CARGADOR ELECTRICO
INALÁMBRICO
Wi-Tricidad
EQUIPO:
OLIVIA ESPERANZA MENDEZ MIRANDA 090291 ROBERTO CARLOS VITE CHÁVEZ 110650
Fundamento
Los cargadores inalámbricos o inductivos hacen uso de la inducción electromagnética para cargar las baterías. Una estación de carga envía energía electromagnética por acoplamiento inductivo a un aparato eléctrico, el cual almacena esta energía en las baterías. La carga se consigue sin que exista contacto físico entre el cargador y la batería. Es el sistema de carga más utilizado en cepillos de dientes eléctricos; debido a que no existe contacto eléctrico no hay peligro de electrocución. Cada inductancia está referida al campo magnético generado uno.
INTRODUCCION
El sistema se basa en la llamada resonancia eléctrica, fenómeno que se produce al coincidir la frecuencia propia de un circuito con la frecuencia de una excitación externa. Según el director de esta primera investigación, el físico del Instituto Tecnológico de Massachussets MIT, Marin Soljacic, dos objetos resonantes en una misma frecuencia tienden a acoplarse entre sí con mucha fuerza.
Hasta ahora, los sistemas que usan radiación electromagnética -como las antenas de radio- no han servido para la transferencia eficaz de energía porque la esparcen en todas direcciones, desperdiciando grandes cantidades en el espacio.
Para solucionar el problema, los científicos investigaron una clase especial de objetos "no radioactivos", con las llamadas "resonancias de larga vida". Cuando se aplica energía a estos objetos, ésta permanece ligada a ellos y no se escapa al espacio, así la energía pasa
desde el emisor al receptor como a través de un túnel.
En el siguiente reporte se mostrara el proyecto final de la materia de Electromagnetismo. Esto corresponderá el cargador inalámbrico basado en los estudios del modelo de inducción y resonancia hecho en 1899 por Nicola Tesla científico inmigrante y mejorado en junio del 2007 por investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Para poder desarrollar el cargador inalámbrico; se realizara la interacción de los campos magnético a una bobina que genera una frecuencia alta para mejor resultados y la otra bobina es afectada por el campo magnético creando un voltaje
MARCO TEÓRICO
Campo magnético
Un campo que ejerce fuerzas (denominadas magnéticas) sobre los materiales. Al igual que el campo eléctrico también es un campo vectorial, pero que no produce ningún efecto sobre cargas en reposo (como sí lo hace el campo eléctrico en dónde las acelera a través de la fuerza eléctrica). Sin embargo el campo magnético tiene influencia sobre cargas eléctricas en movimiento.
El campo magnético es una magnitud vectorial (tiene intensidad, dirección y sentido) y se representa con la letra B (con una flechita arriba*).
El campo se puede representar con un dibujo y el dibujo se llama espectro, y se realiza con líneas curvas llamadas líneas de campo.
Figura 1 La Inducción electromagnética
Descubierta por Faraday, es un fenómeno que refleja la íntima relación entre la electricidad y el magnetismo.
Supongamos que tenemos un cable conductor por el que hacemos pasar una corriente eléctrica (vamos, que lo enchufamos a un generador eléctrico). Debido al paso de cargas en movimiento se crea alrededor de dicho cable un campo magnético que inunda todo el espacio próximo. Si en lugar de un cable recto tenemos un cable arrollado muchas veces - es decir, una bobina - el campo magnético creado será más intenso y más cuanto más vueltas tenga el cable. Esta es la que vamos a denominar “bobina primaria”. Supongamos, además, que la corriente eléctrica que hacemos pasar a través de esta bobina primaria es corriente alterna. En este caso, el campo magnético que se genera es además variable en el tiempo y viene caracterizado por una determinada frecuencia.
