„Super Capacitor UPS“: 6 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Projekto metu buvau paprašytas suplanuoti atsarginę maitinimo sistemą, kuri galėtų išlaikyti mikrovaldiklį veikiančią maždaug 10 sekundžių po maitinimo praradimo. Idėja yra ta, kad per šias 10 sekundžių valdytojas turi pakankamai laiko

• Sustabdykite viską, ką daro
• Išsaugokite dabartinę būseną atmintyje
• Siųskite energijos tiekimo praradimo pranešimą (IoT)
• Persijungia į budėjimo režimą ir laukia energijos nuostolių

Įprastas veikimas prasideda tik iš naujo paleidus. Vis dar reikia šiek tiek planuoti, kokia galėtų būti procedūra, jei maitinimas sugrįš per šias 10 sekundžių. Tačiau mano užduotis buvo sutelkti dėmesį į maitinimo šaltinį.

Paprasčiausias sprendimas gali būti išorinio UPS naudojimas ar kažkas panašaus. Akivaizdu, kad taip nėra, ir mums reikėjo kažko daug pigesnio ir mažesnio. Likę sprendimai yra naudojant bateriją arba super kondensatorių. Būtent per vertinimo procesą pamačiau gražų „YouTube“vaizdo įrašą panašia tema: nuoroda.

Po kelių svarstymų super kondensatoriaus grandinė mums pasirodė geriausias sprendimas. Jis yra šiek tiek mažesnis už akumuliatorių (norime naudoti labai plačiai naudojamus komponentus, nors aš asmeniškai nesu tikras, ar dydžio priežastis iš tikrųjų yra tiesa), reikia mažiau komponentų (tai reiškia, kad tai pigiau), o svarbiausia- tai skamba daug geriau nei baterija (darbo su ne inžinieriais pasekmės).

Buvo sukurta bandomoji sąranka, skirta patikrinti teoriją ir kontroliuoti, ar superkondensatorių įkrovimo sistemos veikia taip, kaip turėtų.

Ši instrukcija parodo daugiau, kas buvo padaryta, o ne paaiškina, kaip tai padaryti.

1 žingsnis: sistemos aprašymas

Sistemos architektūrą galima pamatyti paveikslėlyje. Pirma, 230VAC paverčiama 24VDC, o 5VDC, o galiausiai mikrovaldiklio grandinė veikia esant 3,3V įtampai. Idealiu atveju elektros energijos tiekimo sutrikimą būtų galima nustatyti jau tinklo lygyje (230 VAC). Deja, mes to padaryti negalime. Todėl turime patikrinti, ar 24VDC maitinimas vis dar yra. Tokiu būdu negalima naudoti kintamosios/nuolatinės srovės maitinimo šaltinių kondensatorių. Mikrovaldiklis ir visa kita svarbi elektronika yra 3.3V įtampoje. Nuspręsta, kad mūsų atveju 5V bėgelis yra geriausia vieta pridėti super kondensatorių. Kai kondensatoriaus įtampa lėtai mažėja, mikrovaldiklis vis tiek gali veikti esant 3,3 V.

Reikalavimai:

• Pastovi srovė - piktograma = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimali įtampa (minimali leistina įtampa @ 5V bėgis) - Vend = 3.0V
• Minimalus laikas, kurį turi padengti kondensatorius - T = 10 sek

Yra keletas specialių super kondensatorių įkrovimo IC, kurie gali labai greitai įkrauti kondensatorių. Mūsų atveju įkrovimo laikas nėra kritinis. Taigi pakanka paprasčiausios diodo-rezistoriaus grandinės. Ši grandinė yra paprasta ir pigi, turinti tam tikrų trūkumų. Įkrovimo laiko problema jau buvo paminėta. Tačiau pagrindinis trūkumas yra tai, kad kondensatorius nėra įkrautas iki visos įtampos (diodo įtampos kritimas). Nepaisant to, žemesnė įtampa gali atnešti mums ir teigiamų pusių.

