„Super Capacitor Powered Raspberry Pi“nešiojamas kompiuteris: 5 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Priklausomai nuo bendro susidomėjimo šiuo projektu, galiu pridėti daugiau veiksmų ir tt, jei tai padės supaprastinti painius komponentus.

Bėgant metams aš visada domėjausi naujesnėmis kondensatorių technologijomis ir maniau, kad būtų smagu jas išbandyti kaip bateriją. Dirbdama su tuo susidūriau su daugybe keistų problemų, nes jos nėra sukurtos atsižvelgiant į šią programą, bet norėjau pasidalinti tuo, ką sužinojau ir išbandžiau.

Tai labiau pabrėžia sunkumus, susijusius su įkrovimu ir energijos tiekimu iš super kondensatorių banko mobiliojoje programoje (nors ir tai, kokia ji sunki, ji nėra tokia mobili …).

Jei nebūtų puikių vadovėlių, tai nebūtų įvykę:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Išsami informacija apie superkondensatorius
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super …-Įkrovimo ir iškrovimo grandinės kūrimo pamoka
• Pabandysiu iškasti daugiau, ką panaudojau, jei pavyks juos rasti/prisiminti.
• Jei turite pamokų, kurios, jūsų manymu, yra aktualios, praneškite man, kad galėčiau jas pateikti čia.

Pagrindinės priežastys, dėl kurių norėjau tai išbandyti, yra šios:

• Visiškai įkraunama per SECONDS (didelis srovės stiprumas riboja šią sistemą iki minučių… saugiai).
• Šimtai tūkstančių įkrovimo ciklų be degradacijos (daugiau nei milijonas tinkamomis sąlygomis).
• Labai nišinė technologija, kuri galbūt galėtų patekti į pagrindinę baterijų pramonę.
• Aplinkos eksploatavimo sąlygos. Čia naudojamų kondensatorių temperatūra nuo +60C iki -60C.
• Įkrovimo efektyvumas yra> 95% (vidutiniškai baterijos yra <85%)
• Man jie įdomūs?

Dabar apie visada būtiną įspėjimą dirbant su elektra … Nors dirbant su žema ~ 5 V įtampa yra labai maža tikimybė susižeisti, neįtikėtinas srovės stipris, kurį gali išvesti super kondensatoriai, nudegins ir iškart keps komponentus. pateikia puikų paaiškinimą ir saugius veiksmus. Skirtingai nuo baterijų, visiškai sutrumpinus gnybtus nėra sprogimo pavojaus (nors tai gali sutrumpinti super kondensatoriaus tarnavimo laiką, priklausomai nuo laido matuoklio). Tikros problemos gali kilti, kai viršįtampiai (įkraunami virš pažymėtos maksimalios įtampos), kai super kondensatoriai suges, „iššoks“ir mirs dūminėje netvarkoje. Ekstremaliais atvejais antspaudas gali pasirodyti gana garsiai.

Kaip pavyzdį, kiek galios gali būti išleista, aš numečiau 16 gabaritų varinę vielą per pilnai įkrautą banką esant 5 V įtampai (žinoma, atsitiktinai) ir buvau šiek tiek apakęs nuo laido, sprogstančio baltos ir žalios spalvos blykste. Maždaug per sekundę tas 5 cm vielos gabalas Dingo. Šimtai stiprintuvų keliauja per tą laidą per mažiau nei sekundę.

Apsistojau nešiojamajame kompiuteryje kaip platforma, nes aplinkui gulėjo „Raspberry Pi“, aliuminio lagaminas, kiosko klaviatūra ir 3D spausdintuvas. Iš pradžių idėja buvo sukurti šį nešiojamąjį kompiuterį, kad jis galėtų veikti 10–20 minučių su minimaliomis pastangomis. Su kambariu, kurį turėjau papildomai lagamine, buvo per daug viliojanti pabandyti daugiau išstumti iš šio projekto, prigrūstant daugiau super kondensatorių.

Šiuo metu sunaudojama mažiau energijos nei vienoje 3,7 V 2 Ah ličio jonų baterijoje. Tik apie 7Wh galios. Nenuostabu, bet kai įkrovimo laikas yra trumpesnis nei 15 minučių, jis bent jau įdomus.