Figura 2 La resonancia
La resonancia es un fenómeno físico que se produce en muchos sistemas diferentes y que se caracteriza por una transferencia de energía muy efectiva entre un sistema y otro. Este fenómeno, conocido como acoplamiento magnético resonante es, en general, el sistema utilizado por varias de las empresas que actualmente comercializan electricidad inalámbrica. En el caso ideal, bastaría comprar un generador de Witricidad – la bobina primaria – enchufarlo a la red eléctrica y dispondríamos de energía eléctrica inalámbrica para todos nuestros dispositivos electrónicos del hogar y de la oficina, de una manera limpia y segura, ya que el campo magnético generado apenas interacciona con el organismo, y no se ve afectado por ningún obstáculo que se interponga en su camino.
Figura 3
Transistor: es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para producir una señal de salida en respuesta a otra señal de entrada. 1 Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
Figura 4 Capacitor: Figura 5 Resistencia: Figura 6 Fuente: Figura 7
Bobinas (realizadas mediante cálculos): En un sistema electrónico puede servir para muchas cosas: Como primario o secundario de un transformador, como componente de un circuito oscilador, como choque de filtro, como electroimán en un relay, como inductor en un motor, como captador de pulsos.
Todo depende cual es la función y el diseño del "sistema electrónico" del que se trate.
Una bobina es alambre esmaltado enrollado alrededor de un trozo de hierro (núcleo).
Su característica principal es que transforma la corriente que circula por ella en campo magnético.
Su uso más conocido es el siguiente: Un imán tiene campo magnético permanente, pero una bobina por la que circula corriente, genera un campo magnético temporal. Inversamente, si a una bobina se le aplica un campo magnético genera corriente, convirtiéndose en generador.
Iodo:
DESARROLLO
PRIMERA FASE
En la primera fase del desarrollo del cargador primero se tuvo que realizar una extensa búsqueda de los fundamentos de los circuitos en los que se basa nuestro cargador inalámbrico.
Era preciso conocer la dinámica en como trabaja la inducción electromagnética, ya que
Ya teniendo el diseño que requeríamos, se realizó la búsqueda de los materiales que se utilizarían ya que algo muy importante en el desarrollo de un circuito, es que los componentes de este sean costeables y se encuentren al alcance de nuestras manos.
El circuito en general, lo que hará será generar una corriente inducida que pasara por una bobina generada con el alambre, el cuál mediante el efecto de la resonancia eléctrica, generará un campo eléctrico el cual podrá servir como una fuente de alimentación.
Figura 8 Materiales Vo 3…6 V 9…10 V 10…15 V R1 4,7..5, 6K 10..15k 15..22k C1 1nF 470pF 470pF C2 - 470pF 1nF C3…C 5 3,9…4,7nF C4…C 6 100…470nF TI BD137 BD139 D1 1N4148, BAT46 Tabla 1 Figura 9 Última Fase
Teniendo el diseño definido, empezamos a armar el primer circuito que actuara como el receptor.
Figura 10
Después se arma el segundo circuito que actuara como el oscilador.
Figura 11
En la siguiente imagen se pude observar que ya están los dos circuitos armados en el protoboard.
Figura 12
Aquí se pude ver nuestro cable esmaltado para poder realizar las bobinas. El cable esmaltado es uno de los mejores conductores más accesibles y baratos que se pueden encontrar.
Figura 13
DISEÑO EN UN SOFTWARE
El PCB (Printed Circuit Board) es una placa fenólica diseñada y personalizada para llevar acabo nuestro proyecto, el PCB se generó en un software llamado “PCB Wizard”.
Este es el diseño del circuito que actúa como oscilador para nuestra placa.
Figura 14
Este siguiente diseño es del circuito dos, que es el que será el receptor.
Figura 15 CÁLCULOS
Para poder calcular la inductancia de nuestras bobinas se utilizó la fórmula de Inductancia en una espira circular, la cual es la siguiente.
