Timpul prezent, care este plin de o mulțime de lucruri inovatoare și dispozitive direct legate de Internet, se dezvoltă mai activ datorită apariției unui nou sistem de comunicații fără fir care permite dispozitivelor electronice să-și desfășoare propria activitate fără baterii, baterii și alte surse de energie electrică. Tehnologia, care a fost dezvoltată de oamenii de știință de la Universitatea din Washington din Seattle, poate acumula și colecta energia undelor radio din jur, transformând-o în energie electrică. Dispozitivele electronice au nevoie de această energie electrică pentru a funcționa fără fir. La prima vedere, acest lucru pare imposibil, dar sistemul de comunicație nu își emite deloc semnalele - interacțiunea dintre dispozitive are loc pe principiul modulării și reflectării undelor radio care vin din exterior.
O echipă de cercetători condusă de Shyam Gollakota a produs dispozitive prototip pentru a dovedi performanța excelentă a tehnologiei. Dispozitivele cu experiență au dimensiuni mici, cam de dimensiunea unui card de credit. Fiecare dispozitiv este capabil să funcționeze și să facă schimb de informații folosind semnale radio de televiziune. Sistemul de monitorizare al dispozitivului poate detecta un semnal de televiziune, poate determina direcția de propagare a acestuia și poate reflecta semnalul în direcția dorită, modulându-l cu informații care sunt destinate transmiterii către un alt dispozitiv.
"Dispozitivele nu emit semnale, schimbul de date are loc numai prin reflectarea semnalului, reflectarea ulterioară între reflexiile semnalului de la mașini, copaci și camere. Absorbim doar o cantitate mică de energie de semnal, care după un anumit timp se va stinge de la sine, ” relatează Gollakota.
Dispozitivele de probă care utilizează semnale TV pot comunica între ele pe o distanță de câțiva metri. Energia consumată din undele radio este suficientă pentru a aprinde LED-urile care indică recepția datelor de la un alt dispozitiv, precum și pentru a permite funcționarea unui mic microcontroler.
Dispozitive de probă
Posibilitățile de utilizare a unei astfel de tehnologii sunt foarte largi - de la o cheie mică care trimite un SMS către telefonul mobil al proprietarului indicând locația sa, până la o varietate de senzori încorporați în elementele structurale ale structurilor și clădirilor care raportează probleme și monitorizează constant starea acestora.
"Deoarece astfel de dispozitive primesc energie electrică din exterior, proprietarul nu trebuie să se gândească în mod constant la înlocuirea surselor de energie. Astfel de dispozitive sunt instalate o dată și funcționează mult timp, până când eșuează complet", spune omul de știință Joshua Smith.
Pe lângă crearea de dispozitive electronice complet autonome și independente din punct de vedere energetic, oamenii de știință iau în considerare integrarea noilor tehnologii în proiectarea smartphone-urilor și a altor dispozitive electronice portabile. Energia obtinuta din energia undelor radio poate fi folosita pentru a incarca continuu bateriile, marindu-le de multe ori durata de viata. Această energie este suficientă pentru a trimite SMS-uri în cazul unui eveniment - de exemplu, o descărcare completă a bateriei.
Pentru ca tehnologia să corespundă ideii de Internet al Lucrurilor, oamenii de știință trebuie încă să muncească din greu. În primul rând, trebuie să extindă domeniul de frecvență radio pe care îl acoperă sistemul. Acest lucru va permite sistemului să consume energie nu numai din semnalele de televiziune, semnalele turnului de telefonie mobilă, rețelele fără fir, ci și din transmisiile posturilor de radio. O astfel de extindere va permite comunicarea continuă între dispozitive în absolut orice condiții și va crește cantitatea de energie electrică care poate fi folosită în scopurile dvs.
În lumea modernă, când resursele energetice devin din ce în ce mai scumpe, mulți oameni își îndreaptă atenția asupra posibilității de a-și economisi banii prin utilizarea oricăror surse alternative de energie electrică.
Această problemă ocupă mintea nu numai a inventatorilor autohtoni care încearcă să găsească o soluție acasă cu un fier de lipit în mâini, ci și a unor adevărați oameni de știință. Aceasta este o întrebare care s-a discutat de mult timp și se fac diverse încercări de a găsi noi surse de energie electrică.
Este posibil să obțineți electricitate din aer?
Poate că mulți ar putea crede că aceasta este o prostie de-a dreptul. Dar realitatea este că este posibil să scoți electricitate din aer. Există chiar și scheme care pot ajuta la crearea unui dispozitiv capabil să obțină această resursă literalmente din nimic.
Principiul de funcționare al unui astfel de dispozitiv este că aerul este un purtător de electricitate statică, doar în cantități foarte mici, iar dacă creați un dispozitiv potrivit, atunci este foarte posibil să acumulați electricitate.
Experiențele unor oameni de știință celebri
Puteți apela la lucrările unor oameni de știință deja celebri care au încercat în trecut să obțină electricitate literalmente din aer subțire. Unul dintre acești oameni este celebrul om de știință Nikola Tesla. El a fost primul care a crezut că electricitatea poate fi obținută, aproximativ, din nimic.
Bineînțeles, pe vremea lui Tesla nu era posibil să înregistreze toate experimentele sale pe video, așa că în prezent experții trebuie să-și recreeze dispozitivele și rezultatele cercetărilor sale, conform notelor și vechilor mărturii ale contemporanilor săi. Și, datorită multor experimente și cercetări ale oamenilor de știință moderni, este posibil să se construiască un dispozitiv care să permită generarea de energie electrică.
Tesla a stabilit că există un potențial electric între bază și placa metalică înălțată, reprezentând electricitate statică și, de asemenea, a stabilit că aceasta poate fi stocată.
Ulterior, Nikola Tesla a reușit să construiască un dispozitiv care ar putea acumula o cantitate mică de electricitate, folosind doar potențialul conținut în aer. Apropo, Tesla însuși a presupus că prezența electricității în compoziția sa, aerul se datorează razelor soarelui, care, atunci când pătrunde în spațiu, își împarte literalmente particulele.
Dacă ne uităm la invențiile oamenilor de știință moderni, putem da un exemplu al dispozitivului lui Stephen Mark, care a creat un generator toroidal care vă permite să stocați mult mai multă energie electrică, spre deosebire de cele mai simple invenții de acest gen. Avantajul său este că această invenție este capabilă să furnizeze energie electrică nu numai dispozitivelor de iluminat slabe, ci și aparatelor de uz casnic destul de serioase. Acest generator este capabil să funcționeze fără reîncărcare pentru o perioadă destul de lungă.
Circuite simple
Există circuite destul de simple care vor ajuta la crearea unui dispozitiv capabil să primească și să stocheze energia electrică conținută în aer. Acest lucru este facilitat de prezența în lumea modernă a multor rețele și linii electrice care contribuie la ionizarea spațiului aerian.
Puteți crea un dispozitiv care primește electricitate din aer cu propriile mâini, folosind doar un circuit destul de simplu. Există, de asemenea, diverse videoclipuri care pot oferi instrucțiunile necesare utilizatorului.
Din păcate, crearea unui dispozitiv puternic cu propriile mâini este foarte dificilă. Dispozitivele mai complexe necesită utilizarea unor circuite mai serioase, ceea ce uneori complică semnificativ crearea unui astfel de dispozitiv.
Puteți încerca să creați un dispozitiv mai complex. Există diagrame mai complexe pe Internet, precum și instrucțiuni video.
Video: generator de energie gratuit de casă
Radiația electromagnetică este acum oriunde te duci. Radio, televiziune, comunicații mobile și prin satelit, electrocasnice. Acum ne „scăldăm” literalmente într-o mare de radiații electromagnetice pe care noi înșine le producem, este numită și „smog electronic”. Îl folosim ineficient și îl risipim. Plătim mulți bani pentru resursele energetice, dar nu am învățat cu adevărat cum să le folosim. Chiar și hârtia, plasticul și metalul pot fi reciclate și utilizate, dar energia radiațiilor electromagnetice nu poate. Puțini oameni știu că această energie poate fi reutilizată. Cum?
