El usuario de Instructables Joohansson nos ha dado permiso para compartir este estupendo proyecto para hacer un cargador de smartphone alimentado por fuego para tus excursiones y acampadas.
Con la llegada del calor, muchos de vosotros saldréis a los senderos con vuestro smartphone. Este cargador portátil de bricolaje te permitirá mantenerlo recargado con el calor de tu estufa de campamento u otra fuente de calor, y podría utilizarse para alimentar otras cosas, como luces LED o un pequeño ventilador. Este proyecto es para los fabricantes de electrónica más experimentados. Para ver más fotos y un vídeo sobre cómo hacerlo, consulta la página Instructables. Joohansson da algunos datos sobre el cargador:
«El motivo de este proyecto fue resolver un problema que tengo. A veces hago varios días de senderismo/mochilero en la naturaleza y siempre llevo un smartphone con GPS y quizá otros aparatos electrónicos. Necesitan electricidad y he utilizado baterías de repuesto y cargadores solares para mantenerlos en funcionamiento. El sol en Suecia no es muy fiable. Sin embargo, una cosa que siempre llevo conmigo en una excursión es el fuego de alguna forma, normalmente un quemador de alcohol o de gas. Si no es eso, al menos un acero para hacer mi propio fuego. Con esto en mente, me asaltó la idea de producir electricidad a partir del calor. Estoy utilizando un módulo termoeléctrico, también llamado elemento peltier, TEC o TEG. Tiene un lado caliente y otro frío. La diferencia de temperatura en el módulo comenzará a producir electricidad. El concepto físico cuando lo utilizas como generador se llama efecto Seebeck».
Tabla de contenidos
Materiales
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Esto es lo que he utilizado 1 módulo TEG de alta temperatura: TEP1-1264-1.5 2x elevadores de tensión (de este proyecto: http://www.instructables.com/id/Adjustable-Voltage-Step-up-07-55V-to-27-55V/) 1x disipador de calor pequeño. De un viejo PC (BxWxH=60x57x36mm) 1x Placa de aluminio: BxWxH=90x90x6mm 1x motor de corriente continua sin escobillas de 5V con ventilador de plástico (podría ser difícil de encontrar, mira este enlace) Fijación para el disipador de calor: Barra de aluminio (6x10x82mm) 2x tornillos M3+2 tuercas+2x arandelas para el disipador de calor: 25mm de largo 2x arandelas metálicas M3 de 1mm de grosor 4x tornillos M4+8x tuercas+4x arandelas como base de construcción: 70mm de largo 4x Arandelas metálicas M4 de 1mm de grosor 4x Pernos M4: 15-20mm de largo 4x Tornillo de pared seca (35mm) 2x Arandelas aislantes del calor: Construidas con cartón y un viejo volteador de alimentos de plástico 80x80x2mm de cartón corrugado (No es muy bueno a altas temperaturas) 2x muelles de tracción: 45mm extendidos (Opcional) Componentes para un monitor de temperatura y un limitador de tensión. Herramientas: Taladro y macho de roscar para M3 y M4 Lima y papel de lija Destornillador Alicates Pegamento de potencia Loctite (Repair Extreme) Precio: Todo me costó unos 80 euros, pero lo más caro fue el módulo TEG (45 euros). Especificaciones del TEG: Compré el TEP1-1264-1.5 en http://termo-gen.com/ Probado a 230oC (lado caliente) y 50oC (lado frío) con: Uoc: 8,7V Ri: 3Ω U (carga) 4,2V I (carga): 1,4A P (coincidencia): 5,9W Calor: 8,8W/cm2 Tamaño: 40x40mm
Construcción (placa base)
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Placa base (90x90x6mm): Esta será el «lado caliente». También actuará como placa base de construcción para fijar el disipador de calor y algunas patas. La forma de construirla depende del disipador de calor que utilices y de cómo quieras fijarlo. Yo empecé a hacer dos agujeros de 2,5mm para que coincidieran con mi barra de fijación. 68mm entre ellos y la posición coincide de donde quiero poner el disipador de calor. Los agujeros se roscan como M3. Taladra cuatro agujeros de 3,3mm en las esquinas (5x5mm desde el borde exterior). Utiliza un grifo M4 para el roscado. Realiza un buen acabado. Utilicé una lima rugosa, una lima fina y dos tipos de papel de lija para hacerla brillar poco a poco. También podrías pulirlo, pero sería demasiado sensible para tenerlo en el exterior. Atornilla los pernos M4 a través de los agujeros de las esquinas y fíjalos con dos tuercas y una arandela por perno, más la arandela de 1 mm del lado superior. La alternativa de una tuerca por perno es suficiente siempre que los agujeros estén roscados. También puedes utilizar los tornillos cortos de 20mm, depende de lo que vayas a utilizar como fuente de calor.
