Разработка блока питания на основе термогенераторного модуля. Часть 2.

---

Страницы:   1   2

---

Раздел 2. Разработка принципиальной схемы блока питания

2.1. Разработка схемы на основе DC/DC преобразователя LTC3109

Одной из задач, решаемых в ходе данной работы, было разработать блок питания, обеспечивающий автономное питание микроконтроллера от термоэлектрического генератора (ТЭГ). Таким образом, была разработана принципиальная схема блока питания.

Требования по питанию термоэлектрических генераторов (ТЭГ) в качестве первичного источника питания диктуют использование специализированной микросхемы LTC3109 [6], позволяющей получить требуемое выходное напряжение с достаточной точностью и мощностью.

LTC3109 – высоко-интегрированный DC/DC повышающий преобразователь разработанный для применения в низковольтных источниках, таких как ТЭГ. Применение LTC3109 позволяет использовать режим работы ТЭГ при небольших перепадах температур между обкладками (≤25 ºC).

Работа микросхемы обеспечивается при входном напряжении начиная с 35 мВ, что соответствует перепаду температуры на ТЭГ ΔT=1 ºC, однако мощность, получаемая в таком режиме от ТЭГ недостаточна для питания системы беспроводной передачи данных и может использоваться только во вспомогательном режиме. Необходимую мощность можно получить в униполярной схеме включения (Рис. 2.1) при перепаде температуры на ТЭГ ΔT≥20 ºC. Используемый при этом трансформатор должен иметь коэффициент трансформации от 1:7 до 1:20.[6]

Применение беспроводных систем передачи данных требует большого пикового тока, в нашем случае он достигает 80 мА. Для питания в таких условиях используется накопительная емкость C_store, напряжение этой емкости поддерживается выше основного и в данной схеме составляет примерно 5.25 вольт. В качестве накопительной емкости используется ионистор 1.5-5Ф. К дополнительным функциям можно отнести:

наличие низковольтного питания V_LDO, обеспечивающего 2.2 В при максимальном токе 5 мА для питания низкопотребляющих схем;

наличие управляемого  выхода VOUT2 напряжением с которого можно управлять с помощью сервисного входа VOUT_EN.  Напряжение на этом выходе равно основному VOUT  и  может использоваться для питания беспроводных систем передачи информации;

наличием выхода PGOOD, логический уровень на котором соответствует готовности устройства.

Временные диаграммы напряжений представлены на Рис. 2.2.

Электрические параметры схемы при униполярном включении представлены на Рис. 2.3. Последовательное эквивалентное сопротивление такого конденсатора должно быть минимальным, рекомендуется параллельное соединение нескольких конденсаторов различной емкости.

Монтажная плата содержит микросхему LTC3109 (D1) которую возможно использовать как в униполярном так и двухполярном включении (с двумя трансформаторами).

Для выпрямления используются внешние диоды 1N4148 (VD1, VD2). Возможно использование и внутренней схемы выпрямления, коммутационные соединения при этом осуществляются с помощью перемычек R1-R7. Модуль ТЭГ подключается к разъему XR1. С помощью перемычки JP1 выбирается выходное напряжение микросхемы D1 на выводах VOUT  и VOUT2(3.3 или 5 вольт). В качестве потребителя электроэнергии выступает микроконтроллер DD2 (stm32f051rct), напряжение питания которого поступает с вывода VLDO микросхемы D1, равное 2,2В. Микроконтроллер так же управляет выходом VOUT2 с микросхемы D1 Для индикации также используются светодиод VD3.

Печатная плата выполнена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита размером 60*80 мм. Большинство электронных компонентов предназначены для поверхностного монтажа, за исключением ионисторов, оксидных конденсаторов большой ёмкости и разъёмов. Печатная плата имеет защитную маску, выполненную лаком. Полный список используемых компонентов представлен в Таблице 2.1.

Таблица 2.1. Список компонентов блока питания на основе ТГМ.

 

2.2. Расчет основных параметров ТГМ

Из соотношений (1.13), (1.14)и  (1.15) были рассчитаны параметры для ТГМ-199-1,4-0,8 и ТГМ-287-1,0-2,5(таблица 2.2)

Таблица 2.2. Основные параметры ТГМ

2.3. Выводы по разделу 2

1. Была разработана принципиальная схема блока питания.
2. Была разработана печатная плата блока питания
3. Проведен сравнительный анализ параметров ТГМ-199-1,4-0,8 и ТГМ-287-1,0-2,5.

