Модуль SP1848. Исследование. Схема зарядного устройства.
В этой статье рассмотрим один из альтернативных источников энергии, а именно модуль SP1848. Надо же чем-то гаджеты заряжать. Особенно если нет розетки рядом. Например, на берегу моря и в палатке. Попробуем сегодня добыть энергию с помощью тепла.
Пришло время проверить, на что способны эти модули от китайских производителей. Цены их больно привлекательные в отличии от американских. Обещанные характеристики, конечно, немного хуже. Хотя при относительно низкой цене выходные параметры можно перекрыть большим количеством элементов. Остается проверить заявленные параметры опытным путем. И выяснить – можно ли зарядить хоть что-нибудь и что для этого нужно.
Заявленные технические данные
От китайских разработчиков известно не много. Например, то, что в отличие от элементов Пельтье (модули типа ТЕС1-12715) модуль SP1848 разработан специально для генерации электроэнергии. Как не трудно догадаться, в их основе лежит эффект Зебека. Тот же принцип, который используется при производстве термопар («Устройство термопары»).
Также производитель заявляет, что они могут использоваться для охлаждения и/или нагрева.
Особенности:
-Маленький размер
-Долгий срок службы
-Нет движущихся частей
-Высокая надежность и отсутствие загрязнения
-Холодная часть с надписью
-Нагревательная сторона пуста
-Красный провод к положительному, черный провод к отрицательному
-Модуль генерирует электричество, когда возникает разница температур
Так же производитель говорит, что приведенные выше значения приведены только для справки, при фактическом использовании будет потеря тока.
Подготовка к измерениям
Основной моей задачей было проверить на что реально способны модули SP1848 (далее просто модули). В случае удовлетворительных результатов хотелось бы собрать простую схему универсальной зарядки. За основу я взял алюминиевую пластину размерами 10х10 см, толщиной 6 мм. Верхнюю часть платины отшлифовал как мог. С помощью термоклея китайского производства (брал здесь), наклеил четыре модуля к пластине проводами наружу. И закрепил датчик для измерения температуры нижней части модуля.
Алюминиевую пластину будет удобно нагревать снизу. Достаточно хорошо термопроводный алюминий будет разогревать нижний слой модулей. Для охлаждения верхней части модулей использовал специальные радиаторы жидкостного охлаждения. Их можно пробрести на Алиэкспрессе (брал здесь). Наклеил эти радиаторы поверх модулей:
И сверху на них установил еще один пассивный радиатор с размером основания 100х100 мм и высотой 45 мм с 10 ребрами. Верхний радиатор с нижней пластиной соединил для надежности винтами. Винты зажимал умеренно дабы не передавить испытуемые модули. В результате получился вот такой «бутерброд».
Для подачи жидкости к радиаторам и сообщения между ними, использовал силиконовые трубки диаметром 8 мм. В качестве охлаждающей жидкости — обычную воду. Воду налил в простую бутылку из-под молока с широким горлышком. В крышке бутылки установил два переходника для силиконовых трубок, а также протащил провод для подключения минипомпы.
Помпа будет захватывать воду с дна бутылки и по трубке подавать ее на радиаторы. Подогретая радиатором вода возвращается через отверстие в крышке и сливается в верхней части бутылки. Минипомпу брал на том же Алиэкспрессе (здесь).
Оптимальным напряжением для помпы считается 5 вольт. Ниже в таблице показан приблизительный рост потребления тока помпой с ростом напряжения на входе:
Красным цветом в таблице показано напряжение, при котором двигатель помпы еще не вращается. С ростом напряжения будет расти скорость перекачки воды и токопотребление. Для экономии энергопотребления необходимо соблюсти золотую середину. Ведь в результате помпу придется запитывать от тех же модулей SP1848. Наблюдения показали, что вполне достаточное движение жидкости осуществляется под напряжением от 2,5 до 3 В. При этом потери тока на работу помпы составят приблизительно 100 mА. Нужно будет учитывать этот фактор в дальнейшем.