Energia din jurul nostru
Recent, au apărut o serie de publicații pe tema obținerii energiei din vid. Subiectul este cu siguranță interesant și pentru mulți nu este încă familiar și de neînțeles. Acest lucru este dovedit de valul de critici din comentariile la astfel de publicații. Cu toții suntem obișnuiți cu faptul că energia electrică în marea majoritate a cazurilor ajunge la noi prin fire de la centralele electrice. De asemenea, panourile solare și generatoarele eoliene nu sunt exotice pentru nimeni. Unii chiar le folosesc, deși aplicarea în masă este încă departe; procentul de utilizare a energiei „libere” este încă relativ scăzut.
În lumea științifică se vorbește mult despre așa-numita „Materie întunecată” și, în consecință, despre „energia întunecată” care se găsește în ea. Până acum, utilizarea unei astfel de energii rămâne o „materie întunecată”. Știm doar că există o mulțime de această energie în jurul nostru. Dar puțini oameni știu (sau mai degrabă nu observă) faptul că în jurul nostru există o mulțime de alte energii care ne sunt familiare de mult - undele electromagnetice.
Receptoare detectoare
Pe când eram încă școlar, am fost la un club de radio electronică, unde băieții și cu mine ne-am asamblat primele circuite electronice. Printre acestea se numărau și receptoare care puteau funcționa fără baterii(!). "Cum este posibil acest lucru?" Da, este foarte simplu - pentru ca un astfel de receptor să funcționeze, energia undelor radio emise de stația de transmisie este suficientă (mai ales dacă este situat în apropiere). Puteți găsi multe circuite de receptor de detectoare similare.
Radioul este cu siguranță interesant, dar am vrut să încerc să folosesc energia undelor radio într-un mod diferit, de exemplu pentru a alimenta un motor electric de jucărie. Se învârtea, dar nu era suficientă energie pentru el. Dar tot a funcționat!
Funcționarea surselor de curent continuu, care sunt descrise mai jos, se bazează pe utilizarea așa-numitei energie disponibilă gratuit, adică energia undelor radio de la un post de radio local puternic. Astfel de surse vă permit să alimentați receptoare cu tranzistori (1...3 tranzistoare). Un astfel de experiment a fost realizat. Departe de oraș, o antenă de sârmă de aproximativ 30 m lungime a fost atârnată la o înălțime de 4 m. O putere DC de 0,9 mW a fost alocată la o sarcină de 9 kOhm. Totodată, emițătorul cu o putere de 1 kW și o frecvență de funcționare de 1,6 MHz a fost amplasat la o distanță de aproximativ 2,5 km. La bornele condensatorului de filtru (la relanti) s-a înregistrat o tensiune de aproximativ 5 V. Astfel de rezultate se obțin doar cu ajutorul unei antene mari îndreptate spre emițător.
În practică, se folosesc alte scheme mai eficiente. Există trei metode cunoscute de alimentare a receptorilor de la tensiunea RF rectificată a unei stații radio. Primul este că postul de radio este recepționat folosind două antene. Semnalele radio primite de a doua antenă sunt convertite în curent continuu, care este folosit pentru alimentarea receptorului. O altă metodă utilizează o antenă și o parte din energia pe care o captează este transferată într-un circuit convertor. În această din urmă metodă, se folosesc două antene: prima antenă este pentru recepționarea emisiunilor radio care sunt ascultate, iar a doua primește semnale de la un alt post de radio, care sunt convertite în tensiune de alimentare.
Cea mai simplă diagramă a unui punct radio fără fir este prezentată în Fig. a-c. Poate primi un post de radio local, de exemplu, același „Varșovia II” și, în același timp, își poate folosi energia pentru a o transforma în electricitate. d.s. curent continuu. Pentru a recepționa unde radio cu o frecvență de peste 50 MHz, adică semnale de la transmițătoarele VHF (de exemplu, televiziune), convertorul de tensiune RF trebuie să aibă o antenă specială - un vibrator buclă (dipol). Această antenă poate funcționa simultan în domeniul undelor medii, atât ca receptor, cât și ca sursă de alimentare. Dacă energia unui vibrator nu este suficientă, atunci se folosesc mai multe antene de acest tip (Fig. e), conectate în serie (pentru creșterea tensiunii) sau în paralel (pentru creșterea curentului).
Folosind antena prezentată în fig. d, captând energia undelor radio de la un emițător de 50 kW care funcționează în intervalul 50...250 MHz, s-a obținut o putere DC de aproximativ 3 mW. Antena era situată la 1,5 km de emițător. În fig. Prezintă un circuit receptor cu două antene, dintre care una (VHF) este utilizată la sursa de alimentare. Un receptor de unde mijlocii poate funcționa cu orice antenă, în timp ce sursa de alimentare trebuie să primească energie RF de la o antenă dipol. In pozitia 1 a comutatorului B1, dispozitivul actioneaza ca un dispozitiv de semnalizare actionat de un semnal HF modulat, in pozitia 2 ca un receptor.
Un exemplu interesant de utilizare a energiei undelor radio pentru alimentarea dispozitivelor radio este circuitul prezentat în Fig. și. Acesta este un radiofar (terrestru, fluvial sau maritim), care este activat de un semnal de la un transmițător instalat pe o mașină, navă, planor sau avion. Semnalele de interogare declanșează un transmițător pe geamandura, ale cărui semnale de răspuns servesc la determinarea locației acestuia. Dispozitivele de semnalizare de acest tip facilitează găsirea oamenilor rătăciți în mare, munți, păduri dese etc. Ele fac parte din echipamentul turiștilor și alpiniștilor. Utilizarea cu pricepere a energiei undelor radio va face aparent posibilă reducerea semnificativă a dimensiunii aparatelor auditive, a receptoarelor, a dispozitivelor de control de la distanță, a jucăriilor etc. Trebuie spus, totuși, că, după cum au arătat experimentele, se obțin rezultate acceptabile la alimentare. receptoare de la tensiunea RF redresată recepționată. Undele radio pot fi obținute numai prin utilizarea unor antene atent reglate și o bună împământare. Un alt dezavantaj este că cantitatea de tensiune redresată depinde de adâncimea de modulare a frecvenței purtătoare în timpul recepției.
Dacă există radiație electromagnetică, atunci are energie și această energie poate fi folosită. Nimic aici nu contrazice legile fizicii, spre deosebire de așa-numitele „generatoare de energie în vid”. În acest caz vorbim despre radiația de energie reală.
Această idee în sine nu este nouă; este cam la fel de veche ca și radiodifuziunea în sine. Note pe această temă pot fi găsite și în revistele autohtone apărute în zorii radioului nostru amator. Este clar că nu veți obține multă „energie gratuită” dintr-o astfel de sursă și, în general, are sens să faceți acest lucru doar pentru cei care locuiesc la o distanță relativ mică de transmițătoare.
De exemplu, o diagramă a radioamatorului american Michael Lee:
Pentru a primi „energie gratuită”, autorul a folosit antena (WA1) și sistemul de împământare al unui post de radio amator. Antena are un fascicul de 43 de metri lungime. Aceasta este de câteva ori mai mică decât lungimea de undă a stațiilor radio cu undă medie, astfel încât impedanța de intrare a unei astfel de antene are o componentă capacitivă vizibilă. Un condensator variabil C1 conectat în paralel și un condensator constant C2 sunt conectați în serie cu acesta, ceea ce vă permite să ajustați valoarea redusă a componentei capacitive la punctul de conectare a ieșirii superioare (conform diagramei) a bobinei L1 ( cu alte cuvinte, modificați frecvența de rezonanță a circuitului serie format de această bobină și capacitatea antenei) .
Când circuitul rezonează, poate apărea o tensiune RF semnificativă pe bobina L1 de la stația de radio purtătoare la care este reglat circuitul oscilant. În experimentele autorului, cu o inductanță a bobinei L1 de 39 μH, a avut loc rezonanța la o frecvență de 1370 kHz (cea mai puternică stație de radio locală a lucrat la ea) cu capacitatea totală a condensatoarelor C1 și C2. egal cu 950 pF (intervalul de acordare este limitat la frecvențe de 1100 și 1600 kHz).
Deoarece tensiunea RF în acest caz trebuie îndepărtată din circuitul de înaltă rezistență, dioda redresoare VD1 este conectată la robinetul bobinei. Locul său este selectat la configurarea dispozitivului în funcție de puterea maximă de ieșire. După cum notează autorul, locația robinetului nu a fost critică: aproximativ aceleași rezultate s-au obținut atunci când acesta a fost situat în intervalul de la 1/4 la 1/6 din numărul de spire ale bobinei, numărând de la partea inferioară a acesteia (conform la borna circuitului).
