Využití zbytkové energie vybitých baterií

V době přenosné elektroniky se s bateriemi setkáváme prakticky všude. Je to poměrně výhodný zdroj napájení, který zakoupíme „za pochodu“ třeba i v trafice. Díky normovaným rozměrům a napětí běžných typů není třeba vyhledávat speciální prodejnu určitého výrobce a stačí sáhnout po libovolné alkalické baterii požadovaného typu do stojanu v hypermarketu. Ale ať máme tyto „ampulky s energií“ jakkoliv rádi, činí nám problém se s nimi vypořádat po použití.

V bateriích i poté, co je spotřebič vyhodnotí jako vybité, zůstává ještě zbytek energie a napětí okolo 1 V. Je škoda ho nevyužít. Napětí je ale tak nízké, že nedokáže rozsvítit ani LED diodu. A právě na to je zaměřený projekt, který jsem prezentoval v rámci soutěže Expo Science Amavet.

Zvýšit konstantní napětí? Ne, použít pulzy!
Zbytkové napětí 1 V lze samozřejmě zvýšit na 3 V pro LED diodu sériovým zapojením tří baterií. To je ale poměrně nepraktické řešení. Mnohem výhodnějším se jeví přeměnit konstantní napětí 1 V na pulzy s vysokou amplitudou. Z hlediska jednoduchosti řešení se ukázal jako nejvhodnější spínaný zdroj publikovaný v časopise EPE v roce 1999. Tento zdroj se skládá pouze z jedné vzájemné indukčnosti, tranzistoru a rezistoru, vytvářejícího proud do báze. Hned první pokus se součástkami vybranými odhadem dopadl úspěšně. Jedinou vybitou tužkovou baterií se zbytkovým napětím 0,9 V se podařilo vytvořit pulzy s maximálním napětím 3,6 V o frekvenci přibližně 45 000 Hz, které rozsvítily superjasnou LED.

Svítí to víc a baterie víc vydrží
Při dalších pokusech s regulovaným vstupním napájením se navíc projevila příjemná okolnost, že pulzním napájením lze dosáhnout vyššího svitu, než při napětí konstantním. Způsobuje to vyšší proud do diody, než jaký je uveden v katalogovém listu (můžeme si to dovolit, protože PN-přechod se mezi pulzy stihne ochladit). Což samozřejmě vede k námětu na další směr výzkumu.

Ideální by bylo, aby výstupní napětí mělo tvar co nejkratšího pulzu s co nejvyšší hodnotou napětí ve špičkách a s frekvencí blikání nepostřehnutelnou lidským okem. Takto by se totiž dala baterie nejen vybít do hodnot blízkých nule, ale výrazně by se zvýšila i její výdrž. Už jen tím, že namísto tří baterií stačí použít pouze jednu, se výdrž zvyšuje na trojnásobek. A správně časovanými pulzy se tyto násobky ještě zvýší.

Miniaturizace
Dalším krokem je také miniaturizace obvodu. Při amatérském použití součástek SMD (surface mount devices, součásti pro povrchovou montáž) by bylo možné celkovou velikost obvodu přirovnat k velikosti běžného tranzistorového pouzdra TO-92; to je použito na obrázku poloviční miniaturizace, kde je SMD pouze rezistor. V případě profesionální výroby by se dal celý obvod integrovat přímo do pouzdra velikosti TO-92 na třech nožkách.

Pokud na výstup připojujeme LED diody téže barvy, je nejlepší zapojovat je paralelně, čímž při stejném svitu dosáhneme vysokého počtu LED diod. Snižuje se jenom výdrž. Pokud však na výstup připojujeme LED diody různých barev, musíme je zapojit sériově, čímž s každou další LED diodou snižujeme jejich svit. Další možností připojení různobarevných LED diod je zapojit je paralelně a pomocí rezistorů dosáhnout průtoku požadovaného proudu všemi větvemi. Při experimentování se ukázalo, že vybitá baterie dokáže napájet přes dvacet bílých velmi jasných LED diod společně s deseti zelenými velmi jasnými LED diodami, zapojenými paralelně.

Šetříme přírodu i peníze
Hlavní potenciál mého řešení je ve snižování ekologické zátěže a také finančních nákladů na provoz veškerých LED svítidel – bez ztráty energetické výdrže se navrženým způsobem snižuje počet potřebných baterií. Nejlepší by samozřejmě byla integrace navrženého řešení do produktů přímo výrobci, další možností je také samostatný produkt se zabudovaným obvodem, který by sloužil jako redukce ze dvou či více baterií na baterii jedinou. Budoucnost by pravděpodobně měly i pouliční či domácí svítidla – zásobníky na vybité baterie –, které by se zapojovaly pouze paralelně. To by výrazně zjednodušovalo vkládání jednotlivých baterií laiky.

Tomáš Matyska je úspěšným finalistou soutěže Expo Science Amavet. Bude reprezentovat ČR na mezinárodní soutěži I-SWEEEP 2011 v Houstonu v USA. Redakce Třípólu si jeho nadšení pro vědu váží a k úspěchu v soutěži gratuluje!

Reportáž ze soutěže najdete na:
http://www.facebook.com/PracevCEZu#!/video/video.php?v=394889917519&ref=mf