Construcción (disipador de calor)
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Disipador de calor y construcción de fijación: Lo más importante es fijar el disipador de calor sobre la placa base, pero al mismo tiempo aislar el calor. Debes mantener el disipador de calor lo más refrigerado posible. La mejor solución que se me ocurrió fueron dos capas de arandelas aislantes del calor. Eso impedirá que el calor llegue al disipador de calor a través de los tornillos de fijación. Tiene que soportar unos 200-300oC. He creado las mías propias, pero sería mejor con un casquillo de plástico como éste. No pude encontrar ninguno con límite de alta temperatura. El disipador de calor tiene que estar a alta presión para maximizar la transferencia de calor a través del módulo. Tal vez los tornillos M4 serían mejores para soportar una mayor fuerza. Cómo hice la fijación: Modifiqué (limé) la barra de aluminio para que encajara en el disipador de calor Perforé dos agujeros de 5mm (no deben estar en contacto con los tornillos para aislar el calor) Corté dos arandelas (8x8x2mm) de un viejo volteador de alimentos (plástico con temperatura máxima de 220oC) Corté dos arandelas (8x8mmx0,5mm) de cartón duro Perforé un agujero de 3,3mm a través de las arandelas de plástico Perforé 4. 5mm a través de las arandelas de cartón Pega las arandelas de cartón y las arandelas de plástico (agujeros concéntricos) Pega las arandelas de plástico encima de la barra de aluminio (agujeros concéntricos) Pon los pernos M3 con las arandelas de metal a través de los agujeros (luego se atornillarán encima de la placa de aluminio) Los pernos M3 se calentarán mucho pero el plástico y el cartón detendrán el calor ya que el agujero de metal es más grande que el perno. El tornillo NO está en contacto con la pieza metálica. La placa base se calentará mucho y también el aire de arriba. Para evitar que se caliente el disipador de calor, además de a través del módulo TEG, he utilizado un cartón ondulado de 2 mm de grosor. Como el módulo tiene 3 mm de grosor, no estará en contacto directo con la parte caliente. Creo que soportará el calor. Por ahora no he encontrado un material mejor. ¡Se agradecen las ideas! Actualización: Resultó que la temperatura era demasiado alta al utilizar una estufa de gas. El cartón se volvió casi negro después de un tiempo. Lo he quitado y parece que funciona casi igual de bien. Es muy difícil de comparar. Sigo buscando un material de sustitución. Corta el cartón con un cuchillo afilado y afínalo con una lima: Córtalo de 80x80mm y marca donde debe colocarse el módulo (40x40mm). Corta el agujero cuadrado de 40×40. Marca y corta los dos agujeros para los tornillos M3. Crea dos ranuras para los cables TEG si es necesario. Corta cuadrados de 5x5mm en las esquinas para hacer sitio a los tornillos M4.
Montaje (partes mecánicas)
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Como he mencionado en el paso anterior, el cartón no soporta las altas temperaturas. Sáltalo o busca un material mejor. El generador funcionará sin él, pero quizá no tan bien. Montaje: Monta el módulo TEG en el disipador de calor. Coloca el cartón sobre el disipador de calor y el módulo TEG ya está fijado temporalmente. Los dos tornillos M3 atraviesan la barra de aluminio y luego el cartón con tuercas en la parte superior. Monta el disipador de calor con el TEG y el cartón en la placa base con dos arandelas de 1 mm de grosor entre ellas para separar el cartón de la placa base «caliente». El orden de montaje, desde arriba, es perno, arandela, arandela de plástico, arandela de cartón, barra de aluminio, tuerca, cartón de 2mm, arandela metálica de 1mm y placa base. Añade 4 arandelas de 1 mm en la parte superior de la placa base para aislar el cartón del contacto Si has construido correctamente: La placa base no debe estar en contacto directo con el cartón. Los tornillos M3 no deben estar en contacto directo con la barra de aluminio. A continuación, atornilla el ventilador de 40x40mm en la parte superior del disipador de calor con 4 tornillos de cartón yeso. También añadí un poco de cinta adhesiva para aislar los tornillos de la electrónica.