Deja, naudojant šią sistemą galima ištraukti tik apie 75% kondensatorių sukauptos galios … Be abejo, būtų galima įdiegti daug efektyvesnę sistemą, kuri sumažintų galią esant žemesnei nei 1 V įtampai. Aš tiesiog nenorėjau tam išleisti daugiau pinigų, taip pat, esant 2 V kondensatoriams, lieka tik apie 2Wh energijos iš viso 11Wh.

Naudodamas mažos galios 0,7–5 V – 5 V keitiklį (~ 75–85% efektyvumas), aš sugebėjau įkrauti savo 11 Wh mobiliojo telefono bateriją nuo 3% iki 65%, naudodamas kondensatorių banką (nors telefonai yra labai neefektyviai įkraunami, kai 60–80 % įvesties galios yra saugoma).

Šiame projekte naudojamoms dalims tikriausiai yra geresnių dalių, nei turėjau po ranka. Bet štai jie:

• 6x super kondensatoriai (2.5V, 2300 Farad - iš automobilio regeneracinių stabdžių sistemos. Galima rasti „Ebay“ir kt.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V maitinimo ekranas (naudoju 5,5 colių AMOLED ekraną su HDMI valdiklio plokšte)
• 2x „ATTiny85“mikrovaldikliai (įtraukiu programavimą)
• 2x 0,7V-5V iki pastovaus 5V 500mA DC-DC keitiklių
• Nuo 4x 1,9V-5V iki pastovaus 5V 1A DC-DC keitiklių
• 1x lagaminas
• 3x 6A PWM palaikantys mosfetai
• 2x 10A Schottky diodai
• 10x aliuminio T formos lizdo rėmas (su jungtimis ir pan. Priklauso nuo to, ką norite naudoti daiktams laikyti)
• kiosko klaviatūra
• 20W 5V saulės kolektorius
• USB prie mikro USB kabeliai
• HDMI kabelis
• Pagrindinių elektros komponentų ir prototipų plokščių asortimentas.
• daug 3D spausdintų dalių (įtraukiu.stl failus)

Šias dalis galima lengvai pakeisti tinkamesnėmis/efektyvesnėmis dalimis, tačiau tai turėjau po ranka. Be to, keičiasi matmenų apribojimai, atsižvelgiant į pasirinktus komponentus.

Jei turite atsiliepimų apie dizainą, nedvejodami palikite komentarą!

1 žingsnis: galios charakteristikos

Kad būtų galima suprasti, ko tikėtis naudojant energiją naudojant kondensatorius tam, kam jie tikrai nebuvo skirti:

Kai kondensatoriaus įtampa nukrenta per žemai (1,9 V), ATTinys buvo užprogramuotas taip, kad neįjungtų jokių sistemos komponentų. Taip siekiama tik užtikrinti, kad komponentai nesinaudotų energija, kai jie negali nuolat veikti esant žemesnei įtampai.

Ši sistema veikia naudojant DC-DC keitiklius, kurių įtampa yra nuo 4,5 V iki 1,9 V iš kondensatoriaus banko.

Įėjimo įkrovimo įtampa gali būti nuo 5V iki 5,5V (ne didesnė kaip 5A esant 5,5V). 5V 10A ar aukštesnės įtampos adapteriai sugadins „Mosfet“ir sudegins jį per pusę PWM įkrovimo greičio.

Turint omenyje kondensatorių įkrovimo charakteristikas, geriausias būtų logaritminis/eksponentinis įkrovimo greitis, nes vis sunkiau stumti galią arčiau visiško įkrovimo … bet aš niekada negalėčiau pasiekti, kad matematinė funkcija veiktų su kintamaisiais kintamaisiais ATTiny dėl tam tikrų priežasčių. Yra ką pažiūrėti vėliau …

Esant visai apdorojimo galiai, apytikslis veikimo laikas yra 1 valanda. Neveikiant, 2 val.

