Omform lav spænding fra Peltier-elementer til omkring 5 volts (jævnstrøm)

[SolidGeek]

Hejsa kloge hoveder!

En lang historie gjort kort, jeg går på HTX og har i en projektuge været med til at designe og udvikle et produkt der kan udnytte ens krops-temperatur til at generere strøm, og eventuelt lyse med en diode eller oplade ens telefon. Til dette formål har jeg gjort brug af 6 Peltier-elementer ( nogle komponenter der via en varmeforskel kan generere en svag strøm (DC) - destro større varmeforskel jo bedre). Denne strøm har jeg så succesfuldt omformet via en modificeret form af en Joule thief (et kredsløb der via en ferritkerne, en transistor og en diode kan opbygge en højere spænding).

Dette kredsløb kræver dog en spænding på omkring 0,5 V før det aktiveres korrekt, hvilket er et problem da man sjældent på en temperaturforskel på omkring 5-8 grader kan  opnå en spændingsforskel på mere end 0,08 V med hver af disse Peltier-elementer. Da jeg om cirka 3 uger skal fremlægge dette projekt, og gerne vil fremvise et produkt der virker (uden at medbringe en fryser) har jeg de sidste mange dage forgæves prøvet at finde en metode der kan omforme de 0,1V-0,4 V til noget mere brugbart (5 V), og derved optimere produktet.

Jeg har søgt internettet tyndt for en løsning, men de løsninger jeg har fundet har enten indebåret enormt komplicerede kredsløb, som jeg ikke har evnerne eller ressourcerne til at producere, eller bare ikke virket særlig godt for mit vedkommende. Jeg skal finde en måde at omforme 0,1-0,4 V til omkring 5 V.

Produktet min gruppe og jeg har lavet, kan i se herunder:


Kredsløbet jeg har brugt til at omforme de 0,5 V til 5 V er som nævnt en Joule thief, blot med nogle små justeringer og ændringer der gør at spændingen aldrig overgår 5,1 V og en kondensator der sikre en mere stabil strøm.
I kan se kredsløbet herunder:


På billedet herover kan i se det fungerende kredsløb på et fumlebrædt, der bruger et "dødt" AA-batteri, med en spænding på omkring 0,5-0,7 V, til at lyse med en diode der kræver omkring 3-5 V.
 
Kredsløbet er i sig selv udmærket, men før det kan operere ved den lave spænding, som vores produkt producerer ved normal stuetemperatur og en varm håndflade, er det ikke optimalt. Derfor håbede jeg på at nogle af jer, havde nogle gode ideer til hvordan jeg kan lave en DC-til-DC omformer, der kan omforme meget lave strømme til noget mere brugbart med en højere spænding. Hvis i eventuelt kender et færdigt produkt, der kan dette, vil jeg også meget gerne høre om det!

Jeg har stort set ingen erfaring i omformning af lav-strøm, og dette er derfor meget nyt for mig. Derfor sætter jeg stor pris stor pris på al den hjælp jeg kan få, og tager meget gerne imod gode råd og vejledning!

- Billederne i fuld opløsning kan findes her: http://imgur.com/a/Q5RKn

På forhånd mange tak :-)!

Med venlig hilsen,
Emil Jacobsen

[gerd]

Hej Emil,
0,08V er for lidt om at lave en et eget design.
Linear Technology har specielle thermoelectric IC'er med 0.02V: LTC3108

http://cds.linear.com/docs/en/lt-journal/LTJournal-V20N3-01-df-LTC3108_09-David_Salerno.pdf
http://www.farnell.com/datasheets/1751951.pdf

Farnell har IC'en, transformatoren  og også et demo board:
http://dk.farnell.com/jsp/search/results.jsp?N=0&Ntk=gensearch&Ntt=LTC3108&Ntx=mode+matchallpartial&suggestions=false&ref=globalsearch&_requestid=23009

Mit forslag ville være at købe et demo board og at lave sener et print.

gerd

[A5ive]

Hej Emil og velkommen til

Der er få ændringer i kunne overveje.

