Stelt u zich voor dat u een lamp kunt laten branden of een koffiemok kunt verwarmen zonder enige bedrading, enkel met behulp van elektromagnetische resonantie. In dit project sturen we 20 W vermogen door een tafel van 5 cm dik om een 20 W LED-lamp te laten branden. Door de zender- en ontvangstspoelen af te stemmen op een resonantie van 50 kHz en een door een microcontroller aangestuurde oscillator, een MOSFET-vermogensfase en een gelijkgerichte ontvanger te combineren, bereiken we een heldere verlichting. Dit experiment vormt een overtuigend proof-of-concept voor draadloze tafelverlichting en biedt waardevolle lessen in spoelgeometrie, schakelingontwerp en de praktische beperkingen, met mogelijke toepassingen variërend van verlichting tot alledaagse objecten zoals het verwarmen van een koffiemok.

Draadloze Verlichting met Elektromagnetische Straling

Dit project demonstreert een draadloos verlichtingssysteem met behulp van elektromagnetische straling. Het brengt 20 W over tussen zend- en ontvangspoelen via een tafel van 5 cm dik en voedt daarmee een LED-lamp van 20 W. Het project definieert standaarden en ontwerpen voor elektromagnetische koppeling in zender- en ontvangercomponenten, bedoeld om een lamp en een koffiemok draadloos van stroom te voorzien.

Wireless powering f1
Figuur 1. Draadloos lampverlichtingsontwerp.

Dit prototype gebruikt draadloze energieoverdracht (WPT) gebaseerd op elektromagnetische resonantie, zoals getoond in Figuur 1. Het WPT-bereik bedraagt slechts enkele centimeters, wat een aanzienlijke beperking vormt voor praktische toepassingen. Het analytische model van een WPT-schakeling kan worden opgesteld met behulp van de gekoppelde-modetheorie (CMT).

 

Een hogere kwaliteitsfactor duidt op een lager energieverlies in verhouding tot de opgewekte energie. De kwaliteitsfactor is een belangrijke parameter die de eigenschappen van zowel de (blokgolf)generator als de resonator beschrijft, en de bandbreedte van de resonator karakteriseert ten opzichte van zijn middenfrequentie (50 kHz).



Ontwerpproces

In eerste instantie maakten we twee spoelen (Rx, Tx), elk met 25 windingen van geïsoleerd koperdraad gewikkeld rond een diameter van 25 mm. Elke spoel heeft een interne weerstand R en inductantie L, en beide spoelen zijn afgestemd op dezelfde frequentie. Zoals getoond in Figuur 2. werkt magnetische resonante koppeling vergelijkbaar met inductieve koppeling, behalve dat resonantie de afstand vergroot waarop energie efficiënt kan worden overgedragen.

Equivalent circuit of inductive coupling on ADS.
Figuur 2. Equivalent schakelschema van inductieve koppeling op ADS.

Een condensator werd parallel op elke spoel aangesloten. Een blokgolf-oscillatorschakeling is verbonden met de bronspoel, terwijl de vermogensversterkertrap inductief is gekoppeld aan de belastingsspoel. De belastingsspoel (Tx), afgestemd op dezelfde resonantiefrequentie, ontvangt energie via het magnetisch veld dat door de bronspoel (Rx) wordt opgewekt, zoals te zien in Figuur 3.

Block diagram of wireless lit-up.
Figuur 3. Blokdiagram van draadloze verlichting.

Zend­schakeling

Na het bouwen van de zendspoel (Rx) met 20 windingen van 0,5 mm draad, ontwierpen en simuleerden we een blokgolf-oscillator. Er zijn verschillende manieren om een blokgolfsignaal te genereren. Na onderzoek en testen kozen we de ATmega328P-microchip. Het schema van de golfgenerator wordt getoond in Figuur 4. Het geheel bevat een voeding, een programmeerbare schakeling en een DC-filter. Ons doel was een oscillatie van 50 kHz te genereren met een werkcyclus van 50%. Omdat de uitgang te zwak was om energie over 5 cm (de dikte van de tafel) over te dragen, voegden we een vermogens­trap toe aan onze zender­schakeling.

Figure 4: Timer wave generator.
Figuur 4. Timer-golfgenerator.

Schakelende vermogensversterker

LED’s hebben meer vermogen nodig dan de blokgolfgenerator levert. We onderzochten verschillende topologieën om het energieoverdrachtsvermogen in dit prototype te vergroten. Een vermogensversterker verhoogt de uitgangsspanning en de elektromagnetische straling, maar de temperatuur van de schakeling moet binnen veilige grenzen blijven.

Voltage switching power amplifier.
Figuur 5. Spanningsgeschakelde vermogensversterker.