Pentru a evita supraîncărcarea bateriei sau defectarea diodelor redresoare atunci când bateria este deconectată (din cauza unei posibile defecțiuni prin tensiune inversă), în dispozitiv este introdusă o unitate de protecție pe tranzistoarele VT1 și VT2. Când tensiunea de sarcină este mai mică de 12 V, nu trece curent prin dioda zener VD3, astfel încât tranzistoarele sunt închise. Când tensiunea crește peste această valoare, se deschid și rezistorul R4 ocolește ieșirea redresorului.
Conform măsurătorilor autorului, un dispozitiv reglat la frecvența postului de radio indicat mai sus a furnizat un curent de încărcare a bateriei de până la 200 mA. (Din păcate, nu există informații despre puterea emițătorului în notă; scrie doar că distanța până la acesta este de aproximativ 1,6 km). Potrivit estimărilor, concentratorul a „produs” aproximativ 1.700 Ah pe parcursul unui an pentru a încărca bateria... Mai mult decât atât, spre deosebire, de exemplu, de panourile solare, acesta poate fi folosit aproape non-stop (mai precis, pe toată durata timpul de funcționare al postului de radio).
Pentru a regla circuitul, autorul a folosit un condensator variabil cu un spațiu mare între plăcile rotorului și statorului, dar dacă tensiunea dezvoltată în sistem la rezonanță nu este prea mare, puteți utiliza și un condensator cu un dielectric de aer dintr-o difuzare. receptor.
Inductorul L1 este înfășurat pe un cadru cu un diametru de 50 mm și conține 60 de spire de sârmă cu un diametru de 1,6 mm, lungimea înfășurării este de 250 mm (pasul este de aproximativ 4 mm). Miezul magnetic al inductorului 12 este un inel T-106-2 (27 × 14,5 × 11,1 mm) din fier carbonil, înfășurarea constă din 88 de spire de sârmă cu diametrul de 0,4 mm. Diodele VD1 și VD2 sunt proiectate pentru curent direct de până la 1 A și tensiune inversă 40 V. Dioda Zener VD3 - cu o tensiune de stabilizare de 12 V.
Desigur, la repetarea dispozitivului, parametrii elementelor circuitului oscilant (inductanța bobinei L1 și capacitatea condensatoarelor C1 și C2) trebuie ajustați la antena existentă și la frecvența postului radio local.
J. Voitsekhovsky, Surse experimentale de electricitate (Capitolul 6 din cartea „Jucării radio-electronice”)Capitolul 6 din cartea lui J. Woitsekhovsky „Jucării radio-electronice”, traducere din poloneză, Moscova, 1979.
6. Surse experimentale de energie electrică
Pe lângă sursele clasice de curent chimic: celule galvanice uscate și baterii, precum și toate tipurile de convertoare (mașină, vibrator, tranzistor) - în experimentele noastre folosim dispozitive care convertesc căldura, lumina, undele radio și sunetul în curent electric. Trebuie remarcat, totuși, că, în ciuda simplității circuitelor, astfel de convertoare de energie sunt de obicei dificil de reglat, în primul rând datorită puterii reduse și eficienței reduse. Tocmai aici se deschide un domeniu larg de activitate pentru experimentatorii persistenti.
6.1. Energia luminii
Puterea razelor solare incidente vertical pe partea exterioară a atmosferei este de aproximativ 1350 W/m2. La latitudini medii, puterea pentru suprafața Pământului este de 300 W/m2 vara și 80 W/m2 iarna. Valorile aproximative ale intensității diferitelor surse de lumină (în microwați pe metru pătrat) sunt, respectiv: lumina soarelui 10 6 și mai sus, lampă fluorescentă 1...10, lumina lunii - 10 -1 ...1, iluminare electrică bună - 10 - 2, lumină slabă (abia vizibilă) 10 -10.
Eforturile designerilor merg pe calea utilizării fotocelulelor pentru a transforma direct energia solară în energie electrică. Fotoconvertitoarele, numite și panouri solare, constau dintr-un număr de fotocelule conectate în serie sau paralel. Dacă convertorul trebuie să încarce o baterie care alimentează, de exemplu, un dispozitiv radio în perioadele înnorate, atunci acesta este conectat în paralel la bornele bateriei solare (Fig. 6.1, b).
Elementele utilizate în bateriile solare trebuie să aibă eficiență ridicată, caracteristici spectrale favorabile, rezistență internă destul de scăzută, cost redus, design simplu și greutate redusă. Din păcate, doar câteva dintre fotocelulele cunoscute astăzi îndeplinesc cel puțin parțial aceste cerințe. Acestea sunt în primul rând câteva tipuri de fotocelule semiconductoare. Cel mai simplu dintre ele - seleniul - are o caracteristică spectrală maximă la o lungime de undă de 560 nm, ceea ce corespunde aproape cu radiația maximă din spectrul solar. Din pacate, eficienta Cele mai bune fotocelule cu seleniu sunt mici (0,1...1%), iar rezistența lor internă ajunge la (1...50)x10 3 Ohmi, ceea ce nu le permite să fie conectate la circuite cu rezistență scăzută de intrare și le anulează valoarea practică. . Dar aceste elemente sunt ușor utilizate de radioamatorii, deoarece sunt ieftine și accesibile (sunt instalate în multe expunetoare foto).
La baza bateriilor solare se află fotoconvertoarele de siliciu, care au forma unor plăci rotunde sau dreptunghiulare cu o grosime de 0,7...1 mm și o suprafață de până la 5...8 cm2. Experiența a arătat că elementele mici cu o suprafață de aproximativ 1 cm 2 dau rezultate bune. O fotocelulă cu suprafața de lucru de 1 cm 2 creează un curent de 24 mA la o tensiune de 0,5 V (sub o sarcină de 0,3 V) și are eficiență. aproximativ 10%
Mai multe exemple de utilizare practică a celulelor solare sunt prezentate în Fig. 6.1. Ele sunt utilizate împreună cu sursele de curent chimic pentru a alimenta dispozitivele de pe sateliții artificiali de pe Pământ și modelele acestora (vezi Fig. 16.22).
Celulele solare din siliciu sunt încă foarte scumpe. Cu toate acestea, este de așteptat ca în viitor să găsească o aplicare largă în gospodărie. S-a calculat că pentru iluminarea unei încăperi cu ajutorul lămpilor cu puterea de 3 A x 110 V este suficientă utilizarea unei baterii solare cu dimensiunile de 2 x 2 x 0,05 m, care încarcă o baterie alcalină.
Fotocelulele au fost create și din materiale semiconductoare, de exemplu din sulfură de cadmiu CdS cu eficiență teoretică. 18% și e.m.f. 2...2,5 V în lumina directă a soarelui. Apropo, eficiență practică convertoare fotoelectrice (aproximativ 10%) depășește, în special, eficiența. locomotivă cu abur (8%), factor de eficiență al energiei solare în lumea plantelor (1%), precum și eficiență. multe dispozitive hidraulice și eoliene. Convertoarele fotovoltaice au o durabilitate practic nelimitată.
Să prezentăm spre comparație valorile eficienței. diverse surse de energie electrică (în procente): centrală termică combinată - 20...30, convertor termoelectric semiconductor - 6...8, fotocelulă cu seleniu - 0,1...1, baterie solară - 6...11, pila de combustibil - 70, baterie plumb 80... 90, baterie alcalina - 50...60, baterie argintiu-zinc 88...95.
Orez. 6.1. Panouri solare
a - conexiuni seriale (sau paralele) 1 și mixte 2 ale celulelor fotovoltaice; b - circuit pentru încărcarea bateriilor miniaturale; c - designul sursei de alimentare montate pe corpul receptorului; unghiul de iluminare al bateriilor (în cazul nostru, format din patru elemente) poate fi reglat; d - proiectarea sursei de alimentare; d - model de feribot; e - baterie de elemente din tranzistoare.
Fotocelulele pot fi conectate în serie, paralel sau mixte (Fig. 6.1, a). Pot lucra si sub iluminare artificiala cu o lampa electrica cu o putere de 200...300 W. În acest caz, ar trebui să acordați atenție faptului că temperatura fotocelulei nu depășește +70 ° C. Temperatura minimă admisă este de -30 ° C.
