Стельки с подогревом: обзор с замахом на диссертацию

Помнится, в прошлом обзоре (это были рукавицы с подогревом, ссылка в конце текста) я упоминал, что ко мне уже едут стельки с подогревом.

Так вот: они довольно быстро доехали (за 2 недели), и сейчас Вашему вниманию будет представлен обзор сих высокотехнологичных изделий. :)

Точнее, хотелось бы видеть здесь что-то высокотехнологичное с автоматикой, термостабилизацией и т.п., но не сбылось.

Тем не менее, научный подход к анализу этих изделий будет присутствовать во всей красе, включая расчёты и методические рекомендации.

Впрочем, обо всём по порядку.

 Так выглядят стельки с нижней стороны (где разметка):

Стельки продаются в двух градациях размеров: с 35 по 40 и с 41 по 46 (EU).

Комплект поставки состоит из собственно стелек и USB-кабеля.

Материал стелек — синтетический, предположительно, пористая резина (на ощупь стельки мягкие).

С одной из сторон на эту резину наклеена грубая материя (на которую нанесена разметка для выреза под размер, это — нижняя сторона), а с другой стороны – материя мягкая и бархатистая (это — верхняя сторона стелек).

С обратной (верхней) стороны стелек ничего нет:

Кабель для подачи питания выходит из средней части стельки:

В месте выхода кабеля видно, что стельки состоят из двух половинок, склеенных между собой.

Клей — липкий, «невысыхающего» типа, как на изоленте.

Из этого проистекает, что половинки стелек потенциально могут расслаиваться и смещаться друг относительно друга; особенно при нагреве, совмещённом с физической нагрузкой.

А посему целесообразно дополнительно скрепить половинки нитками по краям в нескольких местах, особенно — вблизи выхода кабеля (что и было сделано).

Через щель рядом с выходом кабеля между частями стельки был виден нагревательный элемент в обрамлении из светлой ткани. Нагревательные элементы можно найти и отдельно на Алиэкспресс, правда, для крупных размеров, например, здесь.
Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Так что желающие заняться рукоделием могут себе соорудить и другие устройства для подогрева разных частей тела (не забываем об электробезопасности!!!).

Кабели, выходящие из стелек, имеют длину 13.5 см и оканчиваются цилиндрическими разъёмами:

На следующем фото — кабель для подключения стелек к power bank (пауэрбанку):

Этот кабель и стал главным техническим разочарованием (не в смысле плохого качества, а в смысле технической примитивности).

Если, например, на кабеле для рукавиц был сенсорный (!) выключатель, то здесь нет вообще никакого: ни сенсорного, ни механического! Включить или выключить стельки можно, только подключив USB-разъём к пауэрбанку или вытащив его из пауэрбанка.

Кабель для подключения стелек — довольно длинный (145 см).

Он состоит из сдвоенных проводников с тонкой продольной перемычкой между ними; так что проводники кабеля, идущие к разным стелькам, можно разделить друг от друга на любую желаемую длину.

Чтобы после определения оптимальной точки разделения проводников они не продолжили расползаться дальше, желательно точку раздела как-то зафиксировать (например, плотно обмотать несколькими витками жесткого провода).

Оканчивается кабель ответными частями к цилиндрическим разъёмам на стельках:

Наиболее удобным при эксплуатации оказалось пропустить кабель к стелькам не снаружи, а внутри штанов.

Если же пустить кабель снаружи, то это будет не удобно; да и вообще его тогда можно будет легко порвать, зацепившись за какое-либо препятствие.

Практические испытания стелек с подогревом

Начнём со скучных технических измерений и расчётов.

Первым делом было замерено потребление тока от пауэрбанка с напряжением выхода 5 В.

Оно составило почти точно 1.6 Ампера, что очень мило. Это означает, что эти стельки с подогревом можно запитать от любого стандартного пауэрбанка с током выхода в 2 Ампера, коих в продаже — хоть пруд пруди.

Во время этого же эксперимента было определено, что подогреваются стельки в районе пальцев (кроме кончиков) и посередине стельки; пятка остаётся без подогрева.

Полевые испытания показали, что недостатком это не является.

Затем было замерено сопротивление нагревательного элемента стельки со стороны собственного цилиндрического разъёма (а не со стороны USB-разъёма «длинного» кабеля).