Super kondensatoriaus tikėtino tarnavimo laiko kreivėje iš AVX SCM serijos duomenų lapo (nuoroda) pav. Galima pamatyti numatomą tarnavimo laiką, palyginti su darbine temperatūra ir taikoma įtampa. Jei kondensatoriaus įtampa yra mažesnė, numatomas tarnavimo laikas padidėja. Tai gali būti naudinga, nes gali būti naudojamas žemesnės įtampos kondensatorius. Tai dar reikia išsiaiškinti.

Kaip bus parodyta matavimuose, kondensatoriaus darbinė įtampa bus apie 4,6V-4,7V-80% įtampos.

2 žingsnis: bandymo grandinė

Po tam tikro įvertinimo buvo pasirinkti AVX super kondensatoriai. Išbandyti yra skirti 6 V įtampai. Tai iš tikrųjų yra per arti vertės, kurią planuojame naudoti. Nepaisant to, bandymui to pakanka. Buvo išbandytos trys skirtingos talpos vertės: 1F, 2,5F ir 5F (2x 2,5F lygiagrečiai). Kondensatorių reitingas yra toks

• Talpos tikslumas - 0% +100%
• Nominali įtampa - 6 V.

• Gamintojo kodas Nr.

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Visą gyvenimą - 2000 val., Esant 65 ° C temperatūrai

Siekiant suderinti išėjimo įtampą su kondensatoriaus įtampa, naudojami minimalūs priekinės įtampos diodai. Bandymo metu VdiodeF2 = 0.22V diodai yra įdiegti kartu su didelės srovės diodais, kurių VdiodeF1 = 0.5V.

Naudojamas paprastas LM2596 DC-DC keitiklio IC. Tai labai tvirtas IC ir suteikia lankstumo. Bandymams buvo numatytos skirtingos apkrovos: daugiausia skirtingos varžinės apkrovos.

Įtampos stabilumui reikalingi du lygiagrečiai su 3,09 kΩ rezistoriai, lygiagrečiai su super kondensatoriumi. Bandymo grandinėje super kondensatoriai yra prijungti per jungiklius, o jei nė vienas kondensatorius nėra prijungtas, įtampa gali būti per didelė. Siekiant apsaugoti kondensatorius, lygiagrečiai jiems dedamas 5,1 V „Zener“diodas.

Dėl apkrovos 8.1kΩ rezistorius ir šviesos diodas suteikia tam tikrą apkrovą. Pastebėta, kad esant apkrovai, įtampa gali būti didesnė nei norėta. Diodai gali sukelti netikėtą elgesį.

3 žingsnis: teoriniai skaičiavimai

Prielaidos:

• Pastovi srovė - piktograma = 0,5A
• Vout @ maitinimo gedimas - Vout = 5.0V
• Kondensatoriaus įkrovimo įtampa prieš diodus - Vin55 = Vout + Vdiodas F1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Paleidimo įtampa (Vcap @ maitinimo sutrikimas) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ elektros energijos tiekimo sutrikimas - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V.
• Minimalus Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimalus laikas, kurį turi padengti kondensatorius - T = 10 sek

Laikas įkrauti kondensatorių (teorinis): įkrovimas = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F kondensatoriui tai R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 omai

Jei C = 1,0 F, įkrovimas = 135 sek = 2,5 minutės

Jei C = 2,5F, įkrovimas = 337 sek. = 5,7 min

Jei C = 5,0 F, įkrovimas = 675 sek = 11 min

Remiantis prielaidomis, galime daryti prielaidą, kad pastovi galia yra maždaug: W = I * V = 2,5 W.

Kondensatoriuje galima kaupti tam tikrą energijos kiekį: W = 0,5 * C * V^2

Pagal šią formulę galima apskaičiuoti talpą:

• Noriu nupiešti x vatus t sekundėms, kiek man reikia talpos (nuoroda)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Noriu nupiešti x amperų t sekundėms, kiek man reikia talpos? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Jei kondensatoriaus vertė bus 5F:

• Kiek laiko užtruks šio kondensatoriaus įkrovimas/iškrovimas pastovia srove (nuoroda)?
• Kiek laiko užtruks įkrauti/iškrauti šį kondensatorių esant pastoviai galiai (W)?

