Мікросистеми, Електроніка та Акустика

Розробка DC-DC перетворювача для використання в системах активного балансування акумуляторних батарей у форматі студентських змагань

Дмитро Ліпко — 2024-12-24

Виробництво акумуляторних батарей у світі стрімко зростає, що пов’язано із розвитком електротранспорту та альтернативної енергетики. Акумуляторні батареї мають свій обмежений ресурс, а доступної технології утилізації акумуляторних батарей на даний час немає. Явище дисбалансу дуже негативно впливає на ресурс акумуляторних батарей, проте застосування систем балансування протидіє цьому ефекту, тим самим збільшуючи загальний ресурс акумуляторної батареї. Покращення систем балансування може позитивно вплинути на ресурс акумуляторних батарей, та відтермінувати час їх утилізації

У статті представлено розробку DC-DC перетворювача для систем активного балансування акумуляторних батарей у форматі студентських змагань. Авторами була висунута попередня гіпотеза, вибору оптимальної топології DC-DC перетворювача для використання в певному активному балансирі. Для підтвердження цієї гіпотези, була сформована задача для студентських змагань, а саме побудова ізольованого DC-DC перетворювача, що міг би працювати в даному прототипі активного балансира. Активний балансир розрахований на балансування акумуляторної батареї, що складається з трьох послідовно підключених комірок. Учасникам було надано набір компонентів, а також додатковий фінансовий фонд, для придбання додаткових компонентів необхідних для практичної реалізації DC-DC перетворювача. Змагання проводились в режимі обмеженого часу, і на виконання завдання було виділено 48 годин. Критерії оцінювання були чітко виділенні, а головним критерієм було працездатність DC-DC перетворювача. З п’яти команд, три впорались із завданням, та зайняли призові місця.

На основі студентських змагань було проаналізовано різні топології ізольованих DC-DC перетворювачів, зокрема SEPIC, Push-Pull та DAB, показано принцип їх роботи, розглянуто переваги та недоліки. Особливу увагу приділено топології DAB, яка була визнана найкращим варіантом для використання в даному активному балансирі завдяки можливості роботи в широкому діапазоні вхідних-вихідних напруг, високій ефективності та двонаправленості. В статті наведено результати вимірювань, проведених на прототипі DAB перетворювача, та обговорюються складнощі його реалізації.

Таким чином, результати роботи сприяють підвищенню ефективності активних систем балансування акумуляторних батарей, подовженню терміну їх служби та розвитку технічних навичок студентів.

Моделювання тліючого розряду в коаксіальній системі електродів

Ольга Володимирівна Андрієнко — 2024-10-25

Виконано моделювання тліючого розряду в циліндричній коаксіальній системі з діелектричними торцями електродів в гідродинамічному дрейфово-дифузному наближенні. Параметри моделі: діаметр зовнішнього катода 10 та 13 мм, діаметр анода 2 мм, напруга 2800 В, температура газу 300 К. pd ~ 1 Па∙м, що відповідає лівій частині області мінімуму кривої Пашена для запалювання розряду. Були враховані реакції іонізації атомів електронним ударом, генерації та гасіння метастабільних атомів, пружнього зіткнення електронів з атомами та пружнє зіткнення іонів, резонансне перезарядження іонів, іонізація Пенінга, а також вторинна іонно-електронна емісія катода. Були розраховані в рамках самоузгодженої задачі розподіл потенціалу і концентрації заряджених частинок в міжелектродному проміжку, густини іонних і електронних струмів, представлені вольт-амперні характеристики для двух мод розряду - плазмового та безплазмового. Визначено вплив pd на параметри та моду розряду. Отримані результати можуть бути використані в плазмових технологіях модифікації внутрішніх поверхонь металевих, порожнистих, протяжних деталей з малим поперечним розміром, тобто в умовах близьких до ускладненого виникненням розряду.

