من فرق الحرارة إلى منحنى القدرة: مشاريع تخرج Arduino في الطاقة الحرارية

لو وضعت وحدة حرارية كهربائية بين سطح دافئ ومشتت بارد فقد ترى جهداً، لكن الرقم وحده لا يخبرك كم طاقة يمكن سحبها. تقترح مشاريع تخرج Arduino في الطاقة منصة تقيس حرارة الوجهين والجهد والتيار بينما تبدل الحمل المقاومي. سؤالها محدد: كيف يتغير منحنى الخرج عندما نثبت تركيب الوحدة ونغير فرق الحرارة؟ لا تفترض أن حرارة المصدر هي نفسها حرارة السيراميك، ولا أن قراءة جهد مفتوح تعني قدرة.

ما الظاهرة التي يجري اختبارها؟

في تأثير سيبك ينشأ فرق جهد عندما يوجد فرق حراري عبر مواد الوحدة. يشرح دليل Ferrotec سلوك الوحدة كمولد ويبين ارتباط الخرج بفرق الحرارة والتيار ومقاومة الوحدة. عملياً، انتقال الحرارة عبر معجون التلامس والصفائح والمشتتات يحد الفرق الذي يصل إلى العنصر. لذلك يسجل المشروع حرارة الوجه الساخن والبارد قرب الوحدة، لا حرارة السخان والهواء فقط.

يجب صياغة النتيجة على أنها منحنى لهذه العينة وهذا التركيب. لا تقارن وحدتين مختلفتين قبل تثبيت الضغط ومساحة التلامس وطريقة التبريد. وقد تتغير خواص الوحدة عند التيار العالي بسبب التسخين والمقاومة الداخلية، فلا يكفي نموذج خطي واحد لتفسير كل القياسات.

مكونات منصة صغيرة قابلة للتكرار

تحتاج وحدة TEG مناسبة لدرجات الحرارة المنخفضة، صفيحة ساخنة تتحكم بها بأمان، مشتتاً مع مروحة على الجانب الآخر، ومجسين حراريين مثبتين بضغط متقارب على وجهي الوحدة. استخدم متحكماً لقراءة المجسات، ومقياساً رقمياً أو محولاً مناسباً لقياس الجهد والتيار، ومجموعة مقاومات حمل ذات قدرة كافية. يمكن تسجيل النتائج في الحاسوب عبر USB بدلاً من إضافة شاشة صغيرة لا تحسن القياس.

صمم إطاراً يوزع الضغط بالتساوي ولا يسمح بملامسة كهربائية بين الصفائح. لا توصل سخاناً مكشوفاً أو مصدراً كهربائياً منزلياً إلى لوحة الطلاب؛ استخدم وحدة تسخين منخفضة الجهد مع تحكم ومراقبة. أوقف التجربة إذا ارتفعت حرارة أي سطح فوق الحد الذي حددته مواصفة الوحدة أو المادة اللاصقة.

بروتوكول القياس

ابدأ دون حمل وسجل درجات الوجهين والجهد بعد استقرار الحرارة، ثم وصل مقاومة معلومة وسجل الجهد والتيار. غير الحمل على خطوات، وكرر المسح صعوداً وهبوطاً حتى تلاحظ إن كان النظام يتأخر أو ينجرف حرارياً. لا تقفز مباشرة بين قيم كثيرة مع تغير الحرارة؛ إما أن تنتظر الاستقرار أو تسجل الزمن كي تفصل أثر الانتقال عن أثر الحمل.

لكل نقطة احسب القدرة الكهربائية P=V×I، واحسب مقاومة الحمل من قيمتها المقاسة لا من اللون الاسمي فقط. مثال افتراضي: 0.18 فولت عبر 10 أوم يعني 18 ملي أمبير و3.24 ملي واط. هذا مجرد مثال حسابي، وليس وعداً بأن وحدة معينة تعطي هذه القيم. جهد الدائرة المفتوحة يقاس عند تيار شبه معدوم، فلا تستخدمه في حساب قدرة الحمل.