Измерение напряжения. Нагрев пламенем свечи. Помпа отключена.
А пока пришло время первого опыта. Давно хотел проверить достаточно ли тепла одной свечи для получения приемлемого результата. Для измерения температуры нижней пластины буду использовать китайский модуль W1209 (подробней о модуле написано в разделе «Защита от перегрева» статьи «Сборка контроллера стабилизатора сетевого напряжения на симисторах. Часть 2. Элементы защиты»). Для измерения верхней части воспользуюсь термопарой, которой комплектуется прибор AN113A . Вместо датчика из комплекта W1209 подключил датчик, приклеенный к нижней пластине с аналогичными характеристиками.
Предварительно модуль W1209 откалибровал к показаниям прибора AN113A в одинаковых условиях. Для проведения опыта модули соединил последовательно. «Бутерброд» с модулями установил на специальную подставку с большим отверстием в верхней части. Нагреваем свечой середину нижней пластины, измеряем температуру и общее напряжение, помпа пока отключена. Результаты измерения приведены в таблице:
Дальше температура нижней пластины практически не поднялась. Верхняя же часть нагревалась вместе с радиатором. Напряжение не росло, а только падало. Заметьте, последнее измерение в таблице кажется не логичным. Дело в том, что есть только две точки измерения — одна вверху, вторая внизу. Свеча лучше греет посредине, хуже по краям. Если представить себе модуль как множество последовательно соединенных термопар, то все будет понятно. С одного края модуля у термопар больший перепад температур, на другом меньший. Тоже происходит и с напряжением. Внутри модуля у разных термопар оно разное.
Следовательно разные модули будут выдать несколько отличное напряжение. Разное напряжение будет обусловлена не только неравномерным прогревом, но и техпроцессом изготовления модулей. Вопрос как поведут себя модули при параллельном подключении. Если аккумулятор с большим напряжением подключается параллельно к аккумулятору с меньшим напряжением, то он на него разряжается. Второй аккумулятор получает заряд пока заряды обоих не выровняются.
При параллельном соединении модулей модуль с меньшим напряжением будет нагружать своего «коллегу» с большим напряжением, разогревая одну его сторону и охлаждая вторую. Чем больше разница напряжений, тем больше пустая потеря тока. Следующая таблица показывает какой ток будет потреблять модуль, если приложить к нему напряжение:
Как видно из таблицы даже при низком напряжении потребление тока впечатляет. Т.е. при параллельном соединении ток потерь на выравнивание может забирать четвертую часть генерируемого тока.
Поэтому в дальнейшем, так как модулей у меня не сильно много, буду использовать последовательное соединение.
Измерение напряжения. Нагрев от пламени свечи. Помпа подключена к отдельному источнику.
В следующем эксперименте подключил помпу к лабораторному блоку питания, т.е. запустил принудительное водяное охлаждение. Результат в таком случае был еще хуже. Свеча не смогла разогреть нижнюю пластину выше 35 градусов. Охлаждая радиатором верхнюю пластину, охладили и нижнюю.
Вывод: Попытка прогревать нижнюю пластину от свечи оказалась не эффективной. Удалось довести до разницы температур между верхом и низом в 20 градусов. Дальнейший прогрев бесполезен. Охлаждение верхнего слоя оказывается более сильным, чем нагрев нижнего. Нижняя пластина не прогревается. К тому же нижняя алюминиевая пластина больше прогревается в месте, где установлена свеча. Отсюда возникает неравномерный прогрев модулей. Соответственно не все модули работают с одинаковой эффективностью. Для дальнейших испытаний буду использовать газовую плиту.
Измерение напряжения. Нагрев газовой горелкой. Помпа подключена к отдельному источнику.
