Super Capacitor UPS: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Eräässä projektissa minua pyydettiin suunnittelemaan varavirtalähdejärjestelmä, joka voisi pitää mikro -ohjaimen käynnissä noin 10 sekuntia sähkökatkon jälkeen. Ajatuksena on, että näiden 10 sekunnin aikana ohjaimella on riittävästi aikaa

• Lopeta mitä se tekee
• Tallenna nykyinen tila muistiin
• Lähetä sähkökatkon viesti (IoT)
• Kytkee itsensä valmiustilaan ja odottaa virran katkeamista

Normaali toiminta käynnistyy vasta uudelleenkäynnistyksen jälkeen. Vielä on suunniteltava, mikä voisi olla menettely, jos virta palaa tämän 10 sekunnin aikana. Tehtäväni oli kuitenkin keskittyä virtalähteeseen.

Yksinkertaisin ratkaisu voisi olla ulkoisen UPS: n tai vastaavan käyttäminen. Ilmeisesti näin ei ole, ja tarvitsimme jotain paljon halvempaa ja pienempää. Loput ratkaisut käyttävät akkua tai superkondensaattoria. Juuri arviointiprosessin aikana näin mukavan YouTube -videon samasta aiheesta: Linkki.

Joidenkin seikkojen jälkeen superkondensaattoripiiri kuulosti meille parhaalta ratkaisulta. Se on hieman pienempi kuin akku (haluamme käyttää erittäin laajalti käytettyjä komponentteja, vaikka en ole henkilökohtaisesti varma, onko koon syy todella totta), vaatii vähemmän komponentteja (eli halvempaa) ja mikä tärkeintä- kuulostaa paljon paremmalta kuin akku (seurauksia työskentelystä muiden kuin insinöörien kanssa).

Teorian testaamiseksi ja superkondensaattorin latausjärjestelmien toimimiseksi kuten pitää, rakennettiin testijärjestely.

Tämä opas näyttää enemmän mitä on tehty sen sijaan, että selittäisi, miten se tehdään.

Vaihe 1: Järjestelmän kuvaus

Järjestelmän arkkitehtuuri näkyy kuvassa. Ensinnäkin 230VAC muunnetaan 24VDC: ksi ja 5VDC: ksi, ja mikrokontrolleripiiri toimii lopulta 3,3V jännitteellä. Ihannetapauksessa sähkökatko voidaan havaita jo verkkotasolla (230 VAC). Valitettavasti emme pysty siihen. Siksi meidän on tarkistettava, onko 24 VDC: n virta edelleen olemassa. Näin ollen AC/DC -virtalähteen tallennuskondensaattoreita ei voi käyttää. Mikro -ohjain ja kaikki muu tärkeä elektroniikka ovat 3.3V jännitteellä. On päätetty, että meidän tapauksessamme 5V -kisko on paras paikka lisätä superkondensaattori. Kun kondensaattorin jännite laskee hitaasti, mikrokontrolleri voi edelleen toimia 3,3 V: n jännitteellä.

Vaatimukset:

• Vakiovirta - kuvake = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Vähimmäisjännite (min. Sallittu jännite @ 5V kisko) - Vend = 3,0 V.
• Minimi aika, jonka kondensaattorin on katettava - T = 10 sekuntia

Saatavilla on useita erityisiä superkondensaattorin latauspiirejä, jotka voivat ladata kondensaattorin erittäin nopeasti. Meidän tapauksessamme latausaika ei ole kriittinen. Näin ollen yksinkertaisin diodivastuspiiri riittää. Tämä piiri on yksinkertainen ja halpa, ja siinä on joitain haittoja. Latausaikakysymys on jo mainittu. Suurin haittapuoli on kuitenkin se, että kondensaattoria ei ladata täyteen jännitteeseen (diodin jännitehäviö). Alempi jännite voi kuitenkin tuoda meille myös positiivisia puolia.

