Carregar a bateria usando elementos Peltier. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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A tensão de saída de um gerador termoelétrico baseado em elementos Peltier depende das condições de temperatura e da carga. No projeto proposto, o modo de operação do conversor desta tensão naquele necessário para carregar uma bateria de chumbo-ácido é mantido automaticamente de forma que o gerador forneça sempre a máxima potência possível. Isso permite obter a quantidade máxima possível de energia do gerador e armazená-la na bateria.

Sabe-se que para obter a quantidade máxima de energia no circuito externo é necessário que a resistência de carga do gerador seja igual à sua resistência interna, sendo que esta para o elemento Peltier depende das condições de operação. Como é problemático fornecer as mesmas condições para aquecer um grande número de elementos e retirar calor deles, a solução é dividir todo o seu conjunto em grupos separados com aproximadamente as mesmas características e condições térmicas. A carga ideal é fornecida separadamente para cada grupo. O dispositivo em questão é construído com base neste princípio, consistindo em dois canais idênticos operando com uma carga comum - uma bateria recarregável.

Parâmetros técnicos principais

• Número de canais de conversão .......2
• Tensão mínima na entrada do canal, V ....... 3
• Tensão máxima na entrada do canal, V .......12
• Corrente máxima do gerador, A ....... 5
• Tensão máxima de saída, V.......14
• Frequência de conversão, kHz ...... 80
• Eficiência (com tensão de entrada 9 V, corrente 1 A), %, não menos ....... 80
• Consumo de corrente da bateria no modo de suspensão, mA.......0,4

O diagrama do dispositivo é mostrado na Fig. 1. Os geradores termoelétricos G1 e G2 são conectados às entradas de dois canais de conversão idênticos. Cada canal é um conversor de tensão de pulso elevador baseado no indutor de armazenamento L1 (L2) e um poderoso transistor de efeito de campo VT3 (VT4), controlado por modulação por largura de pulso. A operação dos conversores é controlada pelo microprocessador DD1 (ATmega88-20AU). Os códigos do arquivo TERMPR.hex anexado ao artigo deverão ser carregados em sua memória FLASH. A configuração do microcontrolador é programada de acordo com a tabela, onde são destacados em cores os valores dos bits que diferem daqueles definidos pelo fabricante do microcircuito.

Arroz. 1 (clique para ampliar)

Na Fig. A Figura 2 mostra um diagrama da mudança de tensão na saída de um gerador termoelétrico de um canal durante o ciclo de operação do dispositivo. A escala ao longo do eixo do tempo não é respeitada. O ciclo começa com a suspensão do conversor no tempo t₀, após o qual a tensão do gerador aumenta para a tensão sem carga U_xx, que ao final do processo transitório o microcontrolador mede no tempo t_meas. Na hora t₁ O microcontrolador liga o conversor e em várias etapas altera a duração dos pulsos que o controlam, medindo a cada vez a tensão do gerador.

Após a próxima mudança na duração do pulso, a tensão do gerador cai em uma zona centrada perto de U = 0,5U_xx (neste caso este é o momento t₄). Isto corresponde à carga ideal no gerador, de modo que o conversor continua a operar na duração do pulso definida até que, devido a alterações nas condições, a tensão do gerador ultrapasse a zona ΔU. Então o processo é repetido.

Fig. 2

É assim que a bateria GB1 é carregada. Quando a tensão da bateria atinge aproximadamente 14 V, a corrente de carga é reduzida para evitar sobrecarga. O dispositivo entra no modo de estabilização da tensão da bateria.

O microcontrolador DD1 pode ser alimentado pela bateria GB1 através do estabilizador integrado DA1, ou pelos geradores térmicos G1 e G2 através dos estabilizadores de corrente nos transistores VT5 e VT6. Graças a esta fonte de alimentação, a tensão está disponível nos terminais de ligação da bateria mesmo na sua ausência. Basta que pelo menos um termogerador funcione.

Se a tensão de ambos os geradores térmicos cair abaixo do valor mínimo, o microcontrolador DD1 entra em modo “sleep”, tendo previamente fechado os transistores VT7 e VT8 e assim desligado o estabilizador DA1. Neste caso, o consumo de corrente da bateria (se estiver conectada) é reduzido para 0,4 mA.

Assim que a tensão de pelo menos um gerador ultrapassa o mínimo (aproximadamente 3 V), o microcontrolador “acorda”, liga o estabilizador DA1 e controla os conversores, conforme descrito acima. Se a tensão sem carga do gerador exceder a tensão da bateria, a bateria será carregada diretamente através do diodo VD7 ou VD8 e será impossível estabelecer o modo de carga ideal. Daí a limitação da tensão máxima do termogerador.

Os LEDs HL1-HL3 são utilizados para sinalizar, respectivamente, que o dispositivo está ligado e os conversores de tensão dos geradores G1 e G2 estão operando. Há alarme de superaquecimento dos termogeradores - um sinal sonoro é dado pelo emissor sonoro HA1 e o LED pisca.

A temperatura de cada gerador é controlada por meio de interruptores térmicos SK1 e SK2 com temperatura de resposta de +120 ^оC. Os elementos Peltier mais comuns e baratos podem operar em temperaturas de até +138 ^оC. Se você usar elementos de alta temperatura, precisará usar outros interruptores térmicos ou abandoná-los completamente.

Um desenho da placa de circuito impresso do dispositivo é mostrado na Fig. 3, e a colocação dos elementos nele está na Fig. 4. Muitas das peças necessárias para fazer o dispositivo podem ser encontradas em uma placa-mãe de computador desnecessária. Por exemplo, os transistores de efeito de campo ARM2014N são usados ​​em conversores de tensão para alimentar o processador e a memória nas placas ASUS. Os transistores de efeito de campo STB70NF3LL também são adequados. O principal requisito para esses transistores é uma tensão limite não superior a 1,5 V (de preferência 1 V). A utilização de dispositivos com tensão limite mais alta leva ao seu aquecimento excessivo ou ao conversor não funciona, pois os transistores não são abertos pela tensão disponível.

Fig. 3

Fig. 4

As bobinas L1 e L2 também são feitas a partir daquelas encontradas na placa-mãe. Seus núcleos magnéticos são usados ​​- anéis de ferrite medindo 15x8x6 mm. Neles são enroladas 15 voltas de fio com diâmetro de 1 mm.

Em vez dos diodos VS80SQ040 e BAS86, outros diodos Schottky podem ser usados, respectivamente, em 40 V, 10 A e 40 V, 0,1 A.

O programa do microcontrolador pode ser baixado em ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/06/tempr.zip

Autores: S. Tkachuk

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