Carica della batteria utilizzando elementi Peltier. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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La tensione di uscita di un generatore termoelettrico basato su elementi Peltier dipende dalle condizioni di temperatura e dal carico. Nel progetto proposto, la modalità operativa del convertitore di questa tensione in quella necessaria per caricare una batteria al piombo viene mantenuta automaticamente in modo tale che il generatore fornisca sempre la massima potenza possibile. Ciò consente di ottenere la massima quantità possibile di energia dal generatore e di immagazzinarla nella batteria.

È noto che per ottenere la massima quantità di energia nel circuito esterno è necessario che la resistenza di carico del generatore sia uguale alla sua resistenza interna, e quest'ultima per l'elemento Peltier dipende dalle condizioni operative. Poiché è problematico fornire le stesse condizioni per riscaldare un gran numero di elementi e rimuovere calore da essi, la soluzione è dividere l'intero set in gruppi separati con approssimativamente le stesse caratteristiche e condizioni termiche. Il carico ottimale viene fornito separatamente per ciascun gruppo. Il dispositivo in questione si basa su questo principio, costituito da due canali identici che funzionano con un carico comune: una batteria ricaricabile.

Principali parametri tecnici

• Numero di canali di conversione .......2
• Tensione minima all'ingresso del canale, V ....... 3
• Tensione massima all'ingresso del canale, V .......12
• Corrente massima del generatore, A ....... 5
• Massima tensione di uscita, V........14
• Frequenza di conversione, kHz ...... 80
• Efficienza (alla tensione di ingresso 9 V, corrente 1 A), %, non inferiore a ....... 80
• Consumo di corrente dalla batteria in modalità di riposo, mA.......0,4

Lo schema del dispositivo è mostrato in Fig. 1. I generatori termoelettrici G1 e G2 sono collegati agli ingressi di due canali di conversione identici. Ogni canale è un convertitore di tensione a impulsi step-up basato sull'induttanza di memorizzazione L1 (L2) e su un potente transistor ad effetto di campo VT3 (VT4), controllato dalla modulazione di larghezza di impulso. Il funzionamento dei convertitori è controllato dal microprocessore DD1 (ATmega88-20AU). I codici del file TERMPR.hex allegato all'articolo devono essere caricati nella sua memoria FLASH. La configurazione del microcontrollore è programmata secondo la tabella, dove sono evidenziati a colori i valori dei bit che differiscono da quelli impostati dal produttore del microcircuito.

Riso. 1 (clicca per ingrandire)

Nella fig. La Figura 2 mostra un diagramma della variazione di tensione all'uscita di un generatore termoelettrico di un canale durante il ciclo operativo del dispositivo. La scala lungo l'asse del tempo non viene rispettata. Il ciclo inizia con la sospensione del convertitore al tempo t₀, dopodiché la tensione del generatore aumenta fino alla tensione a vuoto U_xx, che al termine del processo transitorio il microcontrollore misura nel tempo t_modificata. Al tempo t₁ Il microcontrollore accende il convertitore e in più passaggi modifica la durata degli impulsi che lo controllano, misurando ogni volta la tensione del generatore.

Dopo la successiva modifica della durata dell'impulso, la tensione del generatore cade in una zona centrata vicino a U = 0,5U_xx (in questo caso questo è il momento t₄). Ciò corrisponde al carico ottimale sul generatore, quindi il convertitore continua a funzionare alla durata dell'impulso impostata finché, a causa del cambiamento delle condizioni, la tensione del generatore non supera la zona ΔU. Quindi il processo viene ripetuto.

Fig. 2

Ecco come viene caricata la batteria GB1. Quando la tensione della batteria raggiunge circa 14 V, la corrente di carica viene ridotta per evitare il sovraccarico. Il dispositivo entra in modalità di stabilizzazione della tensione della batteria.

Il microcontrollore DD1 può essere alimentato sia dalla batteria GB1 tramite lo stabilizzatore integrato DA1, oppure dai generatori termici G1 e G2 tramite stabilizzatori di corrente sui transistor VT5 e VT6. Grazie a questa alimentazione ai morsetti è disponibile la tensione per il collegamento della batteria anche in sua assenza. È sufficiente che almeno un termogeneratore funzioni.

Se la tensione di entrambi i generatori termici scende al di sotto del valore minimo, il microcontrollore DD1 entra in modalità “sleep”, avendo precedentemente chiuso i transistor VT7 e VT8 e quindi spento lo stabilizzatore DA1. In questo caso il consumo di corrente della batteria (se collegata) si riduce a 0,4 mA.

Non appena la tensione di almeno un generatore sale al di sopra del minimo (circa 3 V), il microcontrollore “si sveglia”, accende lo stabilizzatore DA1 e controlla i convertitori, come descritto sopra. Se la tensione a vuoto del generatore supera la tensione della batteria, la batteria viene caricata direttamente tramite il diodo VD7 o VD8 e diventa impossibile stabilire la modalità di carico ottimale. Da qui la limitazione della tensione massima del termogeneratore.

I LED HL1-HL3 servono rispettivamente per segnalare che il dispositivo è acceso e che i convertitori di tensione dei generatori G1 e G2 sono in funzione. È presente un allarme per il surriscaldamento dei termogeneratori: l'emettitore sonoro HA1 emette un segnale acustico e il LED lampeggia.

La temperatura di ciascun generatore è controllata tramite gli interruttori termici SK1 e SK2 con una temperatura di risposta di +120 ^оC. Gli elementi Peltier più comuni ed economici possono essere utilizzati a temperature fino a +138 ^оC. Se si utilizzano elementi ad alta temperatura, è necessario utilizzare altri interruttori termici o abbandonarli del tutto.

Un disegno del circuito stampato del dispositivo è mostrato in Fig. 3, e il posizionamento degli elementi su di esso è in Fig. 4. Molte delle parti necessarie per realizzare il dispositivo si trovano sulla scheda madre di un computer non necessaria. Ad esempio, i transistor ad effetto di campo ARM2014N vengono utilizzati nei convertitori di tensione per alimentare il processore e la memoria sulle schede ASUS. Sono adatti anche i transistor ad effetto di campo STB70NF3LL. Il requisito principale per questi transistor è una tensione di soglia non superiore a 1,5 V (preferibilmente 1 V). L'utilizzo di dispositivi con una tensione di soglia più elevata porta al loro eccessivo riscaldamento oppure il convertitore non funziona affatto, poiché i transistor non vengono aperti dalla tensione disponibile.

Fig. 3

Fig. 4

Anche le induttanze L1 e L2 sono realizzate con quelle presenti sulla scheda madre. Vengono utilizzati i loro nuclei magnetici: anelli di ferrite di 15x8x6 mm. Su di essi vengono avvolti 15 giri di filo con un diametro di 1 mm.

Al posto dei diodi VS80SQ040 e BAS86 è possibile utilizzare altri diodi Schottky rispettivamente a 40 V, 10 A e 40 V, 0,1 A.

Il programma del microcontrollore può essere scaricato da ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/06/tempr.zip

Autori: S. Tkachuk

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