1. Baterie solară cu seleniu. Puteți utiliza fotocelule cu seleniu de orice tip de la un fotometru de expunere sau cele de casă (vezi Fig. 2.10). O sursă de alimentare de acest tip furnizează energie unui receptor cu 1...3 tranzistori. Ar trebui să fie compus din 10 fotoconvertitoare conectate în serie. Bateria produce un curent de 1 mA și o tensiune de 4,5 V atunci când este iluminată de lumina soarelui sau de o lampă electrică de mare putere. Pentru a alimenta receptoarele cu un singur tranzistor, este suficient ca bateria să conțină 4...6 elemente și, atunci când este iradiată de lumina soarelui căzând perpendicular pe suprafața sa, să dezvolte un curent de 1 mA la o tensiune de 2...3 V. aceeași baterie instalată pe o fereastră în timpul zilei, dar neiluminată de soare, furnizează un curent de doar 1 mA la o tensiune de 1,5 V.
Se poate presupune că un singur fotoconvertor cu seleniu cu o suprafață de 3 cm 2 poate produce (în plină iluminare) un curent de 1 mA la o tensiune de 0,5 V. Dacă este necesar să alimentați un motor electric sau să încărcați o miniatură baterie, convertoarele sunt conectate în paralel. În fig. 6.1d prezintă un model de feribot cu un motor electric care consumă un curent de 5 mA și o diagramă a alimentării sale de la o baterie solară cu seleniu. Modelul este din balsa [ Arborele de balsa crește în nord. Anzi, lemnul său este de șase ori mai ușor decât lemnul de salcie, uneori chiar mai ușor decât scoarța de stejar de plută.] sub formă de catamaran pentru a evita pierderile prin frecare ale arborelui elicei. Cu această soluție, este suficient să folosiți un inel de sârmă ca rulment pentru arborele elicei.
S-a stabilit experimental că cu o conexiune mixtă a fotoconvertoarelor cu seleniu (opt grupuri conectate în serie, fiecare grup are șase elemente conectate în paralel), se poate obține un curent de aproximativ 20 mA la o tensiune de 4 V. Se recomandă ca conectați fotoconvertoarele folosind cleme cu arc (din bronz fosforat, vezi Fig. 13, 7, a, b), deoarece lipirea poate distruge elementul.
2. Celulă solară cu siliciu. Este fabricat aproape în același mod ca o baterie cu seleniu, așa că vom arăta doar cum să plasăm bateria pe corpul dispozitivului alimentat (Fig. 6.1, b). Patru fotocelule sunt conectate în serie și, în plină lumină solară, produc un curent de aproximativ 50 mA la o tensiune de 1,5 V. Aceeași baterie poate furniza un curent de 90...100 mA la o tensiune de 0,5...0,7 V. la un mic ventilator electric.
3. Baterie solară de casă. Aproape toate diodele și tranzistoarele semiconductoare dintr-o carcasă de sticlă pot servi drept convertoare fotoelectrice. Pentru a face acest lucru, este suficient să le îndepărtați învelișul opac. O celulă solară poate fi realizată din tranzistoare defecte, cu condiția să nu aibă un scurtcircuit între bază și colector sau bază și emițător. Cu cât puterea tranzistorului este mai mare, cu atât este mai bună fotocelula pe care o face. Pentru tranzistoarele într-o carcasă metalică, îndepărtați cu grijă carcasa sau tăiați partea superioară a acesteia (vezi Fig. 2.10, c-d). Înainte de a asambla bateria, ar trebui să verificați fiecare dintre elementele acesteia. Pentru a face acest lucru, un miliampermetru cu o limită de măsurare de până la 1 mA este conectat între bază și bornele colectorului: „plusul” dispozitivului este conectat la colector (sau emițător), iar „minus” la bază. Când iluminați elementul cu lumina soarelui sau cu lumină artificială, microampermetrul ar trebui să arate un curent de 0,2...0,3 mA. Tensiunea măsurată la bornele elementului va fi de aproximativ 0,15 V.
Pentru o baterie solară, sunt selectate elemente cu caracteristici curent-tensiune similare. Bateria este formată din două rânduri de fotoconvertitoare conectate în paralel, fiecare rând conținând 10...12 elemente conectate în serie (Fig. 6.1, e). Panoul frontal al fotodetectorului este prezentat în Fig. 6.1, d, elementele sunt protejate cu sticlă subțire sau plexiglas. Practic, nu este nevoie de un întrerupător, deoarece bateria se oprește singură când este ascunsă într-un buzunar sau într-un sertar de birou.
O baterie solara asamblata cu tranzistoare de tip TG50 produce un curent de 0,5 mA la o tensiune de 1,5 V. Folosind tranzistoarele TG70, P201...203 se poate obtine un curent de 3 mA la o tensiune de 1,5 V.
Volumul unui receptor alimentat de o baterie solară depinde nu numai de intensitatea iluminării, ci și de dimensiunea antenei și de calitatea împământului. Într-un apartament, împământarea poate fi o conductă de apă sau un radiator de încălzire centrală, iar într-o zonă deschisă - o tijă metalică de împământare de 0,5... 0,7 m lungime, conectată printr-un fir torsionat la priza de împământare a receptorului. Un receptor alimentat cu energie solară este util în special pe plajă, unde există soare strălucitor și nisip umed (împământare bună).
6.2. Energie termală
Convertizoarele termoelectrice folosesc efectul apariției curentului sub influența diferențelor de temperatură în circuitele formate din diferite metale sau semiconductori. Acest curent apare în circuitele bateriei termocuplului, unde energia termică este transformată în energie electrică. Dacă luăm, de exemplu, doi conductori electrici care sunt fabricați din metale diferite și le lipim capetele, atunci când un capăt este încălzit și celălalt capăt este răcit, în circuitul acestor conductori de termocuplu va curge un curent electric (numit și un termocuplu). E.m.f. creat în acest fel. va depinde de diferența de temperatură, precum și de selecția materialelor care compun termoelementul. Conductivitatea termică ridicată a termoelementelor metalice nu permite realizarea unei diferențe semnificative de temperatură și astfel o eficiență ridicată. sursă. În prezent, se folosesc termoelemente semiconductoare sau elemente formate dintr-un conductor și un semiconductor.
Convertizoarele termoelectrice (sau generatoarele) înainte de apariția receptoarelor cu tranzistori erau utilizate pe scară largă în multe țări pentru a alimenta radiourile cu baterii cu tuburi (au fost încălzite folosind lămpi cu kerosen sau cu gaz). În timpul războiului, erau cunoscute „fierbatoarele partizane” sovietice, care erau folosite pentru gătit și, în același timp, pentru a genera electricitate pentru a alimenta walkie-talki-urile.
Bateriile termoelectrice semiconductoare sunt folosite în unitățile frigorifice și chiar în frigiderele de acasă. Principiul de funcționare al unor astfel de baterii se bazează pe reversibilitatea proprietăților termoelementelor. Toate joncțiunile de răcire ale bateriei termoelectrice sunt plasate în interiorul frigiderului, iar joncțiunile de încălzire sunt amplasate în exterior. Ambele sisteme de joncțiune sunt echipate cu radiatoare metalice. Radiatoarele interne absorb căldura din compartimentul frigiderului, iar radiatoarele externe (situate în spatele frigiderului) o radiază atunci când un astfel de sistem este conectat la o baterie DC. Avantajul unor astfel de dispozitive este absența pieselor mobile și durabilitatea.
Eficiența bateriilor termoelectrice este de 5...6%, dar este de așteptat ca în viitor să ajungă la 8...10%. Din acest moment, va avea loc o revoluție fără îndoială în tehnologia așa-numitei energie la scară mică.
Când se lucrează cu termoelemente, se folosește și diferența de temperatură dintre stratul de suprafață al solului și aer. De obicei este de 2...6°C (în unele cazuri 8...10°C). Se obține astfel o putere de 70...160 W pe metru pătrat de suprafață, care în medie este de 1000 kW/ha.
1. Baterie termoelectrică. Să luăm în considerare designul unei surse de energie termoelectrică, care are, mai degrabă, valoare educațională, deoarece vă permite să experimentați problemele termoelectricității. Sursa poate fi folosită pentru a alimenta radiouri cu tranzistori simple, modele, ventilatoare mici etc.
