Super Kondensator UPS: 6 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:18

Për një projekt, më kërkuan të planifikoja një sistem rezervë të energjisë që mund të mbante mikrokontrolluesin në punë rreth 10 sekonda pas humbjes së energjisë. Ideja është që gjatë këtyre 10 sekondave kontrolluesi të ketë kohë të mjaftueshme për të

• Ndaloni çfarëdo që të bëjë
• Ruani gjendjen aktuale në kujtesë
• Dërgoni mesazhin e humbjes së energjisë (IoT)
• Kthehet në modalitetin e gatishmërisë dhe pret humbjen e energjisë

Funksionimi normal fillon vetëm pas një rifillimi. Ende ka nevojë për një planifikim të nevojshëm se cila mund të jetë procedura nëse energjia kthehet gjatë këtyre 10 sekondave. Sidoqoftë, detyra ime ishte të përqendrohesha në furnizimin me energji elektrike.

Zgjidhja më e thjeshtë mund të jetë përdorimi i një UPS të jashtëm ose diçka e tillë. Natyrisht, nuk është kështu dhe ne kishim nevojë për diçka shumë më të lirë dhe më të vogël. Zgjidhjet e mbetura janë duke përdorur një bateri ose një super kondensator. Pikërisht gjatë procesit të vlerësimit, pashë një video të bukur në YouTube në lidhje me temën e ngjashme: Link.

Pas disa konsideratave, qarku i super kondensatorit dukej si zgjidhja më e mirë për ne. Slightlyshtë pak më e vogël se bateria (duam të përdorim komponentë shumë të përdorur, edhe pse personalisht nuk jam i sigurt nëse arsyeja e madhësisë është vërtet e vërtetë), kërkon më pak përbërës (do të thotë- është më e lirë) dhe më e rëndësishmja- tingëllon shumë më mirë sesa një bateri (pasojat e punës me jo-inxhinierë).

U krijua një sistem testimi për të testuar teorinë dhe për të kontrolluar nëse sistemet e ngarkimit të super kondensatorit funksionojnë ashtu siç duhet.

Ky udhëzues tregon më shumë se çfarë është bërë në vend që të shpjegojë se si ta bëni atë.

Hapi 1: Përshkrimi i sistemit

Arkitektura e sistemit mund të shihet në figurë. Së pari, 230VAC shndërrohet në 24VDC në 5VDC dhe në fund qarku i mikrokontrolluesit po funksionon në 3.3V. Në rastin ideal, mund të zbulohet ndërprerja e energjisë tashmë në nivelin e rrjetit (230VAC). Fatkeqësisht, ne nuk jemi në gjendje ta bëjmë këtë. Prandaj, ne duhet të kontrollojmë nëse fuqia është ende atje në 24VDC. Si kjo, nuk mund të përdorni kondensatorët e ruajtjes së furnizimit me energji AC/DC. Mikrokontrolluesi dhe të gjithë pajisjet e tjera elektronike të rëndësishme janë në 3.3V. Shtë vendosur që në rastin tonë hekurudha 5V është vendi më i mirë për të shtuar super kondensatorin. Kur tensioni i kondensatorit po bie ngadalë, mikrokontrolluesi mund të punojë akoma në 3.3V.

Kërkesat:

• Rrymë konstante - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Tensioni minimal (min. Tensioni i lejuar @ 5V hekurudhë) - Vend = 3.0V
• Koha minimale që duhet të mbulojë kondensatori - T = 10 sek

Ka disa super-kondensatorë të veçantë që karikojnë IC-të në dispozicion që mund të ngarkojnë kondensatorin shumë shpejt. Në rastin tonë, koha e karikimit nuk është kritike. Kështu, një qark më i thjeshtë diodë-rezistencë është i mjaftueshëm. Ky qark është i thjeshtë dhe i lirë me disa të meta. Çështja e kohës së karikimit është përmendur tashmë. Sidoqoftë, pengesa kryesore është se kondensatori nuk ngarkohet në tensionin e tij të plotë (rënie e tensionit të diodës). Sidoqoftë, tensioni më i ulët mund të na sjellë gjithashtu disa anë pozitive.