Взаємодія срібних наночастинок з підкладкою в умовах плазмонного резонансу

Юрій І. Мисюк — 2024-10-26

Взаємодія між наночастинками металів і підкладками в умовах плазмонного резонансу відіграє вирішальну роль у різних оптичних застосуваннях. У цій роботі ми досліджуємо вплив матеріалу підкладки на оптичний відгук наночастинок срібла в умовах поверхневого плазмонного резонансу. Використовуючи теоретичне моделювання на основі квазістатичного дипольного наближення, ми дослідили, як діелектрична проникність підкладки впливає на спектри перерізу екстинкції наночастинок срібла в залежності від розміру наночастинок і відстані від поверхні підкладки. Проведені розрахунки показують значні зсуви піку екстинкції та збільшення перерізу екстинкції при розгляді різних матеріалів підкладок, зокрема целюлозу, оксид індію та олова і срібло. Було виявлено, що підкладки з більшою діелектричною проникністю спричиняють більший зсув піку екстинкції в бік довших довжин хвиль і призводять до збільшення значень перерізу екстинкції на робочій довжині хвилі. Більше того, було встановлено, що орієнтація зовнішнього електричного поля відносно поверхні підкладки впливає на величину цих зсувів. Результати дослідження показують, що хоча зміна розміру наночастинок має мінімальний вплив на положення піку екстинкції, збільшення розміру наночастинок значно збільшує максимальні значення перерізу екстинкції. Крім того, зміна відстані між наночастинками і поверхнею підкладки спричиняє зсуви в спектрах екстинкції, причому більші зсуви спостерігаються для підкладок з більшими значеннями діелектричної проникності. Ці результати дають цінну інформацію для проектування та оптимізації плазмонних структур для різних оптоелектронних застосувань. Розуміння взаємодії наночастинок з підкладкою та їх оптичні властивості допомагає прогнозувати оптичні відгуки і розробляти оптичні структури для покращення продуктивності їх використання. Загалом, це дослідження підкреслює важливість вибору матеріалу підкладки та взаємодії наночастинок з підкладкою в інженерних плазмонних системах для передових оптичних застосувань, прокладаючи шлях до розробки ефективних і оптимізованих оптоелектронних пристроїв і сенсорів.

Моделі акустичних резонаторів у дослідженнях звукопоглинаючих конструкцій

Дмитро Дмитрович Разумов — 2024-12-17

У статті розглянуто сучасні моделі акустичних резонаторів, які знаходять застосування у розробці та дослідженні звукопоглинальних конструкцій. Детально проаналізовано чотири підходи до моделювання резонаторів, кожен із яких має свої особливості, переваги та обмеження, що визначають їхню ефективність у конкретних завданнях. Модель простого гармонійного осцилятора дозволяє проводити базові розрахунки частот резонансу та отримувати уявлення про основні принципи функціонування резонатора. Вона є ключовим інструментом для попереднього аналізу, що дозволяє швидко оцінити ефективність конструкції та її відповідність заданим параметрам. Хоча ця модель не враховує складні геометричні чи фізичні фактори, її простота та інтуїтивність роблять її незамінною на початкових етапах проєктування. Другий підхід базується на рівняннях хвиль і використовується для моделювання складних геометрій, де хвильові процеси значно впливають на поведінку резонатора. Така модель дозволяє враховувати взаємодію акустичних хвиль із поверхнями різної форми, а також досліджувати їх розповсюдження у неоднорідних середовищах. Це робить її ефективною для завдань, пов'язаних із точним налаштуванням акустичних характеристик у приміщеннях зі складною архітектурою. Модель електричних аналогій демонструє себе як універсальний інструмент для аналізу багатокомпонентних систем. Вона дозволяє представити резонатор як частину електричної схеми, що спрощує вивчення його взаємодії з іншими елементами акустичної системи. Цей підхід знаходить застосування у задачах, де важливо враховувати вплив зовнішніх факторів, таких як розташування резонаторів у просторі чи взаємодія між ними. Метод скінченних елементів (FEM) є найпотужнішим інструментом для аналізу акустичних систем із високою точністю. Він дозволяє моделювати складні конструкції, враховувати фізичні властивості матеріалів та геометричні особливості резонаторів. Використання FEM є особливо актуальним для проєктування акустичних панелей, елементів оздоблення приміщень та дослідження впливу зовнішніх умов на ефективність звукопоглинання.

У статті наведено приклади типових задач для кожної з моделей, що демонструють їх практичну реалізацію у дослідженнях. Додатково обговорено напрями вдосконалення існуючих підходів, які можуть сприяти підвищенню ефективності розв’язання сучасних акустичних проблем. Окрему увагу приділено перспективам застосування моделей у майбутніх дослідженнях, включаючи розробку інноваційних типів резонаторів і створення комплексних моделей акустичних систем.