În primul rând, câteva note generale. Temperatura maximă la care poate fi încălzit un termocuplu este determinată de punctul de topire al unuia dintre elemente. Deci, o pereche de cupru - constantan poate fi încălzită până la 350 ° C, oțel - constantan - până la 315...649 ° C (în funcție de diametrul firului). Protejarea firelor expuse vă permite să creșteți temperatura de încălzire. O pereche de chromel - alumel poate fi încălzită la 700...1151 ° C. Cel mai adesea, se utilizează sârmă cu un diametru de 0,25...3,5 mm, iar sârma groasă poate rezista la temperaturi mai ridicate. Pentru a crește eficiența termocuplurilor, diferența de temperatură dintre joncțiunile (capetele) termoelementelor trebuie maximizată, adică perechile de metale trebuie selectate astfel încât să se obțină forța termoelectromotoare maximă; ar trebui să se străduiască să se asigure că raportul dintre conductibilitatea termică medie a materialelor și conductivitatea electrică medie este minim.
În tabel Tabelul 6.1 prezintă un număr de metale care pot fi folosite pentru a crea termoelementele. Pentru a obține cele mai bune rezultate, ar trebui să selectați materiale cât mai îndepărtate unul de celălalt în coloană. De exemplu, perechea oțel (sus) - constantan (jos) dă rezultate bune, dar cuprul și argintul sunt o pereche slab activă. Perechea antimoniu-bismut este cea mai bună, dar practic inaccesibilă unui amator: oferă o tensiune termoelectrică ridicată - aproximativ 112 μV / ° C. În plus, fiecare material enumerat în tabel. 6.1, are un potențial negativ (-) în raport cu toate celelalte mai mari din această coloană. De exemplu, într-o pereche oțel-constantan (53 μV/° C), oțelul va avea un potențial pozitiv (+). iar constanta este negativă (-). Într-un termocuplu cromel-alumel, cromel va fi (+) și alumel (-).
Designul practic al unei baterii termoelectrice este prezentat în Fig. 6.2. Pentru a realiza o baterie de termoelemente, sunt necesare două bucăți de sârmă (oțel și constantan) cu un diametru de 0,3 mm și o lungime de 18 m fiecare. După realizarea a 19 termoelemente (Fig. 6.2, b), capetele fiecărui element sunt curățate cu grijă cu șmirghel și răsucite împreună cu un clește aproximativ trei spire. Capetele răsucite sunt apoi sudate cu o pistoletă de acetilenă sau lipite cu argint peste o pistoletă cu gaz. De asemenea, puteți utiliza sudarea în puncte (Fig. 6.2, h). Termocuplurile se montează pe o placă din eternit (azbociment), grosime de 5 mm sau mai mult, care se sprijină cu console peste o bază din placaj sau lemn de 20 mm grosime. Metoda de fabricație a conexiunii și dimensiunile sunt date în Fig. 6.2, d-j. Când sunt testate, termocuplurile individuale ar trebui să producă un curent: aproximativ 22 mA când sunt încălzite cu un chibrit, aproximativ 30 mA după încălzirea cu un arzător cu alcool.
Bateria termoelectrică finită este încălzită în partea din mijloc pe un arzător cu gaz, alcool sau benzină. Căptușeala din cupru stochează căldură și asigură energie electrică, cum ar fi un micromotor electric, timp de câteva minute după ce arzătorul este oprit, acesta fiind cel mai spectaculos moment din timpul demonstrației. În aceste condiții, dispozitivul de măsurare conectat la bornele acestei surse de alimentare arată o tensiune de aproximativ 0,5 V. Când încălzitorul arde normal, bateria produce o putere de 1,5 V x 0,3 A, ceea ce este suficient, de exemplu, pentru a opera un micromotor cu un ventilator. Puteți construi un model al unei centrale electrice a viitorului, puteți conecta un radio cu tranzistor la baterie etc. În fig. 6.2 și prezintă un model simplificat al bateriei termoelectrice descris mai sus. Acesta transformă energia internă a flăcării unei lumânări în electricitate și include 50 de termoelemente, de 50 mm lungime, atașate de un inel de azbest care înconjoară o căptușeală de cupru cu o gaură de 6 mm în mijloc (șemineu). Bateria produce o tensiune de 0,6 V și un curent de 8 mA (curent de scurtcircuit), iar de la aceasta poate funcționa un receptor cu un singur tranzistor. Și încă o notă mică. Când conectați orice număr de termocupluri identice în serie (de exemplu, oțel - constantan - oțel - constantan - oțel etc.), valoarea termo-emf. la bornele de ieșire va crește, dar rezistența internă a bateriei crește cu aceeași cantitate.
Orez. 6.2. baterie termoelectrica:
a - disc de azbociment; b - termoelemente; c - joncțiunea de lucru este atașată de disc cu sârmă de cupru; d - montaj preliminar; e - o căptușeală de cupru introdusă în orificiul discului, precum și o metodă de instalare a joncțiunilor „fierbinte” (ar trebui să fie deasupra căptușelii, dar fără a o atinge); g - vedere generală a bateriei; h - aparat de sudură pentru îmbinări (se poate lua un electrod de carbon dintr-o baterie galvanică uzată); și - opțiunea de proiectare.
6.3. Energia câmpului electromagnetic
Funcționarea surselor de curent continuu, care sunt descrise mai jos, se bazează pe utilizarea așa-numitei energie disponibilă gratuit, adică. energie de la undele radio de la un post de radio local puternic. Astfel de surse vă permit să alimentați receptoare cu tranzistori (1...3 tranzistoare). Un astfel de experiment a fost realizat. Departe de oraș, o antenă de sârmă de aproximativ 30 m lungime a fost atârnată la o înălțime de 4 m. O putere DC de 0,9 mW a fost alocată la o sarcină de 9 kOhm. În același timp, la o distanță de aproximativ 2,5 km a fost amplasat un transmițător cu o putere de 1 kW și o frecvență de funcționare de 1,6 MHz. La bornele condensatorului de filtru (la relanti) s-a înregistrat o tensiune de aproximativ 5 V. Astfel de rezultate se obțin doar cu ajutorul unei antene mari îndreptate spre emițător.
În practică, se folosesc alte scheme mai eficiente. Există trei metode cunoscute de alimentare a receptorilor de la tensiunea RF rectificată a unei stații radio. Primul este că postul de radio este recepționat folosind două antene. Semnalele radio primite de a doua antenă sunt convertite în curent continuu, care este folosit pentru alimentarea receptorului. O altă metodă utilizează o antenă și o parte din energia pe care o captează este transferată într-un circuit convertor. În această din urmă metodă, se folosesc două antene: prima antenă este pentru recepționarea emisiunilor radio care sunt ascultate, iar a doua primește semnale de la un alt post de radio, care sunt convertite în tensiune de alimentare.
În orice caz, puterea RF minimă necesară pentru a opera receptorul este de 50 µW. Acest lucru este suficient doar pentru receptoarele (sau transmițătoarele) cu un singur tranzistor. Dacă receptorul nostru necesită un curent de, de exemplu, 1 mA la o tensiune de 3 V, atunci puterea RF necesară crește la 3 mW și această valoare ar trebui luată ca medie. Faptul că la o distanță de 20...30 km de postul de radio „Varșovia I” (818 kHz) este încă posibil să se obțină practic o putere de curent rectificat de aproximativ 8 mW indică promisiunea unor astfel de experimente.
Cea mai simplă diagramă a unui punct radio fără fir este prezentată în Fig. 6.3, a-c. Poate recepționa un post de radio local, de exemplu, același „Varșovia I” și, în același timp, își poate folosi energia pentru a o transforma în fem. curent continuu. Pentru a recepționa unde radio cu o frecvență de peste 50 MHz, adică semnale de la transmițătoarele VHF (de exemplu, televiziune), convertorul de tensiune RF trebuie să aibă o antenă specială - un vibrator buclă (dipol). Această antenă poate funcționa simultan în domeniul undelor medii, atât ca receptor, cât și ca sursă de alimentare. Dacă energia unui vibrator nu este suficientă, atunci se folosesc mai multe antene de acest tip (Fig. 6.3, d), conectate în serie (pentru creșterea tensiunii) sau în paralel (pentru creșterea curentului).
Folosind antena prezentată în fig. 6.3, d, captând energia undelor radio de 50 kW ale unui transmițător care funcționează în intervalul 50.. 250 MHz, s-a obținut o putere DC de aproximativ 3 mW. Antena era situată la 1,5 km de emițător.