Superkondensaattorin odotetun käyttöiän käyrässä AVX SCM -sarjan tietolomakkeesta (linkki) voidaan nähdä odotettu käyttöikä suhteessa käyttölämpötilaan ja käytettyyn jännitteeseen. Jos kondensaattorin jännitearvo on pienempi, odotettu käyttöikä kasvaa. Siitä voisi olla hyötyä pienjännitekondensaattorin käyttämisessä. Asia on vielä selvitettävä.

Kuten mittauksista käy ilmi, kondensaattorin käyttöjännite on noin 4,6 V-4,7 V-80% jännitteinen.

Vaihe 2: Testaa piiri

Jonkin arvioinnin jälkeen AVX -superkondensaattorit on valittu testattavaksi. Testatut on mitoitettu 6 voltille. Se on itse asiassa liian lähellä arvoa, jota aiomme käyttää. Se riittää kuitenkin testausta varten. Kolme eri kapasitanssiarvoa testattiin: 1F, 2,5F ja 5F (2x 2,5F rinnakkain). Kondensaattoreiden luokitus on seuraava

• Kapasitanssin tarkkuus - 0% +100%
• Nimellisjännite - 6V

• Valmistajan osan numero -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Elinikä - 2000 tuntia @ 65 ° C

Lähtöjännitteen sovittamiseksi kondensaattorijännitteeseen käytetään minimaalisesti eteenpäin suuntautuvia jännitteitä. Testissä VdiodeF2 = 0,22V diodit toteutetaan yhdessä suurivirtaisten kanssa, joissa VdiodeF1 = 0,5V.

Käytetään yksinkertaista LM2596 DC-DC-muunninpiiriä. Se on erittäin vankka IC ja mahdollistaa joustavuuden. Testausta varten suunniteltiin erilaisia kuormia: pääasiassa eri resistiivistä kuormitusta.

Kaksi rinnakkaista 3,09 kΩ: n vastusta superkondensaattorin kanssa tarvitaan jännitteen vakauteen. Testauspiirissä superkondensaattorit on kytketty kytkimillä ja jos mitään kondensaattoreista ei ole kytketty, jännite voi olla liian korkea. Kondensaattoreiden suojaamiseksi 5.1V Zener -diodi on sijoitettu niiden rinnalle.

Kuormalle 8,1 kΩ: n vastus ja LED tarjoavat kuormitusta. Huomattiin, että ilman kuormitusta jännite voi nousta korkeammaksi kuin haluttiin. Diodit voivat aiheuttaa odottamattomia käyttäytymismalleja.

Vaihe 3: Teoreettiset laskelmat

Oletukset:

• Vakiovirta - kuvake = 0,5A
• Vout @ sähkökatkos - Vout = 5,0 V.
• Kondensaattorin latausjännite ennen diodeja - Vin55 = Vout + Vdiodi F1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Käynnistysjännite (Vcap @ sähkökatkos) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ sähkökatkos - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V.
• Minimi Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V.
• Minimi aika, jonka kondensaattorin on katettava - T = 10 sekuntia

Kondensaattorin latausaika (teoreettinen): Lataus = 5*R*C.

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F -kondensaattorille se on R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohmia

Jos C = 1,0 F, lataus = 135 sek = 2,5 minuuttia

Jos C = 2,5 F, lataus = 337 sek = 5,7 minuuttia

Jos C = 5,0 F, lataus = 675 sek = 11 minuuttia

Oletusten perusteella voimme olettaa, että vakioarvo on noin: W = I * V = 2,5 W.

Kondensaattoriin voidaan tallentaa tietty määrä energiaa: W = 0,5 * C * V^2

Tästä kaavasta voidaan laskea kapasitanssi:

• Haluan piirtää x wattia t sekuntia, kuinka paljon kapasitanssia tarvitsen (linkki)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Haluan piirtää x ampeeria t sekuntia, kuinka paljon kapasitanssia tarvitsen? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Jos valitsemme kondensaattorin arvon 5F:

• Kuinka kauan kestää tämän kondensaattorin lataaminen/purkaminen tasavirralla (linkki)?
• Kuinka kauan kestää tämän kondensaattorin lataaminen/purkaminen vakioteholla (W)?