På den side hvor den ikke har kontakt til huden, burde i bruge en køleplade med ribber for at øge overfladearealet.

Det ville også være værd at overveje at bruge kobber i stedet for aluminium. Da kobbers varmeledningsevne er tæt på 2x større end aluminiums.

Kobber har dog den svaghed at den kan farve huden grøn/sort, når den har fået lov at oxidere. Dette kan selvfølgelig afvikles med at få forsølvet kobberet. Dog bliver man også grøn/sort af sølv, men det tager  noget længere tid. (Det behøver man selvfølgelig ikke gøre ved en prototype. Men det er rart at kunne forsvare det, hvis det bliver nævnt til en fremvisning)

Men jeg ville prøve med at bruge en tynd kobber plade på berøringsfladen og en køleplade med stor overfladeareal på den anden side, for at se om man måske kunne få en smule mere ud af den.

Mange bække små, gør en stor å.


Forøvrigt et meget spændende projekt må jeg sige.

[SolidGeek]

Hej, og tak for jeres svar!

Jeg glemte vist af nævne at de 6 Peltier-elementer er forbundet i serie, og derved skaber en strøm på omkring 0,3-0,4 V ved normal stuetemperatur - jeg ved ikke om det er bedre? Derudover er designet lavet sådan at man holder om cylinderen med en hånd, så alle 6 elementer er berørte. Altså varmen kommer fra ydersiden, imens kulden kommer fra indersiden hvor Peltier-elementerne sidder fast på "kernen", som er hul og derfor kan strømme luft igennem, så der er ikke just mulighed for at tilslutte et køleelement  !

Angående brugen af linear technologies' chip, har vi allerede forsøgt os med den dog uden nogen vitterlig succes. Vi købte en chipholder, som de påstod chippen kunne sidde i, men det viste sig at chipholderen var for stor. Heldigvis havde vi også købt en test-board hvorpå man kunne lodde chippen fast, hvilket jeg så gjorde. Dog uanset hvad vi prøvede, og hvilke kombinationer vi gjorde brug af, kunne vi aldrig få den til at levere en stabil strøm på 5V, men istedet kun stille og roligt oplade en kondensator til omkring 5V (hvilket lynhurtigt blev afladt).

Hej Emil,
0,08V er for lidt om at lave en et eget design.
Linear Technology har specielle thermoelectric IC'er med 0.02V: LTC3108

http://cds.linear.com/docs/en/lt-journal/LTJournal-V20N3-01-df-LTC3108_09-David_Salerno.pdf
http://www.farnell.com/datasheets/1751951.pdf

Farnell har IC'en, transformatoren  og også et demo board:
http://dk.farnell.com/jsp/search/results.jsp?N=0&Ntk=gensearch&Ntt=LTC3108&Ntx=mode+matchallpartial&suggestions=false&ref=globalsearch&_requestid=23009

Mit forslag ville være at købe et demo board og at lave sener et print.

gerd

Hvis spændingen er på 0,3-0,4V ville det så gøre det nemmere at arbejde med, hvis du har en måde at gøre det på, og er villig til at dele den ville jeg blive ualmindeligt lykkelig !

Jeg takker og bukker for jeres vise ord!

Med venlig hilsen,
Emil Jacobsen

[gerd]

Hej Emil,
har du en frekvens generator ?

[SolidGeek]

Hej Emil,
har du en frekvens generator ?

Nej det har jeg desværre ikke, men vi har et par stykker på min skole. Hvad har du i tankerne?

Jeg har fundet den her video på Youtube https://www.youtube.com/watch?v=wkr9IqOVxV0, som viser et Joule Thief kredsløb der åbenbart kan arbejde med en spænding helt ned på 45mV. Jeg har ikke tænkt mig at lave samme kredsløb, da det ikke lader til at kunne producere en særlig høj spænding, men han gør brug af en langt finere transistor (2SD1450) fremfor den meget ofte bruge (BC547). Hvis jeg nu fik fat i en transistor der åbner ved en lavere spænding, ville  mit kredsløb så fungere med et lavere input?