Electrónica 1
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Monitor de temperatura y regulador de voltaje: El módulo TEG se romperá si la temperatura supera los 350oC en el lado caliente o los 180oC en el lado frío. Para advertir al usuario he construido un monitor de temperatura ajustable. Se encenderá un LED rojo si la temperatura alcanza un determinado límite que puedes ajustar a tu gusto. Si el calor es excesivo, el voltaje superará los 5V y eso puede dañar ciertos componentes electrónicos. Construcción: Echa un vistazo al esquema de mi circuito e intenta entenderlo lo mejor posible. Mide el valor exacto de R3, es necesario para la calibración posterior Coloca los componentes en una placa prototipo según mis fotos. Asegúrate de que todos los diodos tienen la polarización correcta Suelda y corta todas las patas Corta los carriles de cobre en la placa prototipo según mis fotos Añade los cables necesarios y suéldalos también Corta la placa prototipo a 43x22mm Calibración del monitor de temperatura: He colocado el sensor de temperatura en el lado frío del módulo TEG. Tiene una temperatura máxima de 180oC y calibré el monitor a 120oC para que me avisara a tiempo. El PT1000 de platino tiene una resistencia de 1000Ω a cero grados y aumenta su resistencia junto con la temperatura. Los valores se pueden encontrar AQUÍ. Sólo tienes que multiplicar por 10. Para calcular los valores de calibración necesitarás el valor exacto de R3. El mío era, por ejemplo, de 986Ω. Según la tabla, el PT1000 tendrá una resistencia de 1461Ω a 120oC. R3 y R11 forman un divisor de tensión y la tensión de salida se calcula así Vout=(R3*Vin)/(R3+R11) La forma más fácil de calibrarlo es alimentar el circuito con 5V y luego medir la tensión en el CI PIN3. Luego ajusta P2 hasta que se alcance la tensión correcta (Vout). He calculado la tensión así: (986*5)/(1461+986)=2,01V Eso significa que ajusto P2 hasta que tenga 2,01V en el PIN3. Cuando R11 alcance los 120oC, el voltaje en el PIN2 será menor que el del PIN3 y eso disparará el LED. R6 funciona como un disparador de Schmitt. Su valor determina lo «lento» que será el disparo. Sin él, el LED se apagaría al mismo valor que se enciende. Ahora se apagará cuando la temperatura baje aproximadamente un 10%. Si aumentas el valor de R6 consigues un disparo «más rápido» y un valor más bajo crea un disparo «más lento».
Electrónica 2
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Calibración del limitador de tensión: Eso es mucho más fácil. Sólo tienes que alimentar el circuito con el límite de tensión que quieras y girar P3 hasta que el LED se encienda. Asegúrate de que la corriente no es demasiado alta sobre T1 o se quemará. Tal vez utilices otro pequeño disipador de calor. Funciona de la misma manera que el monitor de temperatura. Cuando la tensión sobre el diodo zener aumente por encima de los 4,7V, bajará la tensión en el PIN6. La tensión en el PIN5 determinará cuándo se activa el PIN7. Conector USB: Lo último que he añadido es el conector USB. Muchos smartphones modernos no se cargan si no están conectados a un cargador adecuado. El teléfono lo decide mirando las dos líneas de datos del cable USB. Si las líneas de datos son alimentadas por una fuente de 2V, el teléfono «cree» que está conectado al ordenador y empieza a cargar a baja potencia, unos 500mA para un iPhone 4s por ejemplo. Si se alimentan con 2,8 o 2,0V empezará a cargar a 1A, pero eso es demasiado para este circuito. Para obtener 2V he utilizado algunas resistencias para formar un divisor de tensión: Vout=(R12*Vin)/(R12+R14)=(47*5)/(47+68)=2,04 lo cual es bueno porque normalmente tendré un poco menos de 5V. Mira el esquema de mi circuito y las fotos de cómo soldarlo.
