lavrinenkov.blogspot.ru: января 2020

среда, 29 января 2020 г.

Определение емкости баночного Ионистра (сборка)

[Determining supercap capacity]

В данном материале определим какой эквивалентной емкости аккумулятора соответствует емкость Ионистра (суперконденсатора).
Исследуемый образец:

Ионистр из двух банок 2.7В 4Ф CDA CHP Series, соединенных последовательно, т.е. суммарная емкость 2Ф и предельное напряжение 5.4 В. Масса ионистра 7.68 грамм. Для исследования будем заряжать такой ионистр до напряжения 4.2 В. Разряжать будем до напряжения 2.8 В. Нагрузка - 100 Ом. Подключим нагрузку к ионистру и сохраним данные изменения напряжения на его обкладках.

U-напряжение на ионистре, В;
t-время разряда, с;
Usr-среднее напряжение на интервале 10 с, В;
Psr-средняя мощность на интервале 10 с, Вт;
Asr-средняя работа за интервал 10 с, Дж;
График разряда ионистра:

Отметим, что зависимость линейная.
Используя численные методы вычисления, найдем выполненную работу, проссумировав столбец Asr
Aob = 1.66+1.51+1.39+1.29+1.2+1.11+1.03+0.95+0.89+0.82+0.76 = 12.61 Дж
Средняя мощность составит
Pob = Aob/110 = 0.115 Вт
Теперь повторим вычисления, используя линейность функции U(t) всего по двум точкам. (нам повезло, что вычисления можно таким образом упростить, но график мог быть и не линейным изначально).
Usr1=(4.18+2.7)/2=3.44
Psr=Usr1*Usr1/100 = 0.118 Вт
Разница совсем незначительная, в третьем знаке после запятой.
Теперь возьмем литиевый аккумултяор с Uнач = 4.2 В и подключим к нему резистор сопротивлением 100 Ом.
Ток через резистор I=Uнач/R=0.042 A, мощность P=Uнач*Uнач/R=0.176 Вт
Теперь найдем время, за которую аккумулятор выполнит ту же работу, что и ионистр.
tраб=Aob/P=12.61/0.176=71.485 секунд.
При этом потратится емкости аккумулятора tраб*I = 71.5*0.042 = 3 А*с или 0.834 мА*Ч.
Повторим расчет для начального напряжения ионистра Uнач = 3.52 В.
Aob2 = 1.2+1.11+1.03+0.95+0.89+0.82+0.76 = 6.76 Дж.
Pob2 = Aob2 / 70 = 0.097, здесь 70 секунд работы.
Параметры эквивалентного аккумулятора не изменились
Uakk=4.2 В, I=0.042 A, P = 0.176 Вт
tраб2=Aob2/P = 38.32 секунды
Потраченная емкость аккумулятора = tраб*I = 1.61 А*с или 0.447 мА*Ч.
Обобщим зависимости следующим образом.
Эквивалентная аккумуляторная емкость в мА*ч для ионистра заряженного до 3.5 В может быть найдена по формуле:
MAH_35(CC)=0.223*CC
и для заряда 4.2 В:
MAH_42(CC)=0.417*CC
В графическом виде:

По оси абсцисс - ёмкость ионистра в фарадах,
по оси ординат эквивалентная аккумуляторная емкость в мА*ч.
Синий пунктирный - для начального напряжения ионистра
4.2 В и конечного 2.7 В, Красный - для начального напряжения ионистра
3.5 В и конечного 2.7 В.

Как видим, емкость ионистров или суперконденсаторов совсем небольшая в сравнении с ёмкостью обычных
аккумуляторов.

Лавриненков Игорь / R2AJA
Для связи mail: lis-soft /*at*/rambler точка ру

Измерение мощности миниатюрного фотоэлемента 52х9 мм

[miniature photocell 52x9 mm power measurement]

Солнечная ячейка обладает следующими физическими характеристиками: 52х9 мм, толщина, 0.2 мм, вес 0.24 грамма.

Измерения будем проводить на солнечном эквиваленте (около 10 см от галогеновой спирали с рефлектором 150 Вт).

Измеренные значения:

R-Сопротивление нагрузки, Ом;

U-Напряжение на нагрузке, В;

I-Ток через нагрузку, мА;

P-Мощность, выделяемая на нагрузке, мВт.

В графическом виде:

Красным - напряжение, В;

Синим - ток, А;

Зеленым - мощность, мВт.

По графику мощности оценим внутреннее сопротивление ячейки как 1.5 Ом

Отметим, что в пасмурный день, отдаваемый ток от фотоэлемента может быть на порядок меньше.