[zzolio]

hej problemet ser ud til at være at din transistor skal bruge 0,5V for at starte lede strøm fra 
kollektor-emitter dit kredsløb vil der for aldrig starte

du har to muligheder
1 du kan kick starte dit kredsløb ved at kortslutte kollektor-emitter det kan laves med en lille knap den skal kun kortsluttes meget kort tid for at få det til at starte

2 skaf en anden transistor der leder med en meget lave basis emitter spænding jeg vil forslå du prøver at finde en germanium transistor den vil starte med at lede ved 0,1V ellers kan du prøve med at kikke på mosfet

[Jan]

Hej Emil.
Utrolig spændende projekt.
Husk, lav altid kredsløb først og design til sidst.

Det lyder til, at du roder lidt rundt i strøm og spænding (Ohm´s Lov).

Hvor meget strøm, har du til rådighed, når Peltier elementerne giver de 0,1-0,4V ud ?

Hvad er målet. (Effekten ud ved 5V) ?

mvh.  Jan

[SolidGeek]

Igen mange tak for jeres svar, det er skønt!

Hej Emil.
Utrolig spændende projekt.
Husk, lav altid kredsløb først og design til sidst.

Det lyder til, at du roder lidt rundt i strøm og spænding (Ohm´s Lov).


Hvor meget strøm, har du til rådighed, når Peltier elementerne giver de 0,1-0,4V ud ?

Hvad er målet. (Effekten ud ved 5V) ?

mvh.  Jan

Haha ja jeg har det med at rode strøm og spænding sammen når jeg snakker eller skriver, selvom jeg udemærket forstår forskellen! Jeg er blevet så vandt til at bruge ordet strøm om alt der har med elektroner der flytter sig at gøre, så det må i undskylde !

Hver af disse Peltier-elementer kan generere en spænding på omkring 80-100mV, en strømstyrke på 8-10mA, og har en indre modstand der er meget afhængig af temperaturen (kan varierer fra 30ohm til 1kiloohm). Sættes de forskellige Peltier-elementer i serie vil der selvfølgelig komme en højere modstand, og derved også et større tab i Peltier-elementerne.

Målet er at få en spænding ud på omkring 5 V, der har nok styrke til at lyse med en diode, for at bevise konceptet :-).

hej problemet ser ud til at være at din transistor skal bruge 0,5V for at starte lede strøm fra 
kollektor-emitter dit kredsløb vil der for aldrig starte

du har to muligheder
1 du kan kick starte dit kredsløb ved at kortslutte kollektor-emitter det kan laves med en lille knap den skal kun kortsluttes meget kort tid for at få det til at starte

2 skaf en anden transistor der leder med en meget lave basis emitter spænding jeg vil forslå du prøver at finde en germanium transistor den vil starte med at lede ved 0,1V ellers kan du prøve med at kikke på mosfet

Tak for dit svar zzolio, begge løsninger lader til at være gode løsninger. Jeg har prøvet din metode med at kortslutte kollektor-emitter og det virker fint, dog er det ikke særlig effektivt. Jeg kan kickstarte kredsløbet ved en lidt lavere spænding, men det er ikke meget. Før virkede kredsløbet ved omkring 0,5V nu virker det ved omkring 0,4V hvis jeg er heldig at "ramme" på det rigtig tidspunkt - så det er da en forbedring.

Din anden løsning, med at anskaffe en anden transistor, finder jeg dog langt mere attraktiv! Har du nogle forslag til hvilke transistorer der ville virke, og eventuelt et sted de kan købes her i Danmark (eller bare komme frem relativt hurtigt)? Eksempelvis www.vejle-rc.dk?