Итак, проведу очередные измерения. Сконструированное устройство установил на решетку газовой плиты. Нагрев минимальным пламенем. Помпа работает от лабораторного блока питания, нагрузка не подключена. Измеряем напряжение четырех последовательно соединенных модулей. Результаты измерений приведены в таблице:
Если сравнивать с прошлыми измерениями, то при одной и той же разнице температур значение напряжения стало выше. В целом результат уже лучше. Заметил слабое прохождение воды по трубкам. В бутылку засунул в виде спирали метр силиконовой трубки. Оказалось — это плохое решение. Трубка заламывается – вода плохо циркулирует.
Для следующего измерения попробую отключить помпу. Для охлаждения буду использовать вентилятор от корпуса компьютера, тоже подключенный к лабораторному блоку питания. Напряжение на вентиляторе около 7 вольт. Вентилятор установил поверх радиатора. Измерения те же. Таблица измерений:
По результатам видно, что вентилятору гораздо сложнее удерживать низкую температуру верхнего слоя. Да и ток потребления выше. Можно сделать вывод: водяное охлаждение все же лучше.
Попробуем сравнить измеренные значения напряжения с данными производителя. Возьмем ближайшие значения из таблиц 5 и 6.
До разницы в 60 градусов прогреть пока не получилось, но результаты уже лучше заявленных.
Доработка конструкции нагрева/охлаждения
Итак, пока лучший результат это 10 вольт от четырех последовательно соединенных модулей при разнице температур 52°С без нагрузки. В целом результат не плохой. Думаю, какой-то ток заряда удастся получить. А пока сделаю паузу и проведу небольшие модернизации.
Все дело в том, что во время эксперимента заметил некоторые недостатки. А именно нижняя пластина должна быть больше по размеру, чтобы закрыть собой выступающие провода и части силиконовых трубок. Под действием горячего воздуха оплетка проводов от модулей плавится и может замкнуть. Силиконовые трубки приобретают прозрачный блеск и легче изгибаются, придавливая проход воды. Да и вода, протекающая между радиаторов, невольно подогревается.
Что ж, снова вырезаю алюминиевую пластину большего размера, шлифую верхнюю поверхность.
У старой пластины шлифую нижнюю поверхность. Соединяю поверхности термоклеем и винтами. Теперь толщина нижней прогреваемой части фактически удвоилась. Нижняя пластина перекрывает провода и полностью перекрывает выступающую часть силиконовой трубки.
Чтобы сама пластина не нагревала трубки, прикрутил между ними кусок керамической плитки. Чтобы обезопасить провода натянул на них термоусадки. Также термоусадки натянул на силиконовые трубки в местах возможного нагрева и в местах перегиба. Трубку внутри бутылки от помпы до пробки укоротил по максимуму. Движение воды стало гораздо оживлённее.
Схема зарядного устройства
Теперь по электрической части. То, что модули способны вырабатывать разности потенциалов на своих проводниках это просто замечательно. Но это только источник тока и пока еще неизвестно какой величины. Нужно накидать небольшую схему зарядного устройства с стабилизированным выходом на 5 вольт. Не стоит забывать, что само охлаждение должно быть автономным, т.е. никакой батарейки для подключения помпы. Зарядка должна включаться при достижении нормального порога напряжения. Тоже должно происходить и с помпой. Причем ток и напряжение помпы желательно ограничить (оптимальный уровень 2.5-3В, ток приблизительно 100мА). Можно добавить индикацию роста напряжения, чтобы в полевых условиях было видно, как работает устройство.
С учетом всего вышесказанного взялся стряпать несложную схему. За основу взял доступную схему компаратора на микросхеме LM393 с большим разбросом питающего напряжения от 2 до 36В. (Даташит LM393)
Резисторы R1-R7 представляют собой делитель напряжения. Значения резисторов подобраны таким образом, чтобы выходы компараторов открывались поочередно. При достижении напряжения на входе – 4, 6, 8, 10, 12 и 14 вольт. Чем точнее будут подобраны номиналы резисторов к расчетным значениям, тем своевременнее будут загораться светодиоды. (см. пример расчета «Расчет сопротивлений делителя напряжения»)
Опорное напряжение задается стабилитроном номиналом 3,3 В. Резистор R9 ограничивает ток стабилитрона. Заметьте, что с ростом напряжения на входе будет изменяться напряжение на стабилитроне. Соответствующие напряжения указаны на схеме. Их необходимо учитывать при расчете.