Лавриненков Игорь / R2AJA

Для связи mail: lis-soft /*at*/rambler точка ру

вторник, 28 января 2020 г.

GPS антенна своими руками за 5 минут

[DIY GPS antenna in 5 minutes]

Для приема GPS сигналов, можно изготовить несложную антенну, которая по
своим возможностям будет соответствовать маленькой патч-антенне.
Предлагаемая антенна - диполь, пассивная, поэтому небольшой выигрыш в токе
потребления GPS модуля достигается.
Принимаем центральную частоту GPS сигнала равной 1575.42 МГц, находим
длину одного плеча антенны L/4 = 47.7 мм. Цифра справедлива для провода без
изоляции. Провод в изоляции должен быть чуть короче. Длина плеч диполя и
монополя отсчитывается от грани оплетки кабеля.
Если половинка диполя одна, то это уже монополь. Я подготовил диполь в
изоляции, монополь в изоляции и монополь без изоляции.

Укорочением пренебрегаю. Антенны крепятся на короткий коаксиал с концом типа IPX.
В качестве эталонной антенны используем активную маленькую патч-антенну.

Сравниваем сигналы спутников показанные в u-center 19.11.01, примерно в
близкие моменты времени.

Антенны, около окна. Ориентация - по усредненному максимуму сигналов.

Уровни сигналов:
Керамика:

Диполь в изоляции:

Монополь в изоляции:

Монополь медь:

Пробуем усреднить и обобщить полученные данные:

1) Активная патч-антенна сопоставима с диполем.
2) Диполь дает прирост усиления относительно монополя ~ 5 дБ (до 4 раз по
мощности)
3) Монополь без изоляции показал худшие результаты. Что несколько неожиданно.

Основной вывод: диполь может заменить маленькую патч антенну. Экономия тока
около 6 мА, при 3.3В питании. (20 мВт!). Масса малой патч-антенны около 3 грамм,
масса диполя с проводом IPX - 0.65 грамм!

Лавриненков Игорь / R2AJA
Для связи mail: lis-soft /*at*/rambler точка ру

Электростанция из кружки кипятка.

[Power plant from a cup of boiling water.]

Как известно, электричество можно изготовить, используя электродинамические генераторы (паровые, ветряные или водные), солнечные фотоэлементы, а также преобразование разности температур двух разнородных проводников и полупроводников, работающее на эффекте Зеебека. Чаще, можно слышать про эффект Пельтье - разделение температур на разнородных спаянных проводниках и полупроводниках, что является обратным эффектом Зеебека.
Для анализа используем один такой элемент с маркировкой TEC1-12706.

Элемент рассчитан на номинальное напряжение 12В, максимальное несколько выше, но повышает риск порчи элемента и снижает его КПД. Элемент собран из 127 ячеек и рассчитан на максимальный ток 6 А. При подключении элемента к источнику напряжения, потребляемый ток составил около 2 А, а забираемая мощность от источника равна 24 Вт.
Для получении электроэнергии, следует одну пластину элемента нагревать, а вторую - охлаждать. В моем случае, для показанных цветов проводов, холодная сторона - с маркировкой, горячая - без маркировки. При смене полярности проводов, стороны тоже поменяются по своим свойствам.
Для охлаждения пластины используем радиатор в тающем льду, принимаем температуру холодной поверхности элемента Зеебека около 0 градусов.

Для нагрева пластины - поставим сверху кружку кипятка и примем температуру горячей части за 100 градусов. Дождемся стабилизации температуры на холодной стороне, которая составила 10 градусов. При этом Полученное напряжение на клеммах элемента около 1.7 В (холостой ход).

На нагрузке 100 Ом напряжение уже составило 1.5 В.

Мощность выделяемая на резисторе равна 22.5 мВт.

Подключим преобразователь Burst-Up 0.8 to 5 В к клеммам элемента Зеебека, а на выход преобразователя, мигающий светодиод.
Да, он мигает, диоду нужно совсем немного тока для работы (менее 10 мА).

Холостой ход на выходе Burst-Up преобразователя:

Теперь подключим фирменный PowerBank, способный аккумулировать, даже малые токи заряда. И он - заряжается!

Оценить ток заряда можно таким образом: КПД Burst-Up = 0.9, следовательно на PowerBank поступает около 20 мВт мощности. В повербанке стоит Step-Down преобразователь, для заряда Li-Ion аккумулятора с начальным напряжением 2.8 В и конечным 4.2 В, КПД преобразователя тоже примем за 0.9. Тогда, оставшаяся мощность составит 18 мВт. Зарядный ток аккумулятора будет находиться в пределах 4.3 ... 6.5 мА, т.е. около 5 мА.
Такая вот маломощная тепловая станция получилась. Не забываем, что данные числа получены при разности температур в 90 градусов, которая снижается, по мере охлаждения жидкости в чашке, а холодная жидкость, как известно, собирается на дне чашки.
Как компенсировать этот эффект читатель, наверное, уже догадался.
В заключение сравним энерговыход такого генератора и миниатюрной фотоэлектрической ячейки с размерами 52х9 мм, толщина, 0.2 мм, вес 0.24 грамма, U=0.5 В.