În fig. Figura 6.3e prezintă un circuit receptor cu două antene, dintre care una (VHF) este utilizată în sursa de alimentare. Un receptor de unde mijlocii poate funcționa cu orice antenă, în timp ce sursa de alimentare trebuie să primească energie RF de la o antenă dipol. In pozitia 1 a comutatorului B1, dispozitivul actioneaza ca un dispozitiv de semnalizare actionat de un semnal HF modulat, in pozitia 2 ca un receptor.
Un exemplu interesant de utilizare a energiei undelor radio pentru alimentarea dispozitivelor radio este circuitul prezentat în Fig. 6.3, g. Acesta este un radiofar (terrestru, fluvial sau maritim), care este activat de un semnal de la un transmițător instalat pe o mașină, navă, planor sau avion. Semnalele de interogare declanșează un transmițător pe geamandura, ale cărui semnale de răspuns servesc la determinarea locației acestuia. 1 dispozitive de acest tip facilitează căutarea oamenilor rătăciți în mare, munți, păduri dese etc. Ele fac parte din echipamentul turiștilor și alpiniștilor. Utilizarea cu pricepere a energiei undelor radio va face aparent posibilă reducerea semnificativă a dimensiunii aparatelor auditive, a receptoarelor, a dispozitivelor de control de la distanță, a jucăriilor etc.
Cu toate acestea, trebuie spus că, după cum au arătat experimentele, rezultate acceptabile la alimentarea receptoarelor de la tensiunea RF redresată a undelor radio primite pot fi obținute numai prin utilizarea unor antene atent reglate și o bună împământare. Un alt dezavantaj este că cantitatea de tensiune redresată depinde de adâncimea de modulare a frecvenței purtătoare în timpul recepției.
Receptorul funcționează mai bine, circuitul căruia este prezentat în Fig. 6.3, d, în care tensiunea HF redresată a stației radio primite este utilizată pentru a reîncărca bateriile miniaturale cadmiu-nichel într-un moment în care receptorul nu funcționează. La o distanta de 20 km de postul de radio Varsovia I si cu o lungime a antenei receptorului extern de 40 m, curentul de incarcare al unei baterii de 2,5 V este de 5 mA. O astfel de încărcare completează practic consumul de energie electrică în timpul funcționării de o oră a receptorului.
Orez. 6.3. Alimentarea dispozitivelor radio cu energie de câmp electromagnetic:
a...c - receptor pentru recepţionarea transmisiilor de la posturi radio puternice din gama CB; d - receptor cu redresor care încarcă bateriile (comutatorul B este afișat în poziția „Încărcare”); d - un set de antene VHF care alimentează redresorul; c - receptor-semnalizator; g - balize-geamandă automată.
6.4 Energia vibrațiilor sonore
Pentru a alimenta, de exemplu, un transmițător miniatural, puteți utiliza un dispozitiv (Fig. 6.4, a) care transformă electricitatea în semnale sonore. Traductorul este un microfon dinamic. Tensiunea indusă în bobina mobilă a microfonului este furnizată unui redresor cu un filtru de netezire sub formă de condensator. Raza de acțiune a transmițătorului (Fig. 6.4, b), care este alimentat de un astfel de convertor, nu depășește, desigur, câteva sute de metri. Puterea sursei de alimentare este de aproximativ 0,25 W. Uneori este util să includeți un filtru cu o constantă de timp lungă la ieșirea redresorului pentru a netezi ondulațiile celor mai joase frecvențe.
Dacă plasați microfonul lângă o sursă de sunet de intensitate constantă (de exemplu, un motor în funcțiune), puteți obține o sursă de energie destul de stabilă. Experiența a arătat, totuși, că sursele de sunet normale (de exemplu zgomotul orașului) sunt de obicei prea slabe pentru scopurile noastre.
Valorile aproximative ale intensității diferitelor surse de sunet (μW/m2) sunt următoarele: avion cu reacție 10 6, limita durerii 10 4, tren de la 1 la 10, zgomotul străzii 10 -2, conversație normală de la 10 -4 la 10 - 3, șoaptă 10 -7, limită de auz 10 -10.
Orez. 6.4. Folosind un microfon sau un cap dinamic de difuzor (a, b) și un generator acționat manual (de la o lanternă electrică) (c) ca sursă de alimentare (în cazul nostru pentru transmițător).
6.5 Surse manuale de alimentare
Se știe că tranzistorii consumă mult mai puțină energie de la sursa de alimentare decât chiar și cele mai economice tuburi cu vid. Prin urmare, pentru a alimenta dispozitivele cu tranzistori, este destul de posibil să se utilizeze un convertor condus de un mic efort al mușchilor umani.
Generatorul de mușchi (de mână) folosit cândva pentru lanterne are o putere de 0,25...0,5 W. Poate servi ca sursă de energie primară pentru un transmițător miniatural (Fig. 6.4, b), care funcționează pe un singur tranzistor. Astfel de emițătoare sunt utilizate pentru controlul de la distanță (pe distanțe scurte) a modelelor, echipamentelor radio de uz casnic și, de asemenea, ca „chei” pentru deschiderea ușilor de garaj de la o distanță de câțiva metri, fără a părăsi mașina (vezi Fig. 7.25, c).
Radiotelefonul (Fig. 6.4, c, 1), alimentat de un generator manual, are o rază de acțiune de 1...2 km (în spații deschise); poate funcționa la frecvențe în intervalul 4...50 MHz. Circuitul său de alimentare este același ca în Fig. 6.4, c.
6.6. Surse de energie chimică de casă
Cea mai simplă celulă galvanică (un tip de celulă Volta) este alcătuită din plăci de oțel și cupru separate printr-un strat de hârtie absorbant (15x40 mm) înmuiată în apă obișnuită de la robinet sau doar salivă (Fig. 6.5.a). Dacă elementul nu funcționează, hârtia trebuie înmuiată într-o soluție de sare de masă (o jumătate de linguriță pe pahar de apă). O astfel de sursă de energie „apă” care alimentează orice dispozitiv (receptor radio, sonerie etc.) surprinde observatorii neinițiați.
Folosirea plăcilor de cupru, zinc sau tablă are un efect deosebit. Un astfel de element constă dintr-o agrafă de rufe din lemn sau plastic, o monedă de cupru, argint sau nichel și un bloc de hârtie de ziar umedă (Fig. 6.5, b).
Forța electromotoare (emf) a celulei va fi de aproximativ 0,1 V și pot fi conectate pentru a forma o baterie. Este suficient să introduceți doi conductori - fier și cupru (Fig. 6.5, c) într-o lămâie, măr sau castraveți murați (sau chiar mai bine în bere) pentru a obține o sursă de curent cu fem. 0,1 V. Conectând mai multe dintre aceste elemente, vom avea o baterie potrivită pentru alimentarea unui simplu radioreceptor.
Orez. 6.5. Surse de curent experimentale:
a - cel mai simplu element electrochimic; b - la fel, dar cu monede; c - element galvanic „fruct”; d - element galvanic de împământare și receptor dual band alimentat de acesta (L1 - 150 de spire de sârmă PEV 0,25, L2 - 90 de spire de același fir, L3 - 900 de spire de sârmă PEV 0,45; miez de ferită 10x160 mm).
Energia pentru alimentarea unui radio poate fi extrasă nu numai de la antenă, ci și de la sol. Aceasta este o metodă bună pentru alimentarea radiourilor în excursii, corturi, camping etc. Dacă elementul nostru este plasat într-o pivniță sau adânc în pământ (sub stratul de îngheț - în medie la o adâncime de 1 m), atunci poate fi folosit continuu pe tot parcursul anului.
Designul unei celule galvanice „pământ” este prezentat în Fig. 6.5, g. Calitatea muncii sale depinde de tipul de sol, de conținutul de umiditate al acestuia, precum și de dimensiunea și materialul electrodului. Solul umed, uleios este cel mai potrivit. Cu cât suprafața electrozilor este mai mare, cu atât rezistența internă a sursei de curent este mai mică. Tipul de material al electrodului are un efect redus asupra mărimii forței electromotoare a sursei, care variază de obicei între 0,8...1,1 V. Următoarele cupluri galvanice dau cele mai bune rezultate: zinc - cărbune, aluminiu - cupru, zinc - cupru . Dacă conectați orice sarcină la element, tensiunea acestuia va scădea treptat până se stabilizează după 15...30 de minute. Dacă aveți plăci de zinc standard (dimensiune 170x210 mm) și electrozi de carbon de la baterii mari de telefon (puteți folosi și tije de carbon din celule de 1,5 volți), atunci distanța dintre electrozii sursei de curent poate fi de 0,3...0,5 m Conductoarele de la electrozii pozitivi (cărbune, cupru) sunt realizate cu sârmă de cupru goală sau izolată. Pentru borna negativă (zinc, aluminiu), se folosește fir izolat de cupru sau aluminiu. Conexiunile la electrozi se fac prin lipire sau sudare. Cea mai mare eficiență un astfel de element de pământ se realizează la un curent de sarcină de 1...2 mA.
