübertragung basiert rein auf magnetischer Kopplung, im Prinzip ein Trafo mit Luftspulen. EM Wellen kommen da nicht vor. Das gilt enbenso für RFID mit niedrigen Frequenzen.

MfG Klebwax

[i_make_it]

Drahtlose Energieübertragung basiert rein auf magnetischer Kopplung, im Prinzip ein Trafo mit Luftspulen. EM Wellen kommen da nicht vor. Das gilt enbenso für RFID mit niedrigen Frequenzen.


Das lasse ich so jetzt mal nicht stehen.
In der Praxis wird wegen dem geringen Wirkungsgrad von deutlich unter 1% durch die Freiraumdämpfung die Energieübertragung im Fernfeld zwar nur in Sonderfällen (meist bei passiven Telemetrie oder Abhöreinrichtungen) eingesetzt, aber physikalisch und technisch ist die Energieübertragung mit EM halt doch möglich.

Um beim Thema zu bleiben: ausgehend von den Tischtennisbällen, einen passenden Saugskreis in so eine TT-Ball und eine große Luftspule unter den Tisch.
Oder WLAN:
http://www.golem.de/news/energy-harvesting-modifizierter-wlan-router-versorgt-sensoren-mit-strom-1506-114493.html

[Cysign]

Das mit dem Router ist ja mal interessant. Dadurch, dass das Teil eh imemr an ist, dürfte der Mehrverbrauch auch in einem ökonomischen Verhältnis zu den drum herum geladenen Geräten stehen. Aber bis sowas dann mal marktreif ist...
Ich denke, als Anfänger bzgl. dieses Themas sollte ich mit sowas nicht rumspielen ;)

[i_make_it]

Das mit dem WLAN ist halt Energieübertragung mit EM, gibt es, aber der Wirkungsgrad ist wie ich oben schon schrieb, mehr als bescheiden. Die Idee kam den Forschern wohl nur, da zum einen in USA deutlich schlechtere EMV und Elektrosmog Verordnungen gelten, und wenn man die Menschen eh schon permanent Mikrowellen aussetzt, kann man ja auch noch ein paar smart Home Sensoren mit betreiben.

Goggle mal die Wellenlänge von Küchenmikrowellen und die von WLAN.
Die Feldstärke ist zwar nicht hoch aber halt oft 7*24 da.
Vom Aufwand ist ÄInduktion auch einfacher und gün stiger zu realisieren.

[Klebwax]

Das lasse ich so jetzt mal nicht stehen.
In der Praxis wird wegen dem geringen Wirkungsgrad von deutlich unter 1% durch die Freiraumdämpfung die Energieübertragung im Fernfeld zwar nur in Sonderfällen (meist bei passiven Telemetrie oder Abhöreinrichtungen) eingesetzt, aber physikalisch und technisch ist die Energieübertragung mit EM halt doch möglich.

Ok, ich hätte besser formulieren sollen "praktische Energieübertragung". Daß man im Nahfeld von großen Rundfunksendern eine Leuchtstofflampe zum Leuchten bringt, ist bekannt. Und mit einem Detektorempfänger und einem empfindlichen Kopfhörer kann ich Radio ohne lokale Energiequelle hören. Praktisch verwendbar ist das, außer beim Detektor, eigentlich nicht.


Die Idee kam den Forschern wohl nur, da zum einen in USA deutlich schlechtere EMV und Elektrosmog Verordnungen gelten ....

Wie kommst du auf dies schmale Brett? Die FCC Regeln sind genauso scharf, wie die in der EU. Und die Grenzwerte sind fast die gleichen, höchstens bei den Eckfrequenzen gibt es kleinere Abweichungen. Die Verwaltungsvorschriften dazu sind wesentlich komplexer und die Strafen in Amerika sind viel höher. Wer eine FCC Zulassung hat, hat technisch CE fast schon fertig.

Aus der WLAN Geschichte wird nichts werden, wie ja auch aus ihrer vorigen Idee "das System Ambient Backscatter" nichts praktisches geworden ist. Die maximalen Sendeleistungen, die bei WLAN erlaubt sind, sind viel zu klein. Da bringt eine Knopfzelle selbst jahrelang mehr.

Aber induktiv geht schon was.

30945

Da ich keinen Tischtennisball zur Hand hatte, ist die Kapsel aus einem Ü-Ei mit auf dem Bild. Auf Grund des Gewichtes ist da auch nicht viel Ferrite mit im Spiel. Zum Experimentieren ist das schon mal eine Basis. Ohne wirklich lange Antenne wird das auch kein Sender. Und wenn man dem Netzfilter in seinem Labornetzteil nicht traut, betreibt man während der Entwicklung den Transmitter mit Batterien oder Akkus.

MfG Klebwax

[i_make_it]

Wie kommst du auf dies schmale Brett? Die FCC Regeln sind genauso scharf, wie die in der EU. Und die Grenzwerte sind fast die gleichen, höchstens bei den Eckfrequenzen gibt es kleinere Abweichungen. Die Verwaltungsvorschriften dazu sind wesentlich komplexer und die Strafen in Amerika sind viel höher. Wer eine FCC Zulassung hat, hat technisch CE fast schon fertig.


Nur aus meiner Erfahrung mit eingeflogenen Netzwerkern aus USA bzw. wenn ich was dort zu tun hatte.
Die wollen alle immer UTP verlegen (ist ja billiger als STP) oder dann gleich alles in Fiber machen wenn es Störungen gibt.
Als AFN noch von Oberursel aus sendete, gabs da so manchen Aha Effekt bei der Infrastrukturverkabelung zwichen UTP mit AFN Störung und STP ohne Störung.
Da mich beruflich nur der bereich Netzwerk verkabelung und Maschinen/Anlagenverkabelung (24VDC bis 400VAC) interessiert, habe ich mir auch nur dort die Unterschiede angesehen. Und die sind halt da. Also entweder hällt sich in Fabriken und Bürogebäuden keiner an die FCC Vorgaben. (alle Komponenten sind ja geprüft, da wird der Gesamtaufbau keine Prüfung und Abnahme mehr brauchen) oder in diesen beiden Bereichen sind die großen Unterschiede.

Das man, auch wenn in den Vorgaben explizit ein TN-S steht, immer prüfen muß ob die Elektriker nicht doch TN-C oder TN-C-S installiert haben, bin ich allerdings auch aus Deutschland gewohnt.
Wobei die Firmen die paar € die sie beim Kupfer eingespaart haben, dann ja zigfach drauflegen wenn sie alles nachbessern dürfen und Pönale wegen Terminüberziehung zahlen dürfen.