Laden des Akkus über die Peltier-Elemente. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Netzteile

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Die Ausgangsspannung eines thermoelektrischen Generators auf Basis von Peltier-Elementen hängt von den Temperaturbedingungen und der Belastung ab. Bei der vorgeschlagenen Konstruktion wird die Betriebsart des Wandlers dieser Spannung in die zum Laden einer Blei-Säure-Batterie erforderliche Spannung automatisch beibehalten, so dass der Generator immer die maximal mögliche Leistung liefert. Dadurch können Sie die größtmögliche Energiemenge aus dem Generator beziehen und in der Batterie speichern.

Es ist bekannt, dass es zur Erzielung der maximalen Energiemenge im externen Stromkreis erforderlich ist, dass der Lastwiderstand des Generators seinem Innenwiderstand entspricht, und letzterer hängt für das Peltier-Element von den Betriebsbedingungen ab. Da es problematisch ist, die gleichen Bedingungen für die Erwärmung einer großen Anzahl von Elementen und deren Wärmeabfuhr zu schaffen, besteht die Lösung darin, den gesamten Satz in separate Gruppen mit annähernd gleichen Eigenschaften und thermischen Bedingungen aufzuteilen. Die optimale Belastung wird für jede Gruppe separat bereitgestellt. Das betreffende Gerät basiert auf diesem Prinzip und besteht aus zwei identischen Kanälen, die mit einer gemeinsamen Last betrieben werden – einer wiederaufladbaren Batterie.

Haupttechnische Parameter

• Anzahl der Konversionskanäle ......2
• Mindestspannung am Kanaleingang, V ....... 3
• Maximale Spannung am Kanaleingang, V .......12
• Maximaler Generatorstrom, A ....... 5
• Maximale Ausgangsspannung, V.......14
• Wandlungsfrequenz, kHz ...... 80
• Wirkungsgrad (bei Eingangsspannung 9 V, Strom 1 A), %, nicht weniger ...... 80
• Stromaufnahme aus der Batterie im Schlafmodus, mA.......0,4

Das Gerätediagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Thermoelektrische Generatoren G1 und G2 sind an die Eingänge zweier identischer Umwandlungskanäle angeschlossen. Jeder Kanal ist ein Aufwärts-Pulsspannungswandler, der auf der Speicherdrossel L1 (L2) und einem leistungsstarken Feldeffekttransistor VT3 (VT4) basiert und durch Pulsweitenmodulation gesteuert wird. Der Betrieb der Konverter wird vom DD1-Mikroprozessor (ATmega88-20AU) gesteuert. Die Codes aus der dem Artikel beigefügten Datei TERMPR.hex müssen in dessen FLASH-Speicher geladen werden. Die Konfiguration des Mikrocontrollers wird gemäß der Tabelle programmiert, wobei die Werte der Bits, die von den vom Hersteller der Mikroschaltung eingestellten abweichen, farblich hervorgehoben werden.

Reis. 1 (zum Vergrößern anklicken)

In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm der Spannungsänderung am Ausgang eines thermoelektrischen Generators eines Kanals während des Betriebszyklus des Geräts. Der Maßstab entlang der Zeitachse wird nicht beachtet. Der Zyklus beginnt mit der Unterbrechung des Konverters zum Zeitpunkt t₀, danach steigt die Generatorspannung auf die Leerlaufspannung U an_xx, die der Mikrocontroller am Ende des Einschwingvorgangs in der Zeit t misst_geändert. Zum Zeitpunkt t₁ Der Mikrocontroller schaltet den Wandler ein und ändert in mehreren Schritten die Dauer der ihn steuernden Impulse, wobei er jedes Mal die Generatorspannung misst.

Nach der nächsten Änderung der Impulsdauer fällt die Generatorspannung in einen Bereich mit der Mitte um U = 0,5U_xx (in diesem Fall ist dies der Moment t₄). Dies entspricht der optimalen Belastung des Generators, sodass der Umrichter mit der eingestellten Impulsdauer weiterarbeitet, bis aufgrund sich ändernder Bedingungen die Generatorspannung die ΔU-Zone überschreitet. Dann wird der Vorgang wiederholt.