Оно составило 5.3 Ом.

Сопротивление соединительного кабеля (до одной стельки) составило 0.95 Ом.

Не могу сказать, чтобы эти цифры порадовали. Из них можно подсчитать КПД системы «стельки + кабель».

Кпд составляет 5.3/(5.3 + 0.95) = 0.848 (~85%).

А мощность, получаемая одной стелькой, составит при питании от источника 5 Вольт (пауэрбанка)  I*U = I^2*R = (5 V / 6.25 Ohm)^2 * 5.3 Ohm = 3.382 Вт.

 Мощность в стельке получается, прямо скажем, не очень большой.

А ведь ещё надо учесть, что эта мощность распределяется в двух направлениях: в сторону ноги и в сторону подошвы ботинка (сапога).

Если допустить, что мощность распределяется пополам (в одну и другую сторону), то ноге от стельки достанутся только 1.7 Ватта. Улучшить эту величину можно, если под стельку с подогревом положить ещё обычную стельку (чтобы не греть зазря подошву ботинка (сапога). Что и было сделано для увеличения эффективности нагрева.

Теперь — в путь!

Лично мне эти стельки потребовались для согрева ступней во время катания на велосипеде; именно в этом качестве они и проверялись при полевых испытаниях .

Первое испытание — сравнительное: сравниваем ощущения ноги с подогревом и ноги без подогрева.

Температура — минус 5 градусов, время в пути на велосипеде — 1.5 часа, стельки вложены в типовые зимние сапоги.

В принципе, если при такой температуре крутить педали достаточно интенсивно, то ноги и без подогрева не замерзают.

Но здесь испытания показали, что ноге с подогревом всё-таки немного теплее и комфортнее, чем ноге без подогрева.

Следующие испытания, проведённые при более холодной погоде (около минус 9 градусов) показали, что нагрев стелек для более жесткой погоды является недостаточным.

Надо повышать мощность, подаваемую на стельки.

К сожалению, пауэрбанков с возможностью подачи на нагрузку напряжений в диапазоне 6-8 Вольт под рукой не нашлось (да и существуют ли они?!).

Посему было принято решение использовать понижающий DC-DC преобразователь, запитав его от пауэрбанка с высоким напряжением на выходе (16-24 В).

Подготовка техники для подачи на стельки с подогревом повышенного напряжения питания и испытания с повышенным напряжением

Итак, чтобы повысить нагрев сколь-нибудь существенно, надо довести мощность на каждой стельке хотя бы до 5 Вт (при том, что в предыдущем эксперименте с питанием от 5 Вольт мощность составила только 3.4 Вт).

Имеющийся у меня в хозяйстве пауэрбанк мог отдавать напряжения в диапазоне 16-24 В, а это слишком много.

Так выглядит этот пауэрбанк (модель IconBIT FTB 16000S):

Сейчас этот пауэрбанк уже не выпускается, но эта проблема — решаемая (подробнее — в завершающей главе).

Подавать от такого пауэрбанка питание напрямую на стельки нельзя.

Даже при нижнем напряжении из этого диапазона (16 В) можно сжечь нагревательный элемент; либо, если он не сгорит, можно превратить стельки в орудие пытки инквизиции (поджаривание пяток).

Можно для гашения лишнего напряжения использовать банальный резистор, но это приведёт к катастрофическому падению КПД всей системы.

Так что выход — только один: использовать понижающий DC-DC преобразователь.

Готового DC-DC преобразователя на нужное напряжение не было; в связи с чем я решил для этой цели переделать давно валяющийся у меня без дела автомобильный преобразователь 12 В -> 5 В, вставляющийся в прикуриватель.

Внутри преобразователя оказалась треугольная плата, основанная на ШИМ-модуляторе TL494. 

Эта микросхема известна с древнейших времён, и работа с ней затруднений не вызывает.

Для повышения напряжения на выходе оказалось достаточным соединить контакт 1 микрухи через резистор с землёй. Номинал резистора указывать не буду, т.к. в разных реализациях преобразователя он будет разным.

И вот что получилось в результате этого «колхозстроя» (вид с двух сторон):

На последней фотографии над микросхемой виден резистор, припаянный для подъёма напряжения выхода.