În fig. Figura 6.5d prezintă o diagramă a unui receptor de detector alimentat de un element de pământ, care constă din două tije rotunde - oțel (2,5 x 400 mm) și cupru (4 x 400 mm), separate la o distanță de 50 mm. Un astfel de element a funcționat în modurile de 0,5 V/0,25 mA în sol uscat și 0,75 V/0,9 mA în sol umed.
Pentru funcționarea satisfăcătoare a unui receptor simplu alimentat de un element de pământ, este necesar să se realizeze o antenă externă de cel puțin 4 m lungime și să o atârne la o înălțime de cel puțin 5 m de sol (cu cât mai mare, cu atât mai bine). Dacă după câteva luni de funcționare tensiunea celulei sub sarcină scade, aria electrodului trebuie mărită.
6.7. Combustibil și celule biologice
Într-o celulă de combustibil, destinat experimentelor de amatori (Fig. 6.6, a), se folosește un amestec: căldură caustică (NaOH), peroxid de hidrogen (H 2 O 2), alcool metilic și plăci de catalizator (argint și platină). E.m.f. element aproximativ 1,5 V, randament 60...80%. Timpul de funcționare al unui motor electric care consumă un curent de 0,15 A ajunge la 15 minute la umplerea elementului o dată.
Baterie biologică(Fig. 6.6, b) este format din 12 elemente, care sunt vase de plastic cu diametrul de 50 și înălțimea de 100 mm, în care se toarnă pulbere din fulgi de orez și se instalează electrozi (anod și catod). Bacteriile (sigure pentru alții), înmulțindu-se în acest mediu în prezența apei, produc (cu 12 vase) un curent de aproximativ 40 mA la o tensiune de 6 V. Alimentarea cu mediu nutritiv este suficientă pentru șase luni de funcționare continuă a elementul.
Celulele biologice cu un mediu nutritiv constând din banane și săruri anorganice alimentează dispozitivele electronice cu o putere de până la 3,7 W (0,76 V x 4,92 A) pe tot parcursul zilei. Bananele pot fi înlocuite cu struguri, pepene galben etc.
Orez. 6.6. Surse de energie experimentale:
a - celula de combustibil; b - baterie biologică, c - element de umplere.
6.8. Articole de unica folosinta
Aceste elemente se numesc rezervă și sunt utilizate în primul rând ca surse de energie de urgență, precum și în radiosonde și echipamente geofizice. Ele pot fi, de asemenea, folosite pentru a alimenta modele zburătoare alimentate electric și modele plutitoare mici. Încep să acționeze după umplerea cu apă de mare sau cu o soluție de sare de masă 10...20%.
Din punct de vedere structural, elementele sunt realizate cel mai adesea în pungi de plastic (Fig. 6.6, c). Elementele sunt fiabile, ușoare, capabile să funcționeze la temperaturi scăzute și la altitudini mari și au un curent de descărcare mare. Principalul lor dezavantaj este costul lor ridicat.
După cum se poate vedea din exemplele de mai sus, alegerea surselor de alimentare primare pentru dispozitivele cu tranzistori de putere redusă depinde în mare măsură de imaginația creativă și ingeniozitatea designerului. De aici și posibilitățile inepuizabile de soluții.
O sursă interesantă de energie electrică este hârtia „energie”. Se compune dintr-o foaie uscată de hârtie fibroasă impregnată cu persulfat de potasiu și praf de cărbune. Această foaie este acoperită pe o parte cu folie conductivă, iar pe cealaltă, mai întâi cu o foaie de hârtie subțire uscată, de exemplu, hârtie de filtru care conține cristale de sare de masă, iar apoi cu folie subțire de zinc sau magneziu. Un astfel de element poate servi, de exemplu, pentru alimentarea unică a unui aparat de ras electric. Cu dimensiunile de 1x45x45 mm, furnizează un curent de 0,5 A la o tensiune de 2 V în 5...7 minute.Înainte de utilizare, hârtia de filtru este umezită, iar apoi i se aplică folie de zinc. Folosind hârtie „energetică”, puteți face o baterie de film rulabilă.
Eficiența și alte caracteristici de performanță ale senzorilor wireless se îmbunătățesc constant, iar problema alimentării dispozitivelor autonome se extinde dincolo de nișă și în aplicațiile de zi cu zi.
Energia – solară, termică, piezoelectrică sau electromagnetică – ne înconjoară din toate părțile. Colectând chiar și o mică parte din ea, companiile de inginerie pot extinde adoptarea tehnologiilor de senzori menite să asigure binele comun. Astfel de aplicații ale senzorilor includ diverse dispozitive de diagnosticare și monitorizare medicale purtătoare, monitoare funcționale pentru aviație și auto, precum și mijloace tehnice pentru măsurarea de la distanță a gazului consumat, căldurii și electricității. Capacitatea de a extrage energie dintr-o varietate de surse va îmbunătăți îngrijirea sănătății în zonele cu infrastructură slabă, cum ar fi zonele rurale. Dezvoltarea globală a acestei zone a electronicii este susținută de un număr tot mai mare de mijloace tehnice - de la circuite integrate specializate la componente active și pasive discrete.
Exemple pot fi găsite printre componentele modulelor de dezvoltare „Energy Harvesting Solution To Go” de la Energy Micro și Würth Elektronik. Cele două componente de bază ale acestor truse sunt placa de recoltare a energiei și kitul de pornire Giant Gecko. Ambele elemente conțin componente pasive de la Würth Elektronik. De exemplu, transformatoarele WE-EHPI, concepute special pentru aplicațiile de colectare a energiei de mediu, sunt foarte eficiente datorită rezistenței scăzute la înfășurare și a unui miez proiectat special pentru condiții de operare grele. Suprimarea eficientă a interferențelor electromagnetice este realizată folosind filtre de ferită SMD la fiecare bornă a transformatorului.
Placa de recoltare a energiei multifuncțională (Figura 1) vine cu patru convertoare de tensiune de la Linear Technology, fiecare optimizat pentru o sursă de energie diferită. De exemplu, LTC3588 este proiectat pentru surse de curent alternativ de până la 20 V, cum ar fi generatoarele piezoelectrice și inductive. Setul de pornire Giant Gecko (Figura 2) include un microcontroler (MK) care consumă doar 200 µA/MHz în modul activ. Miezul ARM Cortex M3 al acestui MCU funcționează la frecvențe de până la 48 MHz. MK are 1024 KB memorie Flash, 128 KB RAM, o interfață USB, un controler LCD și o interfață tactilă LESENCE.
 |
|
| Figura 2. | Kit de pornire EFM32 Giant Gecko. |
Dacă te uiți la diferitele abordări implementate în instrumentele de extracție a energiei, devine clar că acest kit conține tot ce ai nevoie pentru a începe lucrul cu drepturi depline. Pentru aplicațiile fără fir cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi nodurile de senzori alimentate extern, cipurile cu costuri reduse sunt utilizate pentru a efectua funcții de detectare, procesare a semnalului, achiziție de date și comunicații. Fiecare nod al unor astfel de sisteme este echipat cu o interfață wireless de putere redusă.
Majoritatea senzorilor autonomi au o structură similară cu cea prezentată în Figura 3. Funcțiile blocurilor principale sunt următoarele:
- senzorul măsoară și colectează orice număr de parametri de mediu necesari într-o anumită aplicație;
- un convertor transformă un anumit tip de energie în energie electrică;
- modulul de management al energiei stabilizează, redirecționează și stochează energia primită;
- MC procesează semnalele primite de la senzorii primari și menține comunicarea cu alte noduri ale sistemului printr-un canal radio;
- Receptorul semnalului de trezire acceptă o solicitare externă de a trezi senzorul din modul de repaus.