 

Раздел 3. Экспериментальные исследования работы ТЭГ при различной разности температур

3.1. Структурная схема ТЭГ

Для анализа работы ТЭГ и определения его основных параметров была разработана  схема установки (рис 3.1).

Основными элементами установки являются:

1 – источник тепла (печь накаливания с блоком питания Б5 3005), диапазон рабочих температур варьируется от 25 до 200 ^оС;

2 – термогенераторный модуль (ТГМ);

3 – пластинчатый алюминиевый радиатор, обдуваемый вентилятором (рисунок 3.12).

4 – нагрузочное устройство (магазин сопротивлений Р32);

5 – вольтметр;

6, 7 – электронные термометры.

Устройство и принцип работы установки следующие: источник тепла подводит тепловой поток Q_h к горячей стороне ТГМ, радиатор отводит от холодной стороны ТГМ тепловой поток Q_c. ТГМ преобразует разность значений температур горячей и холодной сторон в электричество, которое передается на нагрузочное устройство.

Экспериментальная установка снабжена измерительными приборами: вольтметром В7-34А для измерения падения напряжения на внешней нагрузке, электронными термометрами М-838 для замера температуры на входе и выходе тепла 6, 7

3.2. Результаты экспериментальных исследований

3.2.1.Основные формулы и соотношения для определения параметров ТЭГ

Для того чтобы создать разность температур на сторонах генераторного модуля, к его горячей стороне необходимо подвести тепловой поток Q_h, а с холодной стороны отвести тепловой поток Q_c, причем их разность, по закону сохранения энергии, составит вырабатываемую электрическую мощность P:

P = Q_h — Q_c        (3)

На внешней нагрузке R_н ТЭГ создает напряжение U, равное термо-ЭДС, за вычетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении генератора:

Сила тока I в цепи определяется выражением:

где m = R_H / R

Напряжение на нагрузке равно:

Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь, можно вычислить по следующей формуле:

Эффективность работы термоэлектрического генератора оценивается коэффициентом полезного действия:

η = P /Q_h

Величину Q_h можно найти из рассмотрения уравнения теплового баланса. К горячей стороне ТЭГ, помимо тепла Q_h, поступает половина джоулева тепла, выделяющегося в ветви термоэлемента. С другой стороны, в силу эффекта Пельтье, на горячем спае поглощается количество теплоты, равное αIT. Кроме того, в ветви действует механизм теплопроводности от горячих спаев к холодным. В итоге можно записать следующее выражение:

где Z = α / (R + K_m) – параметр термоэлектрической добротности, которой оценивается эффективность полупроводникового материала.

Величина Q_c определяется следующей зависимостью:

Коэффициент полезного действия η выражается соотношением:

Из формулы видно, что коэффициент полезного действия термоэлектрического генератора определяется через КПД цикла Карно и множитель, зависящий от m, Z и температур спаев T_h и T_c. Данный множитель меньше 1, и при современном качестве полупроводниковых материалов составляет ~ 1/6≈0.17.

Ниже приведены результаты испытаний двух образцов ТГМ в нескольких режимах (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Режимы температурных испытаний.

 

Испытания проводились при изменении разности температур от 25 до 150 ºC с шагом 25 ºC. Для обеспечения эффективной работы ТГМ необходимо обеспечить максимально допустимую разность температур между сторонами модуля.

Величина приложенной нагрузки варьировалась в пределах 1÷5000 Ом.

На рисунке 3.2 – 3.6 представлены экспериментальные зависимости падения напряжения от сопротивления нагрузки.

В таблице 3.2 рассчитаны максимальные параметры двух исследуемых образцов ТГМ.

Анализ полученных данных показывает, что напряжение на ТГМ быстро растет при увеличении параметра m до 1 и далее выходит на насыщение. Как и следовало ожидать, на ТГМ-287 было получено большее значение выходного напряжения, что объясняется большим количеством термопар и, следовательно, термо-ЭДС.

Таблица 3.2. Максимальные параметры ТГМ.

 

Значения выходного напряжения и силы тока с увеличением разности температур возрастают в линейной пропорции. Электрическая мощность на нагрузке прямо пропорциональна квадрату разности температур ΔT (рисунок 3.6).

Для достижения максимальной мощности значение электрического сопротивления нагрузки должно быть равно значению внутреннего сопротивления генераторного модуля в условиях эксплуатации, т.е. m=1.

Выбирая определенным образом параметр m, можно изменять КПД, и при этом будет изменяться электрическая мощность, которую можно получить с термоэлектрического генератора.