Naudojant „LowRa“siųstuvą -imtuvą, gyvenimas sutrumpėja dar ~ 15%. Naudojant išorinę lazerinę pelę, gyvenimas sumažėja dar ~ 10%.

Mažesnė kondensatoriaus įtampa = mažesnis efektyvumas, paverčiant 5V į maitinimo komponentus. Maždaug 75% esant 2 V kondensatoriaus įkrovimui, kur daug energijos prarandama kaip šiluma keitikliuose.

Prijungtas, nešiojamasis kompiuteris gali veikti neribotą laiką, naudojant 5,3 V 8A adapterį. Naudojant 2A adapterį, sistema turi būti visiškai įkrauta prieš įjungiant neribotam naudojimui. „ATTiny PWM“įkrovimo greitis yra tik 6,2% įeinančios energijos, kai kondensatoriaus bankas yra 1,5 V ar mažesnis, linijiškai pakyla iki 100% įkrovimo greičio.

Ši sistema įkraunama ilgiau, naudojant mažesnės srovės adapterį. Įkrovimo laikas nuo 2 V iki 4,5 V, kondensatoriaus bankui nieko neišeinant:

• 5.2V 8A adapteris yra 10-20 minučių (paprastai apie 13 minučių).
• 5.1V 2A adapteris yra 1-2 valandos. Kadangi diodai sumažina įtampą maždaug 0,6 V, kai kurie adapteriai, esant tiksliai 5 V įtampai, niekada visiškai neįkraus šios sistemos. Tačiau tai gerai, nes adapteris neturės neigiamos įtakos.
• 20W saulės kolektorius esant pilnai saulės šviesai yra 0,5-2 valandos. (daug dispersijų bandymų metu).

Yra būdinga kondensatorių naudojimo problema, kai jie nelaiko savo įkrovos labai ilgai, kuo arčiau esate maksimali įtampa.

Per pirmąsias 24 valandas kondensatorių bankas vidutiniškai išsikrauna nuo 4,5 V iki 4,3 V. Tada per ateinančias 72 valandas lėtai sumažės iki gana pastovaus 4,1 V. „ATTinys“kartu su nedideliu savaiminiu išsikrovimu po pirmųjų 96 valandų įtampa sumažės 0,05–0,1 V per dieną (eksponentiškai lėčiau, nes įtampa nukrenta arčiau nulio). Esant 1,5 V ir žemesnei kondensatoriaus kranto įtampai, priklausomai nuo temperatūros, sumažėja maždaug 0,001–0,01 V per dieną.

Atsižvelgiant į visa tai, konservatyvus apytikslis būtų iškrovimas iki 0,7 V per ~ 100 dienų. Aš palikau šį sėdėjimą 30 dienų ir vis tiek likau šiek tiek daugiau nei 3,5 V.

Ši sistema gali veikti neribotą laiką tiesioginiuose saulės spinduliuose.

* * * PASTABA: * * Kritinė šios sistemos įtampa yra 0,7 V, kur sugenda nuolatinės srovės keitikliai, maitinantys ATTinys. Laimei, „Mosfet“, valdantis įkrovimo greitį, padidės ~ 2%, kai maitinimas bus prijungtas prie šios ar žemesnės įtampos, o tai leis lėtai įkrauti. Aš vis dar nesupratau, kodėl taip atsitinka, bet tai yra laiminga premija.

Turėjau pilnai įkrauti ir iškrauti kondensatorių banką ~ 15 kartų, kol jie chemiškai subalansavo ir išlaikė tinkamą įkrovą. Kai pirmą kartą juos prijungiau, buvau labai nusivylęs saugomo įkrovimo kiekiu, tačiau per pirmuosius 15 pilno įkrovimo ciklų jis tampa daug geresnis.

2 žingsnis: „Pi“maitinimo valdiklis

Norėdami įjungti ir išjungti „Pi“, turėjau įdiegti maitinimo valdiklį su 4 DC-DC keitikliais ir „mosfet“.

Deja, „Pi“traukia apie 100 mA net tada, kai yra išjungtas, todėl turėjau pridėti „mosfet“, kad visiškai nutraukčiau maitinimą. Kai įjungtas maitinimo valdiklis, visiškai įkraunama tik ~ 2 mA (~ 0,5 mA esant žemam įkrovimui).