Jos käytät Rcharge -laitetta = 25 ohmia, latausvirta olisi

Ja latausaika suunnilleen: Lataus = 625 sek = 10,5 minuuttia

Vaihe 4: Käytännön mittaukset

Eri kokoonpanot ja kapasitanssiarvot testattiin. Testauksen yksinkertaistamiseksi rakennettiin Arduino -ohjattu testi. Kaaviot on esitetty edellisissä kuvissa.

Kolme eri jännitettä mitattiin ja tulokset sopivat suhteellisen hyvin teoriaan. Koska kuormitusvirrat ovat paljon pienempiä kuin diodin nimellisarvo, eteenpäin suuntautuva jännitehäviö on hieman pienempi. Kuitenkin, kuten voidaan nähdä, mitattu superkondensaattorin jännite vastaa tarkasti teoreettisia laskelmia.

Seuraavassa kuvassa on tyypillinen mittaus 2.5F kondensaattorilla. Latausaika sopii hyvin teoreettiseen arvoon 340 sekuntia. 100 lisäsekunnin jälkeen kondensaattorin jännite on noussut vain 0,03 V lisää, mikä tarkoittaa, että ero on vähäinen ja mittausvirhealueella.

Otehr -kuvasta voidaan nähdä, että sähkökatkon jälkeen lähtöjännite Vout on VdiodeF2 pienempi kuin kondensaattorin jännite Vcap. Ero on dV = 0,23 V = VdiodeF2 = 0,22 V.

Yhteenveto mitatuista ajoista on oheisessa taulukossa. Kuten voidaan nähdä, tulokset eivät vastaa tarkasti teoreettisia laskelmia. Mitatut ajat ovat enimmäkseen parempia kuin lasketut, mikä tarkoittaa, että joitakin tuloksena olevia loisia ei otettu huomioon laskelmissa. Kun tarkastellaan rakennettua piiriä, voidaan huomata, että on olemassa useita epäselviä liitäntäpisteitä. Lisäksi laskelmat eivät ota hyvin huomioon kuormituskäyttäytymistä - kun jännite laskee, virta laskee. Tulokset ovat kuitenkin lupaavia ja ovat odotetulla alueella.

Vaihe 5: Joitakin parannusmahdollisuuksia

Käyttöaikaa voitaisiin parantaa, jos superkondensaattorin jälkeen käytettävän diodin sijasta käytetään tehostusmuunninta. Olemme kuitenkin ajatelleet, että hinta on kuitenkin korkeampi kuin yksinkertaisella diodilla.

Superkondensaattorin lataaminen diodin (minun tapauksessani kaksi diodia) kautta tarkoittaa jännitehäviötä ja se voidaan poistaa, jos käytetään erityistä kondensaattorin latauspiiriä. Jälleen hinta on tärkein huolenaihe.

Vaihtoehtoisesti korkean sivun kytkimiä voidaan käyttää yhdessä PNP -kytkimen kanssa. Nopea ajatus mahdollisesta ratkaisusta voidaan nähdä seuraavassa. Kaikkia kytkimiä ohjataan zener -diodin kautta, joka saa virtaa 24 V: n tulosta. Jos tulojännite putoaa diodin zener -jännitteen alapuolelle, PNP -kytkin kytkeytyy PÄÄLLE ja muut yläpuolen kytkimet POIS PÄÄLTÄ. Tätä piiriä ei ole testattu ja se todennäköisesti vaatii joitakin (passiivisia) komponentteja.

Vaihe 6: Johtopäätös

Mittaukset sopivat hyvin laskelmiin. Osoittaa, että teoreettisia laskelmia voidaan käyttää-yllätys-yllätys. Meidän erityistapauksessamme tarvitaan hieman yli 2,5 F: n kondensaattori, jotta saadaan riittävä määrä energiaa tietylle ajanjaksolle.

Mikä tärkeintä, kondensaattorin latauspiiri toimii odotetusti. Piiri on yksinkertainen, halpa ja riittävä. On joitain mainittuja haittoja, mutta alhainen hinta ja yksinkertaisuus kompensoivat sen.

Toivottavasti tästä pienestä yhteenvedosta on jollekin hyötyä.