В итоге напряжение на выходе составило на холостом ходу 6.32 В:

Но интересно, что под нагрузкой (один ботинок со стелькой) напряжение не только не падает, но и даже немного повышается (почти до 6.5 В):

К сожалению, два ботинка одновременно запитать эта схема не смогла: срабатывала защита, и напряжение падало до 4 В.

Так что «боевые испытания» пришлось проводить с подогревом только одной стельки; что даже лучше позволило оценить эффективность подогрева.

Мощность, рассеиваемая в стельке, составила I^2*R = 1.05^2*5.3 = 5.84 Вт; что немного  превосходит планируемые 5 Вт.

Испытания проводились при температуре минус 12 градусов, продолжительность — 1.5 часов.

Результат оказался позитивным: ступня с подогреваемой стелькой чувствовала себя очень хорошо.

Для создания комфорта обеим ногам пришлось по ходу испытания переключать нагрев с одной стельки на другую.

Окончание симпозиума

Испытания показали, что примитивность стелек (отсутствие регулировки мощности) не позволяет их использовать для создания комфорта при любых погодных условиях (существенных холодах в частности).

При эксплуатации «как есть» они подходят только для небольших морозов; да и то при условии, что под стелькой с подогревом будет ещё и обычная стелька (для предотвращения утечки тепла в сторону подошвы ботинка).

Для эксплуатации при сколь-нибудь серьёзных морозах потребуется повышение напряжения питания сверх стандартных 5 В, которые отдают большинство обычных пауэрбанков.

Наиболее оптимальным будет, видимо, использование пауэрбанка на высокое напряжение (от 12 В), но с последовательным соединением с управляемым понижающим DC-DC преобразователем, который мог бы обеспечить напряжение на выходе в пределах 5 — 6.5 Вольт. В этом случае пользователь сможет подстраивать мощность нагрева в соответствии с текущими погодными условиями.

При этом описанный в обзоре «колхоз» ни в коем случае не рекомендуется к применению: это было решение для быстрой реализации идеи, а не для долговременного использования.

Отдельной проблемой будет «добыча» от пауэрбанка повышенного напряжения. Пауэрбанки, дающие на выходе сразу напряжение выше 5 В, сейчас — редкость. Проще приобрести пауэрбанк с поддержкой «быстрой зарядки» со стороны выхода, а дополнительно к нему докупить триггер (иногда называемый «приманкой»), который принудительно переводит пауэрбанк в режим выдачи повышенного напряжения (9-12 Вольт). Ссылка на обзор такого триггера — в конце текста.

Но надо иметь в виду, что напряжение 9 или 12 В тоже напрямую подавать нельзя. При напряжении свыше 6.5 В начинается температурная деформация стелек. 

Подводя окончательные итоги всех изысканий, придётся волей-неволей прийти к печальному выводу: «доведение до ума» этих стелек приведёт к существенному росту затрат (пауэрбанк с поддержкой «быстрой зарядки» + триггер + DC-DC преобразователь). Да и набивать карманы этим добром не всегда будет удобно.

Стоит ли оно всей этой возни — не знаю. Мне-то уже отступать некуда. :)

Последняя и самая элементарная рекомендация — при обрезке стелек с подогревом под размер обуви постараться не отрезать лишнего. Лучше провести несколько итераций подгонки.

Стельки с подогревом были приобретены на Алиэкспресс у этого продавца. Цена на дату обзора — $6.7 за размер 35-40 и $7 за размер 41-46; на странице продавца могут быть купоны или промокоды на доллар (а могут и не быть, но внимательно посмотреть надо). Цена может меняться; если у других продавцов будут дешевле, то тоже можно брать — товар одинаковый.
Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Некоторые виды стелек с подогревом можно найти и на сервисе Яндекс.Маркет (даже с пультом дистанционного управления!), но они не испытаны; а точно таких же, как в обзоре, там не найдено.
Реклама. ООО «Яндекс» ИНН 7736207543

Всем спасибо за внимание!

Дополнительные материалы по теме:

— Обзор рукавиц с подогревом;

— Обзор триггеров для получения напряжений 9 или 12 В от пауэрбанков с поддержкой «быстрой зарядки».