Iš esmės valdiklis atlieka šiuos veiksmus:

1. Reguliuoja įtampos lygį žemiau 2,5 V kondensatoriuose, kad būtų išvengta perkaitimo įkrovimo metu.
2. Keturi nuolatinės srovės nuolatinės srovės šaltiniai (ne daugiau kaip 1A, iš viso 4A) ištraukiami tiesiai iš kondensatorių nuo 4,5V iki 1,9V, esant pastoviai 5,1V.
3. Paspaudus mygtuką, „mosfet“leidžia energijai tekėti į „Pi“. Kitas presas nutraukia maitinimą.
4. „ATTiny“stebi kondensatoriaus bloko įtampos lygį. Jei per žemas, „mosfet“negalima įjungti.

Sidabrinis mygtukas, kai jis nuspaustas, rodo kondensatoriaus likučio likusią galią. 10 mirksi esant 4,5 V įtampai ir 1 - 2,2 V. Saulės skydelis gali įkrauti iki 5 V įtampos ir tuo metu mirksi 12 kartų.

Kondensatoriaus įtampa reguliuojama žaliais 2,5 V disko reguliatoriais, kurie pašalina perteklinę galią. Tai svarbu, nes saulės kolektorius pasyviai įkrauna kondensatorius per 10A diodą tiesiai iki 5,2 V, o tai juos perkrautų.

DC-DC keitikliai gali tiekti iki 1A ir yra kintamos pastovios įtampos išėjimo. Naudojant mėlyną potenciometrą viršuje, įtampą galima nustatyti į bet kurį jums reikalingą lygį. Aš juos nustatiau į 5,2 V, o tai sumažina apie 0,1 V per „Mosfet“. Vienas bus mažiausias šiek tiek didesnis įtampos išvestis nei kiti ir bus vidutiniškai karštas, tačiau kiti valdys „Pi“energijos šuolius. Visi 4 keitikliai gali atlaikyti galios šuolius iki 4A esant pilnam kondensatoriaus įkrovimui arba 2A esant mažam įkrovimui.

Visiškai įkrauti keitikliai traukia ~ 2mA ramybės srovę.

Pridedamas „Arduino“eskizas, kurį naudoju, kad tai padaryčiau su „ATTiny“(pridėta daug pastabų). Mygtukas yra prijungtas prie pertraukos, kad ištrauktų ATTiny iš miego ir maitintų Pi. Jei galia per maža, maitinimo indikatorius sumirksi 3 kartus ir ATTiny vėl užmiega.

Jei mygtukas paspaudžiamas antrą kartą, „Pi“maitinimas išjungiamas ir „ATTiny“vėl užmiega iki kito mygtuko paspaudimo. Miego režimu naudojami keli šimtai nano stiprintuvų. „ATTiny“veikia 500 mA nuolatinės srovės nuolatinės srovės keitiklis, galintis užtikrinti pastovią 5 V įtampą nuo 5 V iki 0,7 V įtampos.

Maitinimo korpusas buvo sukurtas „TinkerCAD“(kaip ir visi kiti 3D atspaudai) ir atspausdintas.

Grandinę žr. Grubiai nupiešta schema.

3 žingsnis: įkrovimo sistema

Įkrovimo valdiklis susideda iš trijų dalių:

1. Valdiklio grandinė, varoma ATTiny
2. „Mosfets“ir diodai (ir aušinimo ventiliatorius)
3. Nešiojamam kompiuteriui maitinti naudoju 5,2 V 8A sieninį įkroviklį

Valdiklio grandinė atsibunda kas 8 sekundes, kad patikrintų, ar nėra prijungimo prie įkrovimo prievado įžeminimo. Jei prijungtas įkrovimo kabelis, įsijungia ventiliatorius ir prasideda įkrovimo procesas.

