Источник бесплатного электричества, работает на котлетках с пюрешкой

Не то чтобы я был параноиком. Но в машине я вожу запасное колесо и трос. А дома у меня есть огнетушитель и противогаз. Так, на всякий случай. В последнее время, если в жизни происходит такой вот «случай», то полагается немедленно запилить селфачок в инстаграм и по-быстренькому твитнуть. А с этим, в случае БП, могут возникнуть проблемы, да. Сегодня мы поговорим об источнике электричества «на случай ядерной войны». Граждане выживальщики, застегивайте поплотнее ОЗК и спускайтесь под кат.

Обновлено 8 февраля — текст про КПД преобразователя напряжения и калории, видео.


В теории все выглядит прям-таки шоколадно: вечный источник бесплатного электричества, способный зарядить все ваши гаджеты, осветить жилище и вернуть вас в теплые объятия цивилизации из любого палеолита. Пробежимся по характеристикам:

Материал: металл
Цвет: синий
Мощность: 20 Ватт
Скорость вращения: 2000 об/мин
Напряжение/ток: 3.3В/6.6А 5В/4А 6В/3.3А 9В/2.2А 12В/1.6А 15В/1.3А
Размеры: 19.5х8х17 см
Вес: 270 г.

Вот коробка. Простая картонная коробка, приехала в простом пакете с пупырками.





Открываем:



В пакете само устройство…



Незаполненный гарантийный талон, бирочка китайского ОТК (тоже незаполненная) и инструкция на китайском языке.



Вот эта инструкция:



Я честно пытался ее распознать и перевести, яндексом и гуглем.

Перевод был примерно такой: «Смысл мне тело песни Я Гость двадцать под выбранный Ди продукта G0S0 ров Ци я буду счастлив». Отчаявшись, я запросил помощи китайского коллеги и оказалось, что там примерно то же, что на странице товара в магазине.
С теорией разобрались, переходим к осмотру подопытного:

На лицевой панели (будем так ее называть) расположены клеммы для проводов, два usb-гнезда и переключатель напряжения. Кроме того, загадочная китайская надпись, которая скорее всего еще раз напоминает, что перед подключением устройства к usb нужно выставить переключателем напряжение 5 Вольт.



Боковые стороны прибора гладкие, с вентиляционными прорезями. Краска чуть облупилась около винтов, что только придает прибору брутальный вид.



На тыльной стороне прибора расположен вал, к которому крепится рукоятка.



На дне прибора тоже сделаны прорези для вентиляции и установлены четыре резиновые ножки.



Наружный диаметр вала 8 мм, крепление рукоятки осуществляется обычным винтиком, устанавливаемым в отверстие вала. Это мне сразу не понравилось.


Нагрузки воспринимает только винт, в сочленении присутствует неустранимый люфт, отверстие ослабляет вал. Конус, шлицы или шпонка здесь были бы куда уместнее.

Но есть и плюсы: вал выступает из корпуса достаточно далеко, можно зажать его в патрон шуруповерта, к примеру, или установить шкив и подключить к велотренажеру — поле для технического творчества огромное.



Настал счастливый момент вскрытия!



Внутри все делится на три блока: редуктор, генератор и плата преобразователя напряжения.
Все легко разбирается, доступно, в корпусе полно свободного места.

Плата крепится к лицевой панели двумя болтами с гайками. Никаких саморезов. Хорошо.



Редуктор генератора — тремя болтами и тремя штифтами.



Сам генератор похож на электродвигатель постоянного тока на постоянных магнитах.



Снимаем плату:





На плате неопознанная микросхема регулятора напряжения (в комментах подсказали, что это скорее всего LM2596 — 150кГц step-down преобразователь), два электролитика и индуктивность (очевидно, ее обвязка), набор резисторов, задающих напряжения, пара диодов Шотки, чтобы наш генератор не становился электродвигателем при подключении аккумулятора. С обратной стороны переключатель, двойное гнездо usb и 4 клеммных зажима для проводов. Плата соединяется с генератором через разъем. Если проследить дорожки на плате, становится понятно, что одна пара клемм подключается непосредственно к генератору, а вторая — через преобразователь напряжения. Это весьма гибкое решение, потому что у пользователя может оказаться свой преобразователь или потребитель напряжения с генератора.