𝐿 = (µ𝑜𝑙 2𝜋) ( 𝑙𝑛 4𝑙 𝑑 − 2.45) L = (2π)(ρo) En donde: l es la longitud de la bobina. D es el diámetro del cable (calibre). Ρo → Es el radio de la bobina
Sustituyendo en la fórmula tenemos que: 𝐿 = ((4πE − 7)(. 0295)(2π) 2π ) ( ln 4(. 0295)(2π) . 000405 − 2.45)
Para determinar el campo magnético que es emitido por la bobina primero se debe calcular la densidad de campo magnético, el cual, es el número de líneas de flujo que
perpendicular, en esa región.
La densidad de campo magnético está dada por:
H
B
0B = (µo)(n)(I)
A partir de ella podemos calcular el campo magnético producido por la bobina.
A su vez, también entra el término de flujo magnético, éste se refiere a la capacidad de transmitir voltaje de una bobina a otra a partir del campo magnético, este campo nos ayudara a traspasar voltaje de una bobina a otra, pero esta capacidad de transferir está directamente proporcional a la permitividad que tengan en el medio, que tan fácil es para las líneas de flujo magnético pasar por un área.
El flujo magnético a través de una superficie S está dado por
SBdSLa línea de flujo magnético es la trayectoria a la que el campo magnatico es tangencial en cualquier punto de éste.
Debido a que necesitaremos la densidad de campo magnético para calcular el campo magnético utilizaremos la segunda fórmula mencionada.
En ésta “I” es la corriente que circula por la bonina, la cual es medida con ayuda de un multímetro.
Para poder aplicar esta fórmula es necesario conocer n (es el número de vueltas por unidad de longitud) se calcula de la siguiente manera
𝑛 =𝑁 𝑙
En donde:
N es el número de vueltas de la bobina l la longitud de la bobina.
Sustituyendo obtenemos n: 𝑛 = 40
. 01 Obtenemos n = 400.
A partir de ahí, obtenemos la densidad de flujo magnético, la cual está dada por:
𝐵 = (µ𝑜)(𝑛)(𝐼) Sustituyendo obtenemos
𝐵 = (4πE − 7)(500)(46.3𝐸 − 3) B= .232 µWb/m2
Figura 1
Ahora se prosigue a calcular el campo magnético que es producido por la bobina primaria, el cual es:
𝐻 = 𝐵 µ𝑜
Sustituyendo tenemos: 𝐻 = . 232 𝐸 − 6
4𝜋𝐸 − 7
Obteniendo así un campo magnético de .1847 A/m
RESULTADOS
En la imagen podemos observar el último circuito el cual está conformado por una bobina secundaria con sus capacitores y un diodo y después al led a la batería del celular.
Figura 17
En la siguiente imagen se puede observar el Circuito con la bobina primaria conectada en el protoboard, para así poder inducir un campo electromagnético de la bobina principal a la bobina secundaria.
Y cuando llega a la bobina secundaria empieza a cargar a los capacitores y llega al diodo para poder rectificar la señal que llega para poder así cargar el celular.
Figura 18
CONCLUSIONES
Al realizar este proyecto de electromagnetismo, el equipo vislumbro un tipo de tecnología que, a pesar de haberse documentado al respecto, nos pareció realmente asombrosa. Este tipo de transferencia de electricidad inalámbrica con la que soñaba Nicola Tesla es una realidad.
El equipo ha concluido que la witricidad es
adaptabilidad en cualquier área de la vida cotidiana, por lo cuál, sería apropiado que se le diera impulso a su uso, ya que podría generar grandes ventajas independientemente del área donde se aplicase.
Figura 19 REFERENCIAS 1. http://soplandoalcierzo.blogspot.mx/2 007/07/witricidad-electricidad-sin-cables-si.html 2. S http://teslablog.iaa.es/tesla-y-la-witricidad-primera-parte
En esta imagen se muestra como se recibe corriente en la primera bobina