Резисторы R10-R15 являются притягивающими, т.к. выходы у ИС LM393 с открытыми коллекторами. R10, R12-R16 ограничат ток светодиодов и зададут оптимальную яркость.
Когда на входе схемы появится напряжение 6 вольт на 7-ом выводе первого компаратора появится высокий уровень. Откроется транзистор VT1. Через преобразователь Mini-360 (на Алиэкспрессе) потечет ток заряда. (Схему преобразователя рассматривал здесь). В тоже время второй аналогичный преобразователь откроется при напряжении немногим более 4 вольт и подаст заданное напряжение на помпу. Движение воды в радиаторе сделает охлаждение более эффективным. Отсюда более эффективный рост напряжения.
Транзистор VT1 по большому счету может быть любой подобный указанному на схеме с напряжением на затворе до 20 вольт и током сток/исток хотя бы ампера два.
Для уменьшения дребезга на затворе транзистора можно добавить резистор R9.
Теперь неизбежные потери:
Каждый преобразователь Mini-360 потребляет без нагрузки 5 мА. Схема индикации сожрет еще до 30 мА при максимуме зажженных светодиодов. КПД преобразователя по расчетам в среднем 84%. Это значит, что 16% передаваемого тока превратится в тепло. Да, и конечно же, помпа. Она будет потреблять порядка 100 мА при установленном напряжении на выходе преобразователя порядка 2,7В.
Измерение напряжения. Нагрев газовой горелкой. Модули нагружены на схему зарядного устройства.
Посмотрим какое напряжение мы сможем получить с подключенной схемой индикации и помпой в виде нагрузки.
Проведем очередной эксперимент. Для измерения температуры использованы те же датчики. Нагрев на минимальном огне газовой конфорки. Преобразователь на напряжение 5 вольт пока не подключен. Результаты измерения:
К сожалению, термореле W1209 не может измерять более высокую температуру. Сработала защита от перегрева и табло термореле, отображающее температуру верхней пластины, прекратило показывать значения. Но напряжение смогло добежать до 16 вольт. Можно предположить, что при разнице температур в 80 °С, реально получить в среднем 4 В на модуль. Неплохой результат, с учетом заявленных 3,6 В.
Попробуем провести те же измерения, но с отключенной помпой. Получаем:
Не смотря на уменьшение нагрузки, показатели не стали лучше. Верхняя пластина быстро прогревается. Температуры уравновешиваются. Рост напряжения становится невозможен. Как видно водяное охлаждение играет только положительную роль, без него не обойтись.
Измерение тока на нагрузке 15 Ом
Но реалии еще более суровы. Ни одно устройство нельзя зарядить за 1 минуту (без использования помпы) или за 10 минут (не меняя воду в системе охлаждения). Да, вода нагревается и показатели неизбежно ухудшаются. Лучший вариант использовать проточную воду. На природе: воду реки, ручья, любого водоема. Или погружать помпу в открытую емкость (ведро), с которой можно сливать нагретую воду, добавляя холодную. Тогда процесс реально поддерживать достаточно долго.
Попробуем проверим работу модулей на более значимую, чем помпа нагрузку. Заодно измерим протекающий ток. Отключим пока схему индикации. Итак, четыре последовательных модуля подключены к резистивной нагрузке на 15 Ом. Помпа работает постоянно от лабораторного блока питания. Измеряем ток через нагрузку:
Дальнейший нагрев пришлось прервать. При последнем значении вышел из строя один модуль. Цепь разорвалась. Но в целом значения тока вполне удовлетворительны. Стоит предположить, что при разнице температур в 80°С можно добавить еще около 100мА к последним значениям. Дальнейшие измерения под нагрузкой пришлось прекратить. Причины выхода из строя модуля пока оставались под вопросом. Модуль не выдавал больше никакого напряжения, показывал огромное внутреннее сопротивление (разрыв).