Në lakoren e jetëgjatësisë së pritur të kondensatorit nga figura e të dhënave (lidhja) e serisë AVX SCM mund të shihni jetëgjatësinë e pritshme kundrejt temperaturës së funksionimit dhe tensionit të aplikuar. Nëse kondensatori ka vlerë më të ulët të tensionit, jeta e pritshme rritet. Kjo mund të jetë e dobishme pasi mund të përdoret kondensator i tensionit më të ulët. Kjo ende duhet sqaruar.

Siç do të tregohet në matjet, tensioni i funksionimit të kondensatorit do të jetë rreth 4.6V-4.7V-80% i Vrated.

Hapi 2: Qarku i Testimit

Pas një vlerësimi, super kondensatorët AVX janë zgjedhur për testim. Ato të testuara janë vlerësuar për 6V. Kjo është në të vërtetë shumë afër vlerës që ne po planifikojmë të përdorim. Sidoqoftë, për qëllime testimi është e mjaftueshme. U testuan tre vlera të ndryshme të kapacitetit: 1F, 2.5F dhe 5F (2x 2.5F paralelisht). Vlerësimi i kondensatorëve është në vijim

• Saktësia e kapacitetit - 0% +100%
• Tensioni i vlerësuar - 6V

• Pjesa e prodhuesit nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Gjatë gjithë jetës - 2000 orë @ 65 ° C

Për të përputhur tensionin dalës me tensionin e kondensatorit përdoren diodat e tensionit minimal përpara. Në testin VdiodeF2 = 0.22V diodat zbatohen së bashku me ato me rrymë të lartë me VdiodeF1 = 0.5V.

Përdoret IC e thjeshtë e konvertuesit DC-DC LM2596. Ky është IC shumë i fortë dhe lejon fleksibilitet. Për testimin ishin planifikuar ngarkesa të ndryshme: kryesisht ngarkesa të ndryshme rezistente.

Dy rezistencat paralele 3.09kΩ paralele me super kondensatorin janë të nevojshme për stabilitetin e tensionit. Në qarkun e provës super kondensatorët lidhen përmes ndërprerësve dhe nëse asnjë nga kondensatorët nuk është i lidhur tensioni mund të jetë shumë i lartë. Për të mbrojtur kondensatorët, një diodë Zener 5.1V është vendosur paralelisht me ta.

Për ngarkesën, rezistenca 8.1kΩ dhe LED janë duke siguruar një ngarkesë. U vu re se pa kusht ngarkesa tensioni mund të shkonte më i lartë se sa donte. Diodat mund të shkaktojnë disa sjellje të papritura.

Hapi 3: Llogaritjet teorike

Supozimet:

• Rrymë konstante - Iconst = 0.5A
• Dështimi i energjisë Vout @ - Vout = 5.0V
• Tensioni i ngarkimit të kondensatorit para diodave - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Tensioni i fillimit (dështimi i energjisë Vcap @) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Dështimi i energjisë Vout @ - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Minimal Vcap - Vcap_min = Vendos VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Koha minimale që duhet të mbulojë kondensatori - T = 10 sek

Koha për të ngarkuar një kondensator (teorik): Ngarkimi = 5*R*C

R = Rimbushje + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Lidhje

Për kondensatorin 1F është R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27ohm

Nëse C = 1.0F, Ngarkimi = 135 sek = 2.5 minuta

Nëse C = 2.5F, Ngarkimi = 337 sek = 5.7 minuta

Nëse C = 5.0F, Ngarkimi = 675 sek = 11 minuta

Nga supozimet, mund të supozojmë se vlerësimi i fuqisë konstante është përafërsisht.: W = I * V = 2.5W

Në një kondensator, dikush mund të ruajë një sasi të caktuar të energjisë: W = 0.5 * C * V^2

Nga kjo formulë, kapaciteti mund të llogaritet:

• Dua të tërheq x Watts për t Sekonda, sa kapacitet më nevojiten (Lidhje)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Dua të tërheq x Amper për t Sekonda, sa kapacitet më nevojiten? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Nëse zgjedhim vlerën e kondensatorit të jetë 5F:

• Sa kohë do të duhet për të ngarkuar/shkarkuar këtë kondensator me një rrymë konstante (Lidhje)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sek.
• Sa kohë do të duhet për të ngarkuar/shkarkuar këtë kondensator me një fuqi konstante (W)? Shkarkimi = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sek.