Jei naudojate „Rcharge“= 25 omus, įkrovimo srovė būtų

Apytikslis įkrovimo laikas: įkrovimas = 625 sek. = 10,5 minutės

4 žingsnis: praktiniai matavimai

Buvo išbandytos skirtingos konfigūracijos ir talpos vertės. Norėdami supaprastinti testavimą, buvo sukurta „Arduino“valdoma bandymų sąranka. Schemos parodytos ankstesniuose paveiksluose.

Buvo išmatuotos trys skirtingos įtampos, o rezultatai palyginti gerai atitinka teoriją. Kadangi apkrovos srovės yra daug mažesnės nei diodo nominali vertė, priekinės įtampos kritimas yra šiek tiek mažesnis. Nepaisant to, kaip matyti, išmatuota super kondensatoriaus įtampa tiksliai atitinka teorinius skaičiavimus.

Toliau pateiktame paveikslėlyje matomas tipiškas matavimas naudojant 2.5F kondensatorių. Įkrovimo laikas puikiai atitinka teorinę 340 sekundžių vertę. Po 100 papildomų sekundžių kondensatoriaus įtampa padidėjo tik papildomai 0,03 V, o tai reiškia, kad skirtumas yra nereikšmingas ir yra matavimo paklaidos diapazone.

Otehr paveikslėlyje matyti, kad po elektros energijos tiekimo nutraukimo išėjimo įtampa Vout yra VdiodeF2 mažesnė nei kondensatoriaus įtampa Vcap. Skirtumas yra dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Išmatuotų laikų suvestinę galima pamatyti pridedamoje lentelėje. Kaip matyti, rezultatai tiksliai neatitinka teorinių skaičiavimų. Išmatuotas laikas dažniausiai yra geresnis nei apskaičiuotas, o tai reiškia, kad skaičiuojant nebuvo atsižvelgiama į kai kuriuos atsiradusius parazitus. Žvelgiant į pastatytą grandinę galima pastebėti, kad yra keletas neaiškiai apibrėžtų prijungimo taškų. Be to, skaičiavimuose netinkamai atsižvelgiama į apkrovos elgesį - kai įtampa sumažėja, srovė sumažėja. Nepaisant to, rezultatai yra daug žadantys ir yra numatytoje riboje.

5 žingsnis: kai kurios tobulinimo galimybės

Veikimo laiką galima pagerinti, jei po super kondensatoriaus vietoj diodo naudojamas stiprinimo keitiklis. Mes manėme, kad vis dėlto kaina yra didesnė nei paprasto diodo.

Įkrauti super kondensatorių per diodą (mano atveju du diodus) reiškia įtampos kritimą, kuris gali būti pašalintas, jei naudojamas specialus kondensatoriaus įkrovimo IC. Vėlgi, pagrindinis rūpestis yra kaina.

Arba galima naudoti aukšto lygio jungiklius kartu su PNP jungikliu. Toliau galima pamatyti greitą galimą sprendimą. Visi jungikliai valdomi per „Zener“diodą, kuris maitinamas iš 24 V įvesties. Jei įėjimo įtampa nukrenta žemiau diodo „Zener“įtampos, PNP jungiklis įsijungia, o kiti aukšto lygio jungikliai išsijungia. Ši grandinė nėra išbandyta ir greičiausiai reikalauja papildomų (pasyvių) komponentų.

6 žingsnis: Išvada

Išmatavimai puikiai atitinka skaičiavimus. Parodymas, kad galima naudoti teorinius skaičiavimus-staigmena-staigmena. Mūsų ypatingu atveju reikia šiek tiek daugiau nei 2,5 F kondensatoriaus, kad būtų užtikrintas pakankamas energijos kiekis tam tikram laikotarpiui.

Svarbiausia, kad kondensatoriaus įkrovimo grandinė veikia taip, kaip tikėtasi. Grandinė paprasta, pigi ir pakankama. Yra keletas paminėtų trūkumų, tačiau maža kaina ir paprastumas tai kompensuoja.

Tikimės, kad ši maža santrauka kažkam gali būti naudinga.