We kozen een IRF244 MOSFET om de bronspoel aan te sturen (Figuur 5.). Uit het datasheet bleek dat de IRF244 een stroomsterkte van 49 A aankan, wat binnen veilige marges ligt. De IRF244 wordt aangestuurd door een blokgolfsignaal met een frequentie van ongeveer 55 kHz en een werkcyclus van 50%. De schakeling wordt gevoed door een 42 V DC-voeding (VSS = 42 V) om de zendspoel via de vermogensversterkertransistor te laten werken.

 

Figuur 6. toont het elektronisch schema van het zendgedeelte. Een spanningsregelaar werd toegevoegd om de spanning te verlagen naar 12 V DC voor de oscillator. Nadat het schema voltooid was en de componenten waren verzameld, werd het systeem opgebouwd, bestaande uit een vermogensversterker en een zendspoel. Het verhogen van de spanning in de vermogens­trap vergroot ook het bereik van de draadloze energieoverdracht.

Schematic circuit of the transmitting section.
Figuur 6. Schema van het zendgedeelte.

Ontvangerschakeling

De ontvangerschakeling, verbonden met de LED-lamp, bevat een belastingsspoel met een aangesloten condensator, een gelijkrichter en een DC-filter om stroom te ontvangen. Een gelijkrichter is een elektrisch apparaat dat wisselstroom (AC) omzet in gelijkstroom (DC), een proces dat gelijkrichting wordt genoemd. Het schema en het gemaakte prototype zijn te zien in Figuur 7.

Electronics schematic circuit and prototype of lamp receiving circuit.
Figuur 7. Elektronisch schema en prototype van de lampontvangstschakeling.

Testsysteem en implementatie

Het doel was om de lamp draadloos te laten branden zonder draden. We testten de koppelingsefficiëntie over een vaste afstand van 5 cm, gelijk aan de dikte van de tafel. We controleerden of de opstelling voldoende energie ontving om de lamp direct te laten branden. De tafellamp moet zich op dezelfde positie bevinden als de TX-spoel, die er onder is bevestigd. Om de efficiëntie van de draadloze energieoverdracht te maximaliseren, moet de lamp op een specifieke plaats op de tafel worden geplaatst. De verlichting moet helder zijn om een effectieve energieoverdracht aan te tonen.

Checking the position of high coupling for wireless light-up
Figuur 8. Controle van de positie voor hoge koppeling bij draadloze verlichting.

We gebruikten hetzelfde systeem om de lamp zwakker te laten branden wanneer deze van de optimale positie werd verplaatst. De lamp werkt alleen goed wanneer de zender en ontvanger parallel zijn uitgelijnd en precies op de juiste plaats van de tafel staan. Hoewel niet getoond in de figuur, gaat de lamp uit wanneer de ontvanger te ver van de zender wordt geplaatst, omdat hij dan buiten het effectieve bereik van de elektromagnetische straling valt. Om een hoge energieoverdrachtsefficiëntie te waarborgen, moet de spoel van de tafellamp worden uitgelijnd met de magnetische spoelen die reeds onder de tafel zijn bevestigd (zie Figuur 8.).

 

Een koffiemok verwarmen

Figuur 9. toont een draadloos energiesysteem dat wordt gebruikt om een koffiemok te verwarmen. Een zendspoel is ingebouwd in het bureau, en de koffiemok heeft een ontvangende spoel (Figuur 10.). De zend­schakeling (getoond in Figuur 5.) is dezelfde als die voor de lamp. De zendspoel is verbonden met een hoogfrequente golfgenerator onder de tafel.

The design of a warm mug.
Figuur 9. Ontwerp van een mokverwarmer.

Het systeem werkt wanneer de zend- en ontvangspoelen correct parallel zijn uitgelijnd voor inductieve energieoverdracht. Elk verlies, zijdelingse of hoekige uitlijning van het elektromagnetisch veld kan echter leiden tot slechte overdracht, energieverlies of interferentie met andere nabijgelegen apparaten of systemen. De mate van blootstelling en het risico op lekkage of verkeerde spoeluitlijning hangt af van factoren zoals de frequentie, intensiteit, duur en afstand van het inductieve draadloze energieoverdrachtsysteem.

Schematic circuit of a warm mug.
Figuur 10. Schema van een mokverwarmer.

Dit project toont het potentieel van resonante inductieve koppeling voor draadloze energie. Van het laten branden van een lamp tot het verwarmen van een mok benadrukt het zowel de belofte als de uitdagingen van het toepassen van draadloze energie in het dagelijks leven.

Opmerking van de redactie: Dit artikel (250530-01) is verschenen in Elektor nov/dec 2025.

Vragen of opmerkingen?

 

Heeft u vragen of opmerkingen over dit artikel? Stuur dan een e-mail naar de redactie van Elektor via redactie@elektor.com.