Tak for jeres hjælp :-)

[Jan]

Hej Emil.
Send lige en PB med din adresse, så sender jeg, uden beregning, nogle
forskellige typer, som du kan prøve, også germanium. 
mvh.  Jan

[gerd]

Hej Emil,
>Hvad har du i tankerne?
En LT3108 har en udgangsstrøm af  maksimum 4.5mA.
En joule thief kan ikke starte med 0.1V.
En boost converter IC starter hvis spændingen er større end 0.5V.

Så ideen er at kombinere de to.

Men de vigtigste spørgsmål er:

Hvor meget strøm, har du til rådighed, når Peltier elementerne giver de 0,1-0,4V ud ?

Hvad er målet. (Effekten ud ved 5V) ?

For eksempel:
5V udgangsspænding og 20mA (LED) = 5V *20mA = 100mWatt betyder en strøm af 2A på peltier elementerne, når spændingen er 0.1V og effektivitet er omkring 50%.

[SolidGeek]

Hej Emil.
Send lige en PB med din adresse, så sender jeg, uden beregning, nogle
forskellige typer, som du kan prøve, også germanium. 
mvh.  Jan

Hej Jan, tak for tilbuddet! Jeg har sendt dig en besked :-)!

5V udgangsspænding og 20mA (LED) = 5V *20mA = 100mWatt betyder en strøm af 2A på peltier elementerne, når spændingen er 0.1V og effektivitet er omkring 50%.

Ja jeg har også undret mig lidt over det. Af samme årsag har jeg også på fornemmelsen af et Joule thief ikke decideret omformer strømmen, men istedet nærmest oplader den og sender den afsted i små men hurtige impulser. Hvilket måske går så hurtigt at man ikke kan se det på dioden med det blotte øje? Det er vel i grunden sådan en Joule thief virker; at der bliver opbygget et magnetfelt i spolen, indtil det er kraftigt nok til at aktivere transistoren og sende strømmen videre - eller hvad? :-P

[bws]

Hver af disse Peltier-elementer kan generere en spænding på omkring 80-100mV, en strømstyrke på 8-10mA, og har en indre modstand der er meget afhængig af temperaturen (kan varierer fra 30ohm til 1kiloohm). Sættes de forskellige Peltier-elementer i serie vil der selvfølgelig komme en højere modstand, og derved også et større tab i Peltier-elementerne.

Hvis du har ret i disse specs på elementerne kan de maks genere en effekt på (6*0,1V)*0,01mA= 6mW ved den temparatur forskel. Altså du vil aldrig kunne drive en bare OK lys diode med den mængde effekt, så er ked af at sige at det kan aldrig lad sig køre.

Mvh

[SolidGeek]

Hver af disse Peltier-elementer kan generere en spænding på omkring 80-100mV, en strømstyrke på 8-10mA, og har en indre modstand der er meget afhængig af temperaturen (kan varierer fra 30ohm til 1kiloohm). Sættes de forskellige Peltier-elementer i serie vil der selvfølgelig komme en højere modstand, og derved også et større tab i Peltier-elementerne.

Hvis du har ret i disse specs på elementerne kan de maks genere en effekt på (6*0,1V)*0,01mA= 6mW ved den temparatur forskel. Altså du vil aldrig kunne drive en bare OK lys diode med den mængde effekt, så er ked af at sige at det kan aldrig lad sig køre.

Mvh

Jeg kan se din pointe, matematikken passer, men forsøget siger noget andet :-P! Det færdige produkt brugte 6 Peltier-elementer, og kunne lyse op med en diode, ganske vist ikke voldsomt skarpt, men dioden lyste. Jeg må have målt forkert et eller andet sted, da jeg målte på elementerne, da det hele ellers ikke ville give mening.

Jeg har roddet lidt med at bruge nogle forskellige størrelser spoler, og jo større de er - både lednings-tykkelse og antal vindinger - så lader det til at give bedre resultater. Imorgen får jeg nogle andre transistorer og andre komponenter af Jan, som jeg kan teste, og forhåbentlig få en lidt lavere start-op-strøm og et bedre udbytte :-).

- Emil