قرارات التصميم التي تغيّر النتيجة

اختر مجساً يمكن تثبيته ميكانيكياً من دون أن يصنع فجوة هوائية كبيرة. تحقق من توافق مدخل القياس مع جهد الوحدة؛ لا تدخل خرجاً سالباً أو أعلى من حد اللوحة مباشرة. إذا أردت اختبار دائرة حصاد مثل bq25570، نفذ قياسها بعد توثيق خرج الوحدة الخام. تذكر ورقة TI أن بدء التشغيل البارد له شروط جهد محددة وأن التشغيل بعد البدء قد يعمل عند دخل أقل؛ هذا لا يعني أن أي وحدة ستبدأ تحت أي ظرف.

افصل تجربة توصيف المصدر عن تجربة تشغيل حمل. في الأولى، بدّل المقاومات وسجل المنحنى. في الثانية، أضف دائرة حصاد ومكثفاً وحملاً معروفاً وقس زمن الشحن وتفريغ الحمل. سعة المكثف أو وميض LED ليسا بديلاً عن قياس الطاقة؛ الحمل النبضي قد يعطي انطباعاً مضللاً عن الخرج المتوسط.

اختبارات القبول والفشل

اختبر أولاً المجسين في حمام مائي واحد أو على كتلة معدنية متساوية الحرارة؛ ينبغي أن تتفق قراءتهما ضمن سماحية معلنة. تحقق من قياس الجهد بمصدر مرجعي، والتيار بمقاومة معروفة. كرر نقطة حمل واحدة ثلاث مرات بعد إعادة تركيب الوحدة، وسجل التشتت. إذا اختلفت درجات الوجهين بينما المشتت لم يتغير، افحص ضغط المشابك ومعجون التلامس قبل اتهام المتحكم.

اختبار فشل مفيد هو تشغيل المروحة وإطفاؤها مع تسجيل حرارة الوجه البارد، ثم ملاحظة هل انخفض فرق الحرارة فعلاً أم ارتفعت حرارة الوجهين معاً. نجاح البرنامج في إخراج CSV لا يثبت صحة القياس. تحقق من وحدات الأعمدة، الطابع الزمني، وعدم انعكاس قطبية المجس. اقبل النموذج عندما تتكرر نقاط القياس ضمن حد تباين حددته مسبقاً، لا عندما يبدو المنحنى ناعماً.

كيف تعرض النتيجة بصدق؟

اعرض منحنى القدرة مقابل المقاومة، ومنحنى الجهد والتيار مقابل فرق الحرارة المقاس، مع نوع الوحدة وطريقة تثبيتها وسرعة المروحة. أظهر نطاق الحرارة وعدد التكرارات وعدم اليقين التقريبي. لا تسَمّ أعلى نقطة «كفاءة»؛ الكفاءة تحتاج قياساً موثوقاً للحرارة الداخلة والخارجة وتدفقها، وهو أصعب بكثير من قراءة فرق حرارة سطحية.

يمكن لفريق مشاريع تخرج Arduino توثيق التصميم والاختبارات ضمن خدمة مشاريع التخرج، وربطها بخدمة Arduino والأجهزة المتصلة. امتداد جيد هو مقارنة مشتتات مختلفة في ظروف محكومة، لا ادعاء أن النموذج يشغل أجهزة كبيرة. القياس التعليمي يوضح المبدأ ويكشف خسائر التركيب؛ لا يضمن منتجاً تجارياً أو استقلالاً عن مصدر الحرارة.

للمعادلات وفكرة الجهد المفتوح وهبوط الجهد تحت الحمل، راجع دليل Ferrotec لتوليد الطاقة الحرارية كهربائياً؛ ولقيود بدء محول الطاقة راجع ورقة TI bq25570. هذه مراجع تصميم وليست قياساً لوحدتنا.