Теперь открутим 3 винта, крепящих генератор к заднему торцу корпуса и разберем его на составные части, для чего потребуется раскрутить еще три винта:



Перед нами двухступенчатый планетарный редуктор, в классическом его виде. Увы, сделан он в основном из пластика.

Вот первичный вал с осями сателлитов.



Три сателлита по 22 зуба на каждом.





Передняя крышка редуктора. В крышку запрессована стальная втулка.



Ребра жесткости усиливают корпус в месте выхода вала.



Кольцевая шестерня первой ступени. На ней 59 зубьев.



Вторая ступень. Унифицирована с первой по кольцевой шестерне и сателлитам. На солнечной шестерне 13 зубьев.



Разбираем…







Добрались до генератора. Подозрения вызывает напрессовка пластиковой шестерни на ось с накаткой. Посмотрим, как узел покажет себя в деле.



Давайте прикинем степень редукции. Для этого нам нужно знать только число зубьев кольцевой (A) и солнечной (S) шестерен.
Передаточное число вычисляется по формуле

1+A/S.

В нашем случае

1+59/22 = 5.538

Но у нас две ступени, так что возводим это число в квадрат.

5.538^2 = 30.675

Что это нам дает? Можно оценить скорость вращения генератора. При вращении рукоятки со скоростью один оборот в секунду, генератор у нас будет вращаться со скоростью

30.675 * 60 = 1840 оборотов в минуту.

Разумная и достаточная скорость, как по мне.

Добавляем немного силиконовой смазки и собираем обратно.

С надежностью все более-менее понятно, до натурных испытаний больше о ней сказать нечего. А какие еще качества такой шарманки волнуют меня, как пользователя? Пожалуй, самое главное после надежности — эффективность. Не хочется, трудясь в поте лица своего, отапливать атмосферу. Для этого хорошо бы узнать К.П.Д. — отношение заряда, полученного моим гаджетом, к усилиям, которые я затратил на ручку.

Смутно из школьной программы вспомнился рассказ Мамина-Сибиряка «Вертел» про тяжелую жизнь пролетарского мальчика до революции, как он днями напролет вращал колесо какого-то станка, и как завидовал ему, не понимая ужаса ситуации, сытый барчонок:



В конце рассказа Прошка умирает, не выдержав непосильного труда.

Я не хочу разделить судьбу Прошки, заряжая айфончик. А значит, усилия хотелось бы поменьше, а амперы с вольтами побольше. У меня есть вольтметр, есть амперметр, я могу подсчитать обороты, с которыми вращаю ручку. Но как оценить усилие вращения? А без него полноценного теста не получится. Вращать рукоятку за безмен я даже не пытался: крутить такую затейливую штуковину и одновременно считывать показания — нет уж. И тут на помощь мне пришел старик Ньютон, со своим «действие равно противодействию». Он подсказал, что с той же силой, с которой я кручу ручку, корпус прибора будет пытаться кувырнуться на столе. А его склонность к опрокидыванию оценить намного проще. Спасибо, дружище Исаак. Быстренько отвинтив ножки, я приладил вместо них фанерку. Строго по центру прибора, под рукояткой, к фанерке прикрепил петлю, другую сторону которой закрепил на попавшемся под руку полене. Полено примастил к столу струбциной. Под край фанерки подставил весы. Теперь при вращении рукоятки прибор пытался накрениться, поворачивая на петле фанерную подставочку. Подставка давила на весы, с которых можно было легко считывать показания.

