感應線圈實驗

2016年4月7日開始,為了實驗我們的手機和筆電充電包概念是否可行,我開始利用下班時間跑光華商場與商圈,調查一些零件的價格與規格,想先透過簡單的實驗來確認我們有辦法做出我們的概念。

因此我最先想要的是實驗出感應線圈充電實驗,我剛好有一個紅色 LED 燈,以及一顆馬達,所以我設計的實驗是要透過感應電流讓 LED 通電亮燈,以及使馬達驅動。

我準備的材料規格如下:

Coil

  • input: 5V~12V
  • output: 5V 600mA (0.6A)

LED

  • 紅色燈,1.7V/0.03A 就可以驅動

Moto

  • 0.2V~0.3V, 0.2 A
  • 0.2 V / 0.02 A = 1 Ω

我想先測試看看線圈功能,因此直接用 9V/0.5A 電池做發送,直接感應就讓 LED 亮了。

接著想測馬達,我將馬達接上接收端(RX)的電流輸出端,並將發送端(TX)直接接上電源供應器。

然後就…3…2…1…開電源!

燈愣!

沒有動!!!

喔喔喔,冷靜!出師不利,沒關係,辦法是人想的,先來研究一下,是不是改成接電源供應器使線圈沒有成功感應產生電流?所以我拿掉馬達,直接以三電表接上接收端的輸出線,再打開一次電源供應器,恩!是電流啊!

那我就想說,是否是馬達壞了?

  • 電源供應器只有輸入:0.6 A, 5.6 V
  • 三用電錶測到接收端是:3.3 V

V=IR

歐姆定律的電阻概念,以 5V/0.6A = 8.333Ω 為例,意思是當 5V, 0.6A 的條件下,這個電力系統可以降低馬達 8.333 歐姆的電阻,因為馬達不通電時有自己最大電阻,最大靜摩擦力的概念,因此應該是要讓供電系統的電阻值(電壓除以電流)大於負載電阻值,也就是這個供電系統的電阻大於馬達最大電阻值,就可以驅動馬達,這也是為什麼當電壓過大,才要加上一顆電阻來提高所需驅動馬達的電阻值

3.3 V/0.6 A= 5.5Ω 這個意思是說,在電壓 3.3 V, 電流 0.6 A 的條件下,(其實我沒測 3.3V 輸出的電流,但是假設輸出是最大值 0.6)電阻值是 5.5 Ω,而馬達的規格是 1 Ω,當電阻為 1 的時候,馬達會動,因此可能是電流不足,不過因為我買到的線圈最大輸出電流只能到 0.6 A,我的目的只是要確認可以進行感應通電,因此讓 LED 成功通電就達到目的了。

我在光華商場找到現成的 iPhone 和 Android 接收器,下圖是 iPhone 6 和 iPhone 6 plus 的接收器,應該差在線圈數量

當時,無線充電手機並不流行(現在也還是啦!😆),只有三星的 Galaxy 幾支手機有,加上商場能買到的接收器與現成的充電板都是採用 Qi 規格,因此我開始要研發這款產品的雛形,我們設定了三個實驗目標:

  1. 讓充電線圈符合 Qi 的標準
  2. 測試 iPhone 的 Qi 無線充電接收器來測試可否充電
  3. 整合充電電池與充電線圈到 iPhone 皮套並測試可充電

第一個目標很快得到解決,我也試著買了一個便宜的無線充電板,然後發揮好奇心,因為它輕的令我無法置信,在想會不會就像是買了一個 10000 mAh 的行動電源,卻感覺裡面是空的那樣,所以我就….把它撬開了。

Qi 無線充電板內部

沒問題啦!只是結構簡單點,這是好消息,看起來上面那個電路板就是發送端的接收模組,所以我就…把它拆下來了。

Qi iPhone 6 無線充電接收器內部

剛才前面說過,商場能買到的接收器與現成的充電板都是採用 Qi 規格,所以有了現成的 iPhone 無線充電接收器,再加上這個充電版的模組,『讓充電線圈符合 Qi 的標準』就達成囉!

而第二個目標就是實驗看能否成功充電,理論上是可以的,但是是否會有規格或電壓不足等問題,是這個目標真正關心的,因為在使用這組 Qi 無線充電發送模組之前,我有試過使用前面感應通電實驗用的發送端來感應 iPhone 的接收器,雖然成功讓手機『登!』的叫了一聲,但是充電速度很慢,而且很容易輕微偏一點位置就失去感應了,這可能是因為實驗用的線圈是圓形的,但是接收器的線圈是方形的,以致於位置對不齊,另外就是實驗線圈的線圈數較少也會影響。

總之,這個實驗也順利的成功了,iPhone 接收器可以『較』穩定的進行無線充電,允許的偏移距離也變大了些。

接下來,就是實踐產品開發『整合充電電池與充電線圈到 iPhone 皮套並測試可充電』的時候了。

我首先跑到通化夜市和公館的許多手機配件攤去調查一下充電線的行情,試著詢問大量購買的價格,發現其實這樣購買來的充電線成本是很便宜的。

因為我已經有一個筆電袋,因此我想去買一個手機袋,沒想到我發現現在已經很少人使用手機袋,因此店家的選擇也很少,通常都是上方開口有束帶的款式,我們希望的是有拉鍊的袋子,如此一來就可以將手機保護在袋中而不用擔心掉出來,我找了很久,終於在公館一號出口旁的攤販找到一個攤位有在賣。

註:有關於位置偏移的這個現象,我把這個問題與我的夥伴說明,因為他之前做過無線充電相關的研究,他告訴我線圈感應是需要對齊的,這牽涉到電磁學的一些原理,有興趣的讀者可以自行 Google 『磁力線』這個名詞相關知識。

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