Максимальную мощность с ТЭГ можно получить при равенстве внешней и внутренней нагрузок (m=1), а максимальный КПД достигается при m, равном:

3.3. Результаты испытаний макета источника питания на базе ТЭГ

Испытания проводились на макетной плате (Рисунок 3.7). В качестве испытательного модуля использовался ТЭГ ТГМ-199-1,4-0,8. Нагрев осуществлялся с помощью нагревателя, расположенного непосредственно на печатной плате, охлаждение с помощью радиатора. Необходимая мощность подводилась к нагревателю с помощью лабораторного блока питания. Разность температур, полученная в результате испытаний, составила от 8 до 38ºC. Выходное напряжение микросхемы LTC3109 было выбрано 5 вольт. Сопротивление нагрузки составляло 300 Ом. Полученные результаты испытаний представлены в Таблице 3.7 и Рисунке 3.8.

Таблица 3.7. Результат испытания макета с микросхемой LTC3109.

 

Анализ полученных данных показывает, что ток с преобразователя быстро растет при увеличении разности температур и далее выходит на насыщение, которое для данной микросхемы составляет 15 мА. Входное напряжение модуля при разности температур больше 20 °C стабилизируется на уровне 0.7-0.8 вольт. За счет накопления энергии в конденсаторе модуль может выдать пиковый ток до 100 мА, однако в длительном режиме способен выдавать средний ток только 15 мА. Для получения большего тока от этого же модуля ТГМ можно применить повышающий преобразователь напряжения, например, max1674, обеспечивающий выходной ток до 300 мА, при входном напряжении от 0.7 вольт. При этом основное питание микроконтроллера осуществляется от микросхемы LTC3109, что дает возможность работы при малых перепадах температур (меньше 10°C). Работа устройства в данном случае может быть разделена на низкопотребляющий (5-10°C<DT<20°C) и основной режим работы (при DT>20°C).

Выводы по разделу 3

1. Для достижения максимальной мощности значение электрического сопротивлении нагрузки должно быть равно значению внутреннего сопротивления генераторного модуля в условиях эксплуатации, т.е. m=1.
2. Выбирая определенным образом параметр m, можно изменять КПД, и при этом будет изменяться электрическая мощность, которую можно получить с термоэлектрического генератора.
3. В ходе работы были получены экспериментальные зависимости мощности выделяющейся на нагрузке при различных температурных режимах.
4. В результате сравнения характеристик для двух модулей был выбран ТГМ-199-1,4-0,8.
5. Применяя данный модуль в заданном температурном диапазоне можно добиться мощности, выделяемой на нагрузке порядка 8 Вт.

 

Заключение

В ходе данной работы был разработан блок питания на основе термоэлектрического генератора. Были выбраны необходимые ТГМ для проведения эксперимента.

Также разработана принципиальная схема и печатная плата ТЭГ. Произведен сравнительный анализ модулей по их основным характеристикам.

Проведена настройка опытных образцов элементов беспроводной информационной сети.

Проведено испытание опытных образцов элементов беспроводной информационной сети и макета источника питания.

Учитывая существующие стандарты для обеспечения бесперебойного питания маломощных интегральных микросхем, а именно напряжение питания от 2,2 В до 5 В и потребляемая мощность порядка 250 мВт, можно сделать вывод о принципиальной возможности применения ТГМ в качестве автономного источника питания. Характеристики модельных ТГМ полностью покрывают требуемый диапазон значений, как по напряжению питания, так и по мощности, при этом диапазон изменений температуры очень широк.

 

Библиографический список

1. А.С. Бернштейн «Термоэлектрические генераторы» 1956г. Государственное энергетическое издательство г. Ленинград
2. Као К., Хуанг В. «Перенос электронов в твердых телах.Часть 1» 1984г. Издательство «Мир» г. Москва
3. О.И. Ильярский, Н.П. Удалов «Термоэлектрические элементы» 1970г. Издательство «Энергия» г. Москва
4. Иоффе А.Ф. «Полупроводники» 1955г. Издательство АН ССР
5. Кораблев В. А., Тахистов Ф. Ю., Шарков А. В. Прикладная физика. Термоэлектрические модули и устройства на их основе: Учебное пособие / Под ред. проф. А. В. Шаркова. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2003. – 46 с.
6. Термоэлектрические модули и устройства на их основе: справ. пособие. – СПб.: ИПФ «Криотерм», 2004. – 53 с.
7. http://www.farnell.com/datasheets/1747533.pdf

---

Страницы:   1   2

---