На эквиваленте солнечного излучения при оптимальном сопротивлении нагрузки в 1.5 Ом, ячейка выделяет 48 мВт мощности.

Что почти в 2 раза больше мощности, получаемой с элемента Зеебека в нашем эксперименте, однако в пасмурную погоду, можно смело считать выделяюмую мощность фотоэлементом меньше на порядок, т.е. всего 5 мВт. Тогда всего 4 солнечные ячейки 52х9 мм уже эквивалентны 1 Зеебеку в пасмурную погоду.

Лавриненков Игорь / R2AJA
Для связи mail: lis-soft /*at*/rambler точка ру

Криотехника кварцевого резонатора [X-tal]

[criotechnics for quartz X-tal]

Как изменяется частота кварцевого резонатора при охлаждении? Ответ на этот вопрос не может быть однозначным, все зависит от конфигурации резонатора, от его рабочей плоскости. И главное, что нужно понять - характеристика частота/температура -линейная лишь в узкой области рабочих температур. Хорошая книга по резонаторам И. В. Хоменко, А. В. Косых "КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ" [1].
Используем график, показывающий частотные свойства из данной книги. Хорошо видны экстремумы (точки смена знака функции).

"Для АТ-резонаторов при изменении угла среза происходит поворот ТЧХ относительно точки перегиба графика (температура перегиба 25…27 °С [13, 14]) и изменение положений точек экстремума (максимум и минимум отклонения частоты). Для различных диапазонов рабочих температур можно выбрать оптимальный срез по минимальному отклонению частоты. Интервал температур, на краях которого отклонения частоты по абсолютным значениям равны отклонениям частоты в экстремальных точках, является оптимальным для резонатора с выбранной ТЧХ. Например, для диапазона –40…+90 °С оптимальным по данному критерию является угол среза yxl/+35°4', а для диапазона –20…+70 °С – угол среза yxl/+35°2'. В первом примере отклонение не превышает ±8x10–6,во втором ±3х10–6." [1]
Рекомендация, рекомендацией, а практически данные по продаваемым кварцевым резонаторам скудные.
Приходится покупать и тестировать практически, чтобы понять их характеристики.
Первоначальные опыты по измерению частот на двух температурах: +24 и 0, почти не показывают поведение резонатора на интервале температур см.http://lavrinenkov.blogspot.com/2020/01/hc49s-hc49u-smd.html поэтому я провел опыты по непрерывному охлаждению резонаторов от температуры +24 до температуры -18 градусов, используя морозильную камеру см.http://lavrinenkov.blogspot.com/2020/01/blog-post.html
Наиболее интересные экземпляры, я остужу до температуры -30 градусов, используя элемент Пельтье, и максимальный холодильный режим в морозилке.
Отметим здесь, что КПД элемента Пельтье снижается, со снижением температуры окружающей среды. Так в помещении с температурой +24 градуса, температура холодной пластины снижалась до +10 градусов, т.е. на 14 градусов! (Напряжение 12В, ток около 2 А).

При работе внутри морозильной камеры, температура на холодной стороне модуля опустилась с -24 до -30 градусов, т.е. всего на 6 градусов! (это гораздо меньше, чем могут утверждать характеристики такого элемента - обещают десятки градусов).

Приведенные скриншоты показывают характер изменения частоты от изменения температуры, в линейных участках вычислены коэффициенты Гц/Градус. Чем меньше данный коэффициент по модулю, тем меньше изменяется частота генератора с таким кварцем. Для картинок с температурами -24...-30 первый перепад графика показывает смену частоты, второй показывает отключение элемента Пельтье, с ростом температуры (не анализируется)

Q27-49S4

На участке -16…-22 k=-90/-6=15 Гц/°С
На участке -24…-29 k=-70/-5=14 Гц/°С
Снижение температуры -30…-50 снизит частоту генерации на 300 Гц.
С учетом рабочего диапазона +30…-60, и допуска на полосу 200 * 2 = 400 Гц. Допуск на участок -30…-50 составляет 400*(20/90)=88 Гц. 300 Гц > 88 Гц, не укладываемся!
Ранее коэффициент был измерен как отрицательный, почему поменялся знак? Мы перешли через экстремум?
Кварц испорчен, нога отвалилась. Второй кварц типа S4 у которого отлетает нога. Их нельзя даже слабо изгибать.