Fig. 2

So wird der GB1-Akku geladen. Wenn die Batteriespannung etwa 14 V erreicht, wird der Ladestrom reduziert, um eine Überladung zu verhindern. Das Gerät wechselt in den Batteriespannungsstabilisierungsmodus.

Der Mikrocontroller DD1 kann entweder von der Batterie GB1 über den integrierten Stabilisator DA1 oder von den Thermogeneratoren G1 und G2 über Stromstabilisatoren an den Transistoren VT5 und VT6 gespeist werden. Dank dieser Stromversorgung steht an den Klemmen Spannung zum Anschluss der Batterie auch dann zur Verfügung, wenn diese nicht vorhanden ist. Es reicht aus, wenn mindestens ein Thermogenerator funktioniert.

Sinkt die Spannung beider Thermogeneratoren unter den Mindestwert, geht der DD1-Mikrocontroller in den „Schlafmodus“, nachdem er zuvor die Transistoren VT7 und VT8 geschlossen und dadurch den DA1-Stabilisator ausgeschaltet hat. In diesem Fall reduziert sich die Stromaufnahme der Batterie (sofern angeschlossen) auf 0,4 mA.

Sobald die Spannung mindestens eines Generators über das Minimum (ca. 3 V) steigt, „wacht der Mikrocontroller auf“, schaltet den DA1-Stabilisator ein und steuert die Wandler wie oben beschrieben. Übersteigt die Leerlaufspannung des Generators die Batteriespannung, wird die Batterie direkt über die VD7- oder VD8-Diode geladen und es ist unmöglich, den optimalen Lastmodus einzustellen. Daher die Begrenzung der maximalen Spannung des Thermogenerators.

Die LEDs HL1-HL3 dienen zur Signalisierung, ob das Gerät eingeschaltet ist und die Spannungswandler der Generatoren G1 und G2 in Betrieb sind. Es gibt einen Alarm bei Überhitzung der Thermogeneratoren – ein Tonsignal ertönt durch den Tonsender HA1 und die LED blinkt.

Die Temperatur jedes Generators wird über Thermoschalter SK1 und SK2 mit einer Ansprechtemperatur von +120 geregelt ^оC. Die gängigsten und günstigsten Peltier-Elemente können bei Temperaturen bis +138 °C betrieben werden ^оC. Wenn Sie Hochtemperaturelemente verwenden, müssen Sie andere Thermoschalter verwenden oder ganz darauf verzichten.

Eine Zeichnung der Leiterplatte des Geräts ist in Abb. dargestellt. 3, und die Platzierung der Elemente darauf ist in Abb. 4. Viele der für die Herstellung des Geräts benötigten Teile befinden sich auf einem unnötigen Computer-Motherboard. Beispielsweise werden ARM2014N-Feldeffekttransistoren in Spannungswandlern verwendet, um den Prozessor und den Speicher auf ASUS-Boards mit Strom zu versorgen. Geeignet sind auch die Feldeffekttransistoren STB70NF3LL. Die Hauptanforderung an diese Transistoren ist eine Schwellenspannung von nicht mehr als 1,5 V (vorzugsweise 1 V). Die Verwendung von Geräten mit einer höheren Schwellenspannung führt entweder zu einer übermäßigen Erwärmung oder der Wandler funktioniert überhaupt nicht, da die Transistoren durch die verfügbare Spannung nicht geöffnet werden.

Fig. 3

Fig. 4

Die Drosseln L1 und L2 bestehen ebenfalls aus denen, die sich auf der Hauptplatine befinden. Als Magnetkerne kommen Ferritringe mit den Maßen 15x8x6 mm zum Einsatz. Darauf sind 15 Drahtwindungen mit einem Durchmesser von 1 mm gewickelt.

Anstelle der Dioden VS80SQ040 und BAS86 können auch andere Schottky-Dioden bei 40 V, 10 A bzw. 40 V, 0,1 A verwendet werden.

Das Mikrocontroller-Programm kann von ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/06/tempr.zip heruntergeladen werden

Autoren: S. Tkachuk

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