Nëse përdorni një Rcharge = 25ohm rryma e karikimit do të ishte

Dhe koha e ngarkimit afërsisht: Ngarkimi = 625 sek = 10.5 minuta

Hapi 4: Matjet Praktike

U testuan konfigurime të ndryshme dhe vlera të kapacitetit. Për të thjeshtuar testimin, u krijua një sistem testimi i kontrolluar nga Arduino. Skemat janë treguar në figurat e mëparshme.

Tre tensione të ndryshme u matën dhe rezultatet përshtaten relativisht mirë me teorinë. Meqenëse rrymat e ngarkesës janë shumë më të ulëta se vlerësimi i diodës, rënia e tensionit përpara është pak më e ulët. Sidoqoftë, siç mund të shihet tensioni i matur i super kondensatorit përputhet saktësisht me llogaritjet teorike.

Në figurën e mëposhtme, mund të shihni një matje tipike me kondensator 2.5F. Koha e karikimit përshtatet mirë me vlerën teorike të 340sek. Pas 100 sekondash shtesë tensioni i kondensatorit është rritur vetëm 0.03V shtesë, që do të thotë se ndryshimi është i papërfillshëm dhe në intervalin e gabimit të matjes.

Në figurën otehr, mund të shihet se pas ndërprerjes së energjisë tensioni dalës Vout është VdiodeF2 më i vogël se tensioni i kondensatorit Vcap. Dallimi është dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Një përmbledhje e kohës së matur mund të shihet në tabelën e bashkangjitur. Siç mund të shihet, rezultatet nuk përputhen saktësisht me llogaritjet teorike. Kohët e matura janë kryesisht më të mira se ato të llogaritura, që do të thotë se disa parazitë që rezultuan nuk u morën parasysh në llogaritjet. Kur shikoni qarkun e ndërtuar mund të vëreni se ka disa pika lidhjeje jo të përcaktuara mirë. Për më tepër, llogaritjet nuk marrin parasysh sjelljen e ngarkesës - kur tensioni bie, rryma zbret. Sidoqoftë, rezultatet janë premtuese dhe janë në intervalin e pritur.

Hapi 5: Disa mundësi përmirësimi

Dikush mund të përmirësojë kohën e funksionimit nëse përdor një konvertues nxitës në vend të diodës pas super kondensatorit. Ne e kemi konsideruar atë, megjithatë çmimi është më i lartë se sa ka një diodë të thjeshtë.

Ngarkimi i super kondensatorit përmes një diodë (në rastin tim dy dioda) do të thotë rënie e tensionit dhe kjo mund të hiqet nëse përdoret një IC i kondensatorit të veçantë për karikimin. Përsëri, çmimi është shqetësimi kryesor.

Përndryshe, një ndërprerës i lartë anësor mund të përdoret së bashku me një ndërprerës PNP. Një zgjidhje e mundshme e mendimit të shpejtë mund të shihet në vijim. Të gjithë çelsat kontrollohen përmes një diodë zener që mundësohet nga hyrja 24V. Nëse tensioni i hyrjes bie nën tensionin e zenerit të diodës, çelësi PNP ndizet dhe çelsat e tjerë anësorë të lartë fiken. Ky qark nuk është testuar dhe ka shumë të ngjarë që kërkon disa përbërës shtesë (pasivë).

Hapi 6: Përfundimi

Matjet përshtaten mjaft mirë me llogaritjet. Duke treguar se llogaritjet teorike mund të përdoren-befasi-befasi. Në rastin tonë të veçantë, nevojitet pak më shumë se 2.5F kondensator për të siguruar sasi të mjaftueshme të energjisë për periudhën e caktuar kohore.

Më e rëndësishmja, qarku i karikimit të kondensatorit funksionon siç pritej. Qarku është i thjeshtë, i lirë dhe i mjaftueshëm. Ka disa disavantazhe të përmendura, megjithatë, çmimi i ulët dhe thjeshtësia e kompenson atë.

Shpresojmë që kjo përmbledhje e vogël të jetë e dobishme për dikë.