Измерение внутреннего сопротивления
После последнего измерения «в живых» осталось три модуля. Мне стало чертовски интересно проверить каким же должно быть их внутреннее сопротивление. Сделать это не сложно. Теперь каждый модуль буду проверять в отдельности. В качестве нагрузки буду использовать тоже сопротивление, что и в последнем эксперименте. Точное его значение 15,7 Ом. Буду измерять ток через нагрузку и напряжение на нагрузке, а также напряжение с отключенной нагрузкой. Ток в принципе можно и не измерять. Зная точные значения сопротивления нагрузки и измерив на ней напряжение, ток можно рассчитать. Сделаем и то и другое. Внутреннее сопротивление источника будет равно разнице напряжений с нагрузкой и без нагрузки деленной на ток нагрузки.
Rист = ∆U/Iнагр
Внутреннее сопротивление источника вычислим также для измеренного и рассчитанного тока. Потом усредним измерения.
Итак, нагреем модуль до получения напряжения 3 В без нагрузки, затем подключим нагрузку и зафиксируем ток и напряжение. Фиксацию буду производить на камеру, с последующим анализом видео. Охлаждающая помпа подключена к отдельному источнику. Результаты измерений и вычислений приведены ниже.
Первый модуль:
Второй модуль (напряжение решил немного увеличить):
Третий модуль:
Как видно, значение внутреннего сопротивления совсем небольшое. Отсюда и быстро растущее потребление тока, даже при малых значениях приложенного напряжения. (смотрите таблицу 4).
Окончательные выводы
Вернемся к схеме. С тремя оставшимися модулями эффективность ее явно пострадала. Кстати, случайно удалось установить причину неисправности. Все дело в качестве спайки наружных проводов внутри модуля. Оказывается, провод может просто отвалиться. В моем случае к обрыву привело увеличение тока. Но провод может оборваться и от небольших механических воздействий.
Если прижать провод внутри модуля работоспособность восстанавливается. Как совет, перед использованием модулей лучше дополнительно укрепить места выходов проводников.
В целом же зарядное устройство вполне может получиться.
Так допустим при разнице температур в 80°С четыре последовательно соединенных модуля смогут выдать ток 550 мА и будут держать напряжение 14 вольт.
Потери тока:
— на схему индикации – 30 мА
— на помпу рассчитаем. Помпа подключается через преобразователь, на выходе которого должно быть 2,7 В с током потребления 100мА, т.е. выходная мощность Pвых = 0,1х2,7 = 0,27 Вт. КПД модуля 84%. Значит мощность на входе будет Pвх =Pвых /0,84. При напряжении на входе преобразователя 14 В определим ток Iвх = Pвх /Uвх = 0,321/14 = 0,023А. Итого на помпу – 23мА.
Итак, на входе второго преобразователя останется ток порядка 490 мА при напряжении 14 вольт. Подсчитаем ток на выходе с учетом КПД преобразователя Mini360 84% и с учетом установленного напряжения на выходе 5,2В.
Pвх = 14 х 0,49 = 6,86 Вт
Pвых =0,84 х 6,86 = 5,76 Вт
Выходной ток, он же ток заряда может составить порядка 5,76Вт/5,2В = 1,1А
Вывод: при напряжении 14В под нагрузкой заряжаемых аккумуляторов, четыре последовательно соединенных модуля SP1848 могут выдать ток заряда порядка 1 ампера. При этом стоит позаботиться о водяном охлаждении, желательно, с проточной водой или с возможностью смены воды.
