Φορητός υπολογιστής Raspberry Pi με τροφοδοσία Super Capacitor: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Ανάλογα με το γενικό ενδιαφέρον για αυτό το έργο, μπορώ να προσθέσω περισσότερα βήματα, κλπ, εάν αυτό βοηθά στην απλοποίηση τυχόν σύγχυσης στοιχείων.

Πάντα με ενθουσίαζε η νεότερη τεχνολογία πυκνωτών που εμφανιζόταν με τα χρόνια και πίστευα ότι θα ήταν διασκεδαστικό να προσπαθήσω να τα εφαρμόσω ως μπαταρίες για διασκέδαση. Υπήρχαν πολλά ιδιόμορφα προβλήματα που συνάντησα δουλεύοντας πάνω σε αυτό καθώς δεν έχουν σχεδιαστεί με αυτή την εφαρμογή στο μυαλό, αλλά ήθελαν να μοιραστούν όσα ανακάλυψα και δοκίμασα.

Αυτό είναι περισσότερο για να αναδείξει τις δυσκολίες φόρτισης και τροφοδοσίας από μια τράπεζα υπερπυκνωτών σε μια εφαρμογή για κινητά (αν και με το πόσο βαρύ είναι, δεν είναι και τόσο κινητό…).

Χωρίς τα υπέροχα σεμινάρια παρακάτω, αυτό δεν θα είχε πραγματοποιηθεί:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Σε βάθος πληροφορίες για τους Supercapacitors
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Σεμινάριο για την κατασκευή κύκλωμα φόρτισης και εκφόρτισης
• Θα προσπαθήσω να ανακαλύψω περισσότερα που χρησιμοποίησα αν μπορώ να τα βρω/να τα θυμηθώ.

• Εάν έχετε κάποιο σεμινάριο που πιστεύετε ότι είναι σχετικό, ενημερώστε με για να το ρίξω εδώ.

Οι κύριοι λόγοι που ήθελα να το δοκιμάσω είναι οι εξής:

• Η πλήρης φόρτιση εντός SECONDS (η ένταση του υψηλού ρεύματος περιορίζει αυτό το σύστημα σε λεπτά… με ασφάλεια).
• Εκατοντάδες χιλιάδες κύκλοι φόρτισης χωρίς υποβάθμιση (πάνω από ένα εκατομμύριο υπό τις κατάλληλες συνθήκες).
• Μια πολύ εξειδικευμένη τεχνολογία που θα μπορούσε ενδεχομένως να βρει τον δρόμο της στην κύρια βιομηχανία μπαταριών.
• Περιβαλλοντικές συνθήκες λειτουργίας. Θερμοκρασίες +60C έως -60C για τους πυκνωτές που χρησιμοποιούνται εδώ.
• Η απόδοση φόρτισης είναι> 95% (οι μπαταρίες είναι κατά μέσο όρο <85%)
• Τα βρίσκω ενδιαφέροντα;

Τώρα για την πάντα απαραίτητη προειδοποίηση όταν εργάζεστε με ηλεκτρική ενέργεια … Παρόλο που υπάρχει πολύ μικρή πιθανότητα τραυματισμού όταν εργάζεστε με χαμηλές τάσεις ~ 5V, η απίστευτη ποσότητα ρεύματος που μπορούν να βγάλουν οι υπερπυκνωτές θα προκαλέσει εγκαύματα και άμεσα τηγανίσματα. Το πρώτο άρθρο ανέφερε παρέχει μια εξαιρετική εξήγηση και ασφαλή βήματα. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες, η πλήρης βραχυκύκλωση των ακροδεκτών δεν κινδυνεύει με έκρηξη (αν και μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής του υπερπυκνωτή ανάλογα με το καλώδιο). Πραγματικά προβλήματα μπορεί να προκύψουν κατά την υπερβολική τάση (φόρτιση πέραν της επισημασμένης μέγιστης τάσης), όπου οι υπερπυκνωτές θα σβήσουν, θα «σκάσουν» και θα πεθάνουν σε ένα καπνό χάος. Ακραίες περιπτώσεις μπορεί να είναι όπου η σφραγίδα σκάει αρκετά δυνατά.

Ως παράδειγμα της ποσότητας ισχύος που μπορεί να απελευθερωθεί, έριξα ένα χάλκινο καλώδιο 16 μετρητών στην πλήρως φορτισμένη τράπεζα στα 5V (φυσικά κατά λάθος) και τυφλώθηκε ελαφρώς από το σύρμα που έσκασε σε λευκό και πράσινο φλας καθώς καίγεται. Σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο αυτό το κομμάτι σύρμα 5 εκατοστών είχε φύγει. Εκατοντάδες ενισχυτές ταξιδεύουν σε αυτό το καλώδιο σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Εγκαταστάθηκα σε ένα φορητό υπολογιστή ως πλατφόρμα καθώς είχα ένα Raspberry Pi ξαπλωμένο, μια βαλίτσα αλουμινίου, ένα πληκτρολόγιο κιόσκι και έναν εκτυπωτή 3D για πρωτότυπο. Αρχικά η ιδέα ήταν να κατασκευαστεί αυτός ο φορητός υπολογιστής έτσι ώστε να μπορεί να λειτουργεί για 10-20 λεπτά με ελάχιστη προσπάθεια. Με το δωμάτιο που είχα επιπλέον στη βαλίτσα, ήταν πολύ δελεαστικό να προσπαθήσω να βγάλω περισσότερα από αυτό το έργο στριμώχνοντας περισσότερους υπερπυκνωτές.

Επί του παρόντος, η ποσότητα της χρησιμοποιούμενης ισχύος είναι κάτω από αυτή μιας ΜΟΝΟΜΟΡΙΑΣ μπαταρίας ιόντων λιθίου 3.7V 2Ah. Μόνο περίπου 7Wh ισχύος. Δεν είναι εκπληκτικό, αλλά με χρόνο φόρτισης μικρότερο από 15 λεπτά από το κενό, είναι ενδιαφέρον τουλάχιστον.

Δυστυχώς, μόνο το 75% περίπου της αποθηκευμένης ισχύος στους πυκνωτές μπορεί να αποσυρθεί με αυτό το σύστημα … Ένα πολύ πιο αποτελεσματικό σύστημα θα μπορούσε σίγουρα να εφαρμοστεί για να τραβήξει ισχύ σε χαμηλότερες τάσεις περίπου 1V ή λιγότερο. Απλώς δεν ήθελα να ξοδέψω άλλα χρήματα για αυτό, καθώς