Kai kondensatorių bankas priartėja prie visiško įkrovimo, „PWM“signalas, valdantis „mosfet“, linijiškai padidinamas iki 100% ON esant 4,5 V įtampai. Pasiekus tikslinę įtampą, PWM signalas išjungiamas (4,5 V). Tada palaukite, kol bus pasiekta nustatyta apatinė riba, kad vėl pradėtumėte krauti (4,3 V).

Kadangi diodai sumažina įkrovimo įtampą nuo 5,2 V iki ~ 4,6 V, teoriškai aš galėčiau palikti įkroviklį veikti 24 valandas per parą, o įtampa ribojama maždaug 4,6–4,7 V. Įkrovimo iki išsikrovimo laikas, kai jis yra beveik visiškai įkrautas, yra maždaug <1 minutė įkrovimo ir 5 minutės iškrovimo.

Atjungus įkrovimo kabelį, ATTiny vėl užmiega.

„Mosfets“yra iš „Ebay“. Jie gali būti varomi 5V PWM signalu ir gali valdyti iki 5A. Tai teigiama linija, naudojant tris 10A Schottky diodus, kad būtų išvengta atgalinio srauto į sieninį įkroviklį. Prieš prijungdami prie sieninio įkroviklio, dar kartą patikrinkite diodo orientaciją. Jei neteisingai orientuota, kad energija tekėtų iš kondensatorių į sieninį įkroviklį, įkroviklis labai įkaista ir tikriausiai ištirps, kai bus prijungtas prie nešiojamojo kompiuterio.

5 V ventiliatorius varomas sieniniu įkrovikliu ir atvėsina kitus komponentus, nes jie labai įkaista iki pusės įkrovimo.

Įkrovimas naudojant 5,2 V 8A įkroviklį trunka tik kelias minutes, o kaip 5V 2A įkroviklis trunka daugiau nei valandą.

PWM signalas į „mosfet“leidžia tik 6% galios, esant 1,5 V ar mažesnei, pakilti tiesiškai iki 100%, kai visiškai įkraunama 4,5 V. Taip yra todėl, kad esant žemesnei įtampai kondensatoriai veikia kaip trumpalaikė jungtis, tačiau kuo labiau įkrauti, tuo arčiau išlyginimo tampa vis sunkiau.

20 W saulės kolektorius valdo nedidelę 5,6 V 3,5 A USB įkroviklio grandinę. Tai tiesiogiai tiekiamas per 10A diodą į kondensatorių banką. 2,5 V reguliatoriai neleidžia kondensatoriams perkrauti. Geriausia nepalikti sistemos saulėje ilgesnį laiką, nes reguliatoriai ir įkroviklio grandinė gali įkaisti.

Žiūrėkite pridėtą „Arduino“eskizą, kitą blogai nupieštą grandinės schemą ir. STL failus 3D spausdintoms dalims.

Norėdami paaiškinti, kaip grandinė sujungta, įkrovimo valdiklis turi vieną liniją, skirtą patikrinti įkroviklio įėjimo įtampą, ir vieną liniją prie „mosfet“modulių pwm kaiščių.

„Mosfet“moduliai yra įžeminti į neigiamą kondensatoriaus banko pusę.

Ši grandinė neišsijungs, jei ventiliatorius nebus prijungtas iš neigiamos kondensatorių pusės į aukštą įkroviklio įvesties pusę. Kadangi aukštoji pusė yra už diodų ir „mosfets“, labai mažai energijos bus švaistoma, nes pasipriešinimas yra didesnis nei 40 tūkst. Kai įkroviklis nėra prijungtas, ventiliatorius žemai traukia aukštą pusę, tačiau nepaima pakankamai srovės, kad sumažėtų, kol įkroviklis yra prijungtas.

4 žingsnis: naudojamas kondensatorių bankas ir papildomi 3D spaudiniai

Naudojami 6x 2.5V @ 2300F superkondensatoriai. Jie buvo išdėstyti 2 rinkiniuose iš eilės po 3 lygiagrečiai. Tai ateina į banką 5V @ 3450F. Jei iš kondensatorių būtų galima ištraukti visą energiją, jie gali tiekti ~ 11 Wh arba 3,7 V 2,5 Ah ličio jonų akumuliatoriaus galią.