Q25-CREC

На участке -24…-30 k=-40/-6=6.66 Гц/°С
Возможно, на слайде +24…-20 мы видим экстремум +/- и далее снижение линейное.
Данные похожи на измерения от 17.01.2020.
Снижение температуры -30…-50 снизит частоту генерации на 133.2 Гц.

С учетом рабочего диапазона +30…-60, и допуска на полосу 200 * 2 = 400 Гц. Допуск на участок -30…-50 составляет 400*(20/90)=88 Гц. 133.2 Гц > 88 Гц, не укладываемся, но уже очень близко!

Q27-черн.бол.

Возможно, на слайде -20…+24 мы видим экстремум +/- и далее снижение линейное.
На участке -24…-30 k=-80/-7=11.4 Гц/°С
Снижение температуры -30…-50 снизит частоту генерации на 228 Гц.
С учетом рабочего диапазона +30…-60, и допуска на полосу 200 * 2 = 400 Гц. Допуск на участок -30…-50 составляет 400*(20/90)=88 Гц. 228 Гц > 88 Гц, не укладываемся

Q27-черн.smd.

Если мы видим на этом рисунке экстремум +/-, то

k = -50/-10 = 5 Гц/°С

Снижение температуры -30…-50 снизит частоту генерации на 100 Гц.

С учетом рабочего диапазона +30…-60, и допуска на полосу 200 * 2 = 400 Гц. Допуск на участок -30…-50 составляет 400*(20/90)=88 Гц. 100 Гц > 88 Гц, не укладываемся, но совсем рядом. Кварц с непонятным поведением.

Литература:

[1] И. В. Хоменко, А. В. Косых "КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

И ГЕНЕРАТОРЫ" Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ,

2018. – 160 с. : ил.

Лавриненков Игорь / R2AJA

Для связи mail: lis-soft /*at*/rambler точка ру

Измерение частотно-температурной характеристики кварцевых резонаторов

[Measurement of the frequency-temperature characteristic of quartz resonators]

В материале приводятся снятые частотные характеристики кварцевых резонаторов, представленных в материале http://lavrinenkov.blogspot.com/2020/01/hc49s-hc49u-smd.html
Температура изменяется от +24 ℃ до -18 ℃, абсолютная измеренная частота соответствует опорной частоте, указанной к названию скриншота + частота на самом скриншоте в Гц.

Q25-SMD07050-ACTt2_-20+24-d250hz

Q25-SMD07050-ACTt2_+24-20-24997000+dHz

оценка коэффициентов не выполнялась.

Q25-49S3_-20+24-24996000+dHz

Q25-49S3_+24-20-24996000+dHz

Q25-49S4_+24-20+24_24995000+dHz

по графику хорошо прослеживается большая тепловая инерция корпуса S4? k = 210/42=5 Гц/ °C

Линейная аппроксимация при температуре

-60 даст смещение df относительно f( 0°C) = -60*5 = -300 Гц!

Q25-SMD-Sunny-2lap_+24-20-24995000+dHz-.only-Q

Q25-SMD-Sunny-2lap_-20+24-24995000+dHz-.only-Q

k = -250/42 = -5.95 Гц/ °C данная величина не может использоваться для определения смещения частоты на большом удалении от точки смены знака функции. Требуется аппроксимация линейной ветви графика. Условно по графику видим максимум на +10, смена знака при +0, минимум на -10, прямой рост далее в минус…

Аппроксимация ветви -10°C…-18°C дает k = (250/8) = -31.25 Гц/°C и при -50 получим сдвиг df относительно f(-10°C) = -50*-31.25 = +1562,5 Гц!

Q25-SMD-02x06_+24-20+24-24996000+dHz-.only-Q

k = 60/42= -1.42 Гц/ °C данная величина не может использоваться для определения смещения частоты на большом удалении от точки смены знака функции.

Аппроксимация ветви -10°C…-18°C дает k = (110/8) = -13.75 Гц/°C и при -50 получим сдвиг df относительно f(-10°C) = -50*-13.75 = +687 Гц!

Q25-SMD-03x06_+24-20+24-24992000+1400dHzmax-.only-Q

выявлен экстремум в районе 0°C
+24…+0 = 400/42 = -9.5 Гц/ °C
+0…-24 = 530/42 = 12.6 Гц/ °C
Линейная аппроксимация для ветви +0°C …-24°C при температуре

-60 даст смещение df относительно f( 0°C) = -60*12.6 = -756 Гц!

Q25-CREC_+24-20+24_24998000+dHz