Cu toate acestea, caracteristica cheie a unor astfel de sisteme nu este doar modul în care diferitele părți sunt conectate între ele. Dispozitivele de extracție a energiei impun cerințe foarte stricte pentru fiecare componentă individuală, în special în ceea ce privește consumul de energie și eficiența. Deci, pentru a prelungi durata de viață a sursei de energie, MK și modulul radio ar trebui să funcționeze în moduri cu un consum minim ori de câte ori este posibil. În ultimii ani, producătorii de cipuri IC și RF au investit masiv în dezvoltarea și producerea de dispozitive de putere redusă care pot fi utilizate în noduri de senzori fără fir cu rază scurtă de acțiune alimentate de energia extrasă. Un exemplu sunt modulele RF și microcontrolerele care pot funcționa la o tensiune de alimentare de 1,8 V, ceea ce face posibilă obținerea unui consum de energie ultra-scăzut într-un dispozitiv wireless.
De asemenea, este necesar ca microcontrolerul să poată trece rapid de la modul de repaus la modul activ. Acest lucru reduce consumul de curent între transmiterea și primirea informațiilor, ceea ce înseamnă economisirea rezervelor de energie. Cheia pentru o arhitectură a dispozitivelor RF mai rentabile este cerința de a reduce puterea la transmiterea și primirea pachetelor de date. Sistemele de colectare a energiei necesită, de asemenea, protocoale robuste de transfer de informații. Minimizarea erorilor în timpul schimbului de pachete de date reduce timpul de funcționare al dispozitivelor în aer, ceea ce înseamnă că „porțiunea” zilnică necesară de energie colectată de convertor din mediu este redusă.
La fel de importante sunt problemele legate de structura rețelelor de senzori fără fir. De exemplu, majoritatea acestor rețele funcționează într-un mod ciclic, care conservă energia și limitează spațiul de frecvență radio, dar generează vârfuri în curentul consumat de senzori. Nivelurile scăzute ale consumului de vârf al transceiver-urilor radio reduc severitatea problemei dezvoltării surselor de alimentare pentru senzori autonomi.
Aceste limitări sunt și mai importante pentru senzorii care sunt alimentați în întregime prin colectarea energiei externe. Adesea, convertoarele de energie primară au o impedanță de ieșire mult mai mare decât bateriile. Aceasta înseamnă că nodul de gestionare a puterii de microputere nu trebuie doar să gestioneze distribuția de putere între convertor și senzor, ci și să convertească impedanța sursei.
Indiferent de metodele și tehnologia de construire a sistemelor de colectare a energiei, toate soluțiile sunt subordonate scopului principal - maximizarea eficienței pentru a transmite informații cât mai des posibil. Cu toate acestea, fiecare tehnologie de colectare are limite de utilizare destul de înguste. Astăzi, convertoarele de energie solară sunt cele mai comune, deoarece funcționează cu o eficiență de 25% până la 50% pe cm 2 (Tabelul 1). Consecința utilizării pe scară largă a celulelor fotovoltaice va fi o scădere constantă a prețului acestora pe cm2.
| Tabelul 1. | Caracteristici comparative ale diverselor surse de energie (conform Texas Instruments) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Starea actuală a tehnologiei de extracție a energiei undelor radio
Sistemele de colectare a energiei undelor radio rămân încă subiectul cercetărilor de laborator și nu au devenit încă răspândite ca soluție independentă. Sistemele de extracție a energiei RF sunt semnificativ diferite de toate celelalte. Din punct de vedere funcțional, acestea sunt împărțite în două părți:
- un receptor având o antenă reglabilă, un redresor, un element de stocare (condensator), un convertor DC/DC;
- un transmițător care direcționează energia undelor radio, de exemplu, folosind tehnologia PowerCast, sau o sursă externă de radiații electromagnetice (WiFi, comunicații celulare sau radio).
Un sistem tipic de colectare a energiei electromagnetice constă din patru componente: o antenă reglabilă, un element de stocare a energiei de intrare, un circuit de gestionare a energiei și o baterie de ieșire.
Ca și alte sisteme în scopuri similare, dispozitivele de colectare a energiei undelor radio trebuie îmbunătățite în multe feluri. Din lista sarcinilor care necesită soluții prioritare (dintre care multe sunt deja implementate), putem evidenția:
- probleme de utilizare a surselor de unde radio direcționate în locul energiei „fondului” electromagnetic din jur;
- îmbunătățirea convertoarelor DC/DC în ceea ce privește creșterea eficienței acestora și reducerea curentului de repaus,
- dezvoltarea de microcontrolere și transceiver RF de putere redusă.
Industria RF și a microundelor poate îmbunătăți semnificativ astfel de sisteme prin introducerea pe piață a noi transceiver-uri rentabile. Dar chiar și sistemele cu transmisie direcționată a energiei RF care îndeplinesc cerințele enumerate rămân foarte specializate. Cele care folosesc unde radio „de fundal” sunt inferioare sistemelor de colectare a energiei fotovoltaice sau termice în ceea ce privește puterea absorbită. Tehnologiile de recoltare a energiei undelor radio trebuie să depășească un alt dezavantaj tipic sistemelor radio - rază limitată din cauza influenței clădirilor, a poziției relative și a altor motive.
În timp ce tehnologiile de colectare a energiei din undele electromagnetice abia încep să-și croiască drum, sistemele de extragere a energiei din alte surse captează din ce în ce mai multe noi domenii de utilizare. De exemplu, panourile solare își vor crește eficiența doar în timp și vor fi folosite atât în interior, cât și în exterior, adică. oriunde există o sursă de lumină. Dispozitivele de colectare a energiei termice sunt utilizate în sistemele de automatizare a clădirilor în care diferențele de temperatură între spațiile interioare și cele exterioare pot fi maximizate, cum ar fi la ferestre. Convertizoarele termice sunt, de asemenea, folosite ca surse de alimentare pentru diferite dispozitive medicale purtate.
Pentru a rezuma, sistemele de recoltare a energiei au un viitor strălucit pe măsură ce tot mai multe produse vin pe piață din laboratoarele științifice.
Punctul de vedere declarat este confirmat de apariția constantă de produse noi. De exemplu, cipul de interfață AS3953 dezvoltat de ams AG, conceput pentru sisteme de comunicare în câmp apropiat (NFC), vă permite să creați un canal de schimb de date de mare viteză între un dispozitiv NFC, cum ar fi un smartphone, și orice controler gazdă care are o interfață SPI standard. Cipul este alimentat de energia colectată a undelor radio emise de cititorul NFC și nu necesită nicio sursă de alimentare externă sau componente externe, cu excepția poate un singur condensator. AS3953 are o ieșire externă configurabilă de întrerupere concepută pentru a trezi microcontrolerul dintr-o stare de repaus, permițând construirea dispozitivelor cu consum de energie zero în modul inactiv. Microcircuitul este capabil să „extragă” un curent de până la 5 mA din energia câmpului magnetic din jur. Cu circuite externe de gestionare a alimentării, AS3953 poate furniza energie recoltată unui dispozitiv autonom.
Un alt debut promite să rezolve problema de lungă durată a determinării locației în interior pentru serviciile de urgență. Compania japoneză, în colaborare cu Universitatea Ritsumeikan și ISID, a anunțat tehnologia Guidepost Cell. Folosind o rețea de balize wireless de putere redusă, compatibile cu IEEE 802.11, infrastructura tehnologiei permite smartphone-urilor și altor dispozitive mobile să identifice cu precizie locațiile interioare. Sistemul este alimentat cu energie de la panouri solare ieftine realizate din coloranți organici. Panourile recoltează energie din lumina artificială și naturală în interior, eliminând necesitatea unei surse de alimentare externe și reducând costurile de instalare și operare. Astfel de celule solare, capabile să livreze 48 μW/cm 2 sub o iluminare de 1000 de lux, se preconizează că vor avea un viitor promițător.
Am analizat doar două dintre nenumăratele exemple. Potențialul de dezvoltare al acestor soluții nu are și nu va avea limite atâta timp cât sunt capabile să răspundă cerințelor noastre crescânde de eficiență și productivitate. În timp, soluțiile descrise vor deveni din ce în ce mai miniaturizate, cucerind piața aplicațiilor medicale portabile. Iar inginerii, pe măsură ce cipurile și componentele discrete se îmbunătățesc, vor depăși în mod constant barierele de gamă, imunitate la zgomot și dimensiune.