Nuoroda į duomenų lapą:

Lygtis, kuriomis skaičiavau talpą ir vėliau turimas vatų valandas:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Naudojant nuo 4,5V iki 1,9V turimo potencialo esant 3450F kondensatoriams (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Iš viso džauliai ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704 JJ / 3600 sekundžių = vatų valandos

Šis bankas yra labai didelis. 5 cm aukščio x 36 cm ilgio x 16 cm pločio. Įtraukus aliuminio rėmą, kurį naudojau, jis yra gana sunkus … Apie 5 kg arba 11 svarų, neįskaitant lagamino ir visų kitų išorinių įrenginių.

Aš prijungiau kondensatoriaus gnybtus naudodami 50A gnybtų jungtis, lituotas kartu su 12 gabaritų varine viela. Taip išvengiama atsparių kliūčių terminaluose.

Naudojant aliuminio T formos juostos rėmą, nešiojamasis kompiuteris yra neįtikėtinai tvirtas (nors ir LABAI sunkus). Naudojant šį rėmą, visi komponentai laikomi vietoje. Užima minimalią vietą nešiojamajame kompiuteryje ir nereikia gręžti skylių visur.

Šiame projekte buvo panaudota daug 3D spausdintų kūrinių:

• Kondensatorių banko laikikliai pilni
• Kondensatoriaus laikiklio laikikliai
• Kondensatorių laikikliai apačioje
• Skirstytuvas tarp teigiamo ir neigiamo kondensatoriaus gnybtų
• Raspberry Pi laikiklio plokštė
• Viršutiniai dangteliai aplink klaviatūrą ir kondensatorius (tik estetikai)
• AMOLED ekrano laikiklis ir dangtelis
• AMOLED valdiklio plokštės laikiklis
• HDMI ir USB laidų kreiptuvai, skirti rodyti valdiklį iš „Pi“
• Mygtukas ir šviesos diodų plokštelės prieiga prie maitinimo valdymo
• kiti pridės man spausdinant

5 žingsnis: Išvada

Kadangi tai buvo tik pomėgių projektas, manau, kad tai įrodė, kad superkondensatoriai gali būti naudojami nešiojamam kompiuteriui maitinti, bet greičiausiai neturėtų būti taikomi dėl dydžio apribojimų. Šiame projekte naudojamų kondensatorių galios tankis yra daugiau nei 20 kartų mažesnis nei ličio jonų baterijų. Be to, svoris yra absurdiškas.

Tai sakant, tai gali būti naudojama kitaip nei įprastas nešiojamas kompiuteris. Pavyzdžiui, aš naudoju šį nešiojamąjį kompiuterį daugiausia iš saulės įkrovimo. Jis gali būti naudojamas miške, nesijaudinant per daug kartų per dieną įkraunant ir iškraunant „akumuliatorių“. Aš šiek tiek pakeičiau sistemą nuo pat pradžių, kad vienoje korpuso pusėje būtų 5v 4A lizdas, skirtas apšvietimui ir telefonų įkrovimui tikrinant jutiklius miške. Svoris vis dar žudo pečius …

Kadangi įkrovimo ciklas yra toks greitas, niekada nesijaudinkite dėl energijos trūkumo. Galiu jį prijungti 20 minučių (arba mažiau, priklausomai nuo dabartinio lygio) bet kur ir būti gerai, kad galėčiau ilgiau nei valandą intensyviai naudoti.

Vienas šio dizaino trūkumas yra tai, kad praeiviui jis atrodo labai įtartinas … Aš to nesiimčiau viešuoju transportu. Bent jau nenaudokite jo šalia minios. Keletas draugų man pasakė, kad turėjau atrodyti šiek tiek mažiau „grėsmingai“.

Bet apskritai man buvo smagu kurti šį projektą ir gana daug išmokau, kaip ateityje pritaikyti superkondensatorių technologiją kitiems projektams. Be to, viską sutalpinti į lagaminą buvo 3D galvosūkis, kuris nebuvo pernelyg varginantis, netgi gana įdomus iššūkis.

Jei turite klausimų, praneškite man!