Montaje (Electrónica)
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Las placas de circuito se colocarán alrededor del motor y encima del disipador de calor. Esperemos que no se calienten demasiado. Pega el motor con cinta adhesiva para evitar atajos y conseguir un mejor agarre Pega las tarjetas para que encajen alrededor del motor Colócalas alrededor del motor y añade dos muelles de tracción para mantenerlo unido Pega el conector USB en algún sitio (no encontré un buen lugar, tuve que improvisar con plástico fundido) Conecta todas las tarjetas según mi disposición Conecta el sensor térmico PT1000 lo más cerca posible del módulo TEG (lado frío). Lo he colocado debajo del disipador superior, entre el disipador y el cartón, muy cerca del módulo. Asegúrate de que hace buen contacto. Utilicé un superpegamento que puede soportar 180oC. Te aconsejo que pruebes todos los circuitos antes de conectarlos al módulo TEG y empezar a calentarlo.
Pruebas y resultados
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Es un poco delicado empezar. Una vela, por ejemplo, no es suficiente para alimentar el ventilador y pronto el disipador de calor se calentará tanto como la placa inferior. Cuando eso ocurra no producirá nada. Hay que ponerlo en marcha rápidamente con, por ejemplo, cuatro velas. Entonces produce suficiente energía para que el ventilador se ponga en marcha y pueda empezar a enfriar el disipador de calor. Mientras el ventilador siga funcionando habrá suficiente flujo de aire para conseguir una potencia de salida aún mayor, unas RPM del ventilador aún mayores y una salida aún mayor al USB. He hecho la siguiente comprobación: Velocidad mínima del ventilador: 2,7V@80mA => 0,2W Velocidad máxima del ventilador: 5,2V@136mA => 0,7W Fuente de calor: 4x candelitas Uso: Luces de emergencia/lectura Potencia de entrada (salida TEG) 0,5W Potencia de salida (excluyendo el ventilador de refrigeración, 0,2W): 41 LEDs blancos. 2,7V@35mA => 0,1W Eficiencia: 0,3/0,5 = 60% Fuente de calor: quemador de gas/estufa Uso: Carga del iPhone 4s Potencia de entrada (salida TEG): 3,2W Potencia de salida (excluyendo el ventilador de refrigeración, 0,7W): 4,5V@400mA => 1,8W Eficiencia: 2,5/3,2 = 78% Temperatura (aprox.) 270oC lado caliente y 120oC lado frío (150oC de diferencia) La eficiencia pretende la electrónica. La potencia real de entrada es mucho mayor. Mi estufa de gas tiene una potencia máxima de 3000W, pero yo la hago funcionar a baja potencia, quizás 1000W. ¡Hay una gran cantidad de calor residual! Prototipo 1: Este es el primer prototipo. Lo construí al mismo tiempo que escribía este instructivo y probablemente lo mejore con tu ayuda. He medido una salida de 4,8V@500mA (2,4W), pero aún no ha funcionado durante periodos más largos. Todavía está en fase de prueba para asegurarme de que no se destruye. Creo que se pueden hacer muchas mejoras. El peso actual de todo el módulo con toda la electrónica es de 409g Las dimensiones exteriores son (ancho x largo x alto): 90x90x80mm Conclusión: No creo que pueda sustituir a ningún otro método de carga común en cuanto a eficacia, pero como producto de emergencia creo que es bastante bueno. Todavía no he calculado cuántas recargas de iPhone puedo obtener con una lata de gas, pero quizá el peso total sea menor que el de las baterías, lo cual es un poco interesante. Si puedo encontrar una forma estable de usar esto con madera (fuego de campamento), entonces es muy útil cuando se hace senderismo en un bosque con una fuente de energía casi ilimitada. Sugerencias de mejora: Sistema de refrigeración por agua Una construcción ligera que transfiera el calor del fuego al lado caliente Un zumbador (altavoz) en lugar del LED para avisar a altas temperaturas Un material aislante más robusto, en lugar de cartón.