Вот как выглядит мой импровизированный стенд:



Строго говоря, весы хоть и показывают значение массы, в килограммах, но измеряют все-таки силу тяжести, в Ньютонах. Просто существует презумпция, что взешиваемый объект находится в покое. Таким образом, чтобы обратно из измеренных килограммов получить ньютоны, нужно массу m помножить на ускорение свободного падения g, которое для нашей любимой планеты равняется приблизительно 9.81 м/сек^2.



Разумеется, нужно принять в расчет и длины рычагов: рукоятка у нас 15 см, а фанерка от петли до точки контакта с весами получилась ровнехонько 20 см.



В статике выставляем на весах ноль:



А теперь начинаем вращать рукоятку. Холостой ход. Наша работа расходуется только на вращение шестерен, перемешивание смазки, создание электромагнитного поля в генераторе, нагрев проводов и конечно же на шум. Вполне умеренный, кстати.



Весы показали порядка 200 г.

Давайте прикинем работу на оборот. Подозреваю, что сила трения незначительно зависит от скорости, так что график затраченной впустую мощности от оборотов будет почти линейным. Длина рукоятки 15 см, периметр окружности, описываемой ее концом, будет

2*pi*R

что есть

2*3.14*0.15 = 0.942 метра

Сила, приложенная к весам, как я уже сказал, равна измеренной массе, помноженной на g.

0.2*9.81 = 1.962 Hьютонов

А сила, приложенная к рукоятке, больше пропорционально соотношению плечей, т.е в 0.2/0.15 раз:

1.962*0.2/0.15 = 2.616 Ньютонов.

Работа, как известно из курса физики за шестой класс, равняется произведению силы на расстояние, и измеряется она в Джоулях.

0.942*2.616 = 2.464 Дж.

Вот столько энергии тратится впустую за один оборот рукоятки. Теперь можете взять упаковку ваших любимых хлопьев для завтрака и посмотреть, сколько грамм вкусняшек нужно схомячить, чтобы крутануть на один оборот ручку. Ничего, заметьте, при этом пока не зарядив. Чтобы было понятнее, могу уточнить, что Ватт — это мощность, которая требуется, чтобы совершать Джоуль работы каждую секунду. То есть, если вы делаете один оборот в секунду, то вы тратите 2.464 Дж энергии и как раз мощность ваших трудов 2.464 Ватта.

Дальше я решил проверить, как преобразователь напряжения справляется со своей задачей. Посмотрим, что выдает прибор при разных настройках:

3.3 Вольт:



5 Вольт:



6 Вольт:



9 Вольт:



12 Вольт:


15 Вольт:



Как мы видим, напряжения выдерживаются практически идеально. И диапазон их охватывает почти все мыслимые применения: от питания приборов, рассчитанных на 3.3 Вольта, до зарядки, скажем, кальциевого автомобильного аккумулятора, которому нужно почти 15 вольт. Сам же генератор вырабатывает до 28 вольт постоянного напряжения. Измерил, подключившись к прямым клеммам на корпусе.

Переходим испытаниям основной функции прибора: заряжаем пауэрбанк:



Заряд пошел. 0.6А — похоже ограничение контроллера пауэрбанка, потому что как я ни вращал рукоятку, ток больше не становился. А вот просадка напряжения — вина плохого кабеля (черного). Но главное — ток есть, заряд идет. Усилие на рукоятке, как мы видим по весам, возросло вдвое. Что же до напряжения — на этот случай есть режим 6 вольт! Ставим 6 вольт, смотрим:



Теперь перелет. 5,5 вольт на пауэрбанке. Ток все тот же, усилие чуть возросло, но все равно — вращать легко, справится и девушка и ребенок. Вполне работоспособный вариант для зарядки!

Подключаем пауэрбанк помощнее:



Тут уже и ток 1.3 А и усилие на весах выросло до 14 ньютонов, что соответствует 18.67 Н на ручке. Все по-взрослому.

Теперь я решил вычислить КПД генератора. Для этого обнуляем юсб тестер, подключаем резистор на 4.7 Ома и делаем 400 оборотов рукояткой. Скорость вращения в данном случае не важна, так как мы можем вычислить работу вращения, она от времени вращения не зависит, а юсб тестер посчитает за нас энергию, отправленную на резистор. Погнали!



Усилие вращения я старался удерживать приблизительно около 1 кг по весам. И так сделал 400 оборотов. USB тестер показал 0.302 Ватт*час. Считаем:
Усилие на ручке:

9.81 * 1 * 0.2 / 0.15 = 13.08 Ньютонов

Работа за оборот:

13.08 * 0.942 = 12.32 Джоуля.

Оборотов всего 400, так что я произвел работы на

12.32 * 400 = 4928 Дж.

А резистор перевел в тепло 0.302 Вт*ч.
Ватт — это джоуль в секунду, так что часы переводим в секунды:

0.302 * 3600 = 1087.2 Вт*с = (Дж/с)*с = Дж

Такая энергия выделилась на резисторе.

КПД — это отношение полезной энергии к затраченной. В нашем случае:

1087 / 4928 = 0.22 = 22%

Такой КПД у нашего прибора при мощности порядка 5 ватт. Именно такую мощность комфортно поддерживать продолжительное время, не обливаясь потом и не рискуя разделись печальную участь Прошки.

Много это или мало? Учитывая двухступенчатый повышающий редуктор — показатели очень недурны.

Добавлено 8 февраля 2018:

Осталось разобраться, какой элемент устройства вносит наибольший вклад в снижение эффективности. Для этого вынимаем плату преобразователя напряжения и запитываем ее от лабораторного блока питания:



На вход я подал 20 вольт. Это напряжение соответствует энергичному вращению ручки при выходной мощности порядка 5 Ватт.

На выходе 3.35 вольта, 0.65 ампер. Мощность:

3.35 * 0.65 = 2.18 Вт

На входе 20 вольт, 0.14 ампер. Мощность:

20 * 0,14 = 2.8 Вт

КПД — отношение двух мощностей.

2.18 / 2.8 = 0.78

Нормальное значение. Не блестящее, но приелмлемое.

Аналогично для пяти вольт:



(4.89 * 1) / (20 * 0.32) = 0.76

И далее:



(5.85 * 1.2) / (20 * 0.45) = 0.78



(8.82 * 1.82) / (20 * 0.99) = 0.80



(11.4 * 2.38) / (20 * 1.65) = 0.82



(14.3 * 2.96) / (20 * 2.55) = 0.83

Но в последнем измерении надо признать, что мы уже вдвое привысили заявленный лимит мощности преобразователя напряжения.

Для нашего типового случая с пятью вольтами и одним ампером КПД электрической части составил 0.76. А общий — 0.22 Этот общий является произведением коэффициентов полезного действия всех элементов устройства. А значит, чтобы найти КПД механической части, нужно поделить общий КПД на КПД электрической. Делим:

0.22 / 0.76 = 0.29

Таким образом, для увеличения эффективности устройства наиболее перспективно улучшать механическую часть устройтва — редуктор (вернее, мультипликатор, раз он не понижает, а повышает обороты) и генератор. Но и менять там что-то хлопотнее, чем в электронике.

На что же уходят наши колтетки с пюрешкой? Теперь мы можем сказать точно:
Калорийность средней котлеты из говядины и свинины — 233 ККал — нашел в гугле.
Калорийность порции картофельного пюре, одной порции — 105 Ккал

Калория — это энергия, которой достаточно для нагревания 1 грамма воды на 1 градус. Таким образом, она отличается от привычных джоулей лишь на постоянный коэффициент, связанный с теплолемкостью воды: 1 кал = 4,1868 Дж

Котлетка даст нам

233 * 4.1868 = 975 кДж

Не забываем, что во всех этих котлетках — КИЛО калории, так что и джоули у нас тоже кило, а то вечно забывают.

Аналогично с пюрешкой — 439 КДж.

Итого, скромный обед (без десерта и компота, война же!) придаст нам сил на 1414 КДж.

Узнаем, сколько сил мы потратим непосредственно на зарядку гаджета:

1414 * 0.22 = 311 КДж

А оставшиеся

1414 — 311 = 1103 КДж

разделятся пропорционально КПД механики и электроники:

1103 / (1+(1-0.29) / (1-0.76)) = 279 КДж

уйдет на электронику. И

1103 — 279 = 824 КДж

уйдет в механику. Из потраченного на вращение рукоятки обеда, в полезную энергию перейдет только пюрешка, да и то не вся!

И все же 311 КДж — это тоже хорошая энергия. Прикинем, на что нам ее хватит.

У айфончика Х батарейка 2716 мАч, при напряжении приблизительно 4 вольта. Это значит, что для ее полного заряда нужно в течении часа подавать ток 2.7А при напряжении 4 В. Это заметное огрубление, но оно ничто по сравнению с другими, уже сделанными нами, допущениями.

Считаем энергию: напряжение перемножаем на ток и на секунды.

2.7 * 4 * 3600 = 38800 Дж = 39 КДж

Казалось бы — победа, виктория! Небольшой плюхи пюрешки на краю тарелки нам хватит едва ли не на зарядку восьми айфонов! Но нет. Увы. Нам еще нужно питать себя — нагрев, дыхание, кровообращение. И главное — мозг. Он, буржуй, сжирает больше всего. Поэтому и не хватит пюрешки на восемь айфонов. Даже с котлеткой не хватило бы. Заряжать айфончик комфортным током в 1 ампер нам придется около трех часов. Как раз с завтрака до обеда.

Конец вставки 8 февраля

А давайте обратимся к конкурентам. Как настоящие выживальщики, мы любим суровую советскую технику. А она нам может предоставить прекрасный образец постапокалипсис-гаджета. Встречайте, ПЗУ-5М! Несекретное название — Э-348М:



А вот его технические характеристики:



Как мы видим, наше устройство практически ни в чем не уступает отечественной разработке, а по весу и диапазону напряжений значительно его превосходит!

Кроме того, наше устройство может заряжать телефоны, которые привередливы к напряжению на информационных линиях usb. Как показывает тестер, на линиях поддерживается 3 вольта.



Еще один эксперимент. Подключаем небольшой инвертор в попытке получить 220 вольт. На холостом ходу инвертор работает. А вот под нагрузкой то и дело входит в защитный режим и пищит. Стоит только чуть помешкать с вращением рукоятки. Но если рукоятку крутить шуруповертом — лампы до 10 ватт работают превосходно. Конечно, дело еще в дешевом инверторе, который плохо подходит для импульсных блоков питания ламп. В итоге, беспроблемно запустилась только маленькая двухваттная светодиодка из Икеи. Вот она горит:



Возникает впечатление, что будь инвертор посовершеннее, и будь хоть небольшой запас энергии на борту генератора — аккумулятор там, или ионистор или хоть емкий конденсатор — запитать можно было бы и куда более мощную лампу.



Пора подводить итоги.

Прибор в целом отвечает поставленной задаче. Он уверенно заряжает и питает разную технику. Шумит адекватно, заметно, но не неприятно. Легко собирается и разбирается. В случае необходимости на него можно найти запчасти. Блок редуктор-генератор продается отдельно и стоит не очень дорого.



К минусам можно отнести пластиковые детали редуктора, неудачное крепление рукоятки и не предусмотренное крепление к столу.

К плюсам можно отнести широкий диапазон напряжений, высокий для такого типа приборов КПД, небольшую стоимость и некоторый задел для модернизации.

Думаю в свой установить батарею ионисторов и приладить струбцинку.

Сейчас акция ко дню св. Валентина, так что не упустите шанс преподнести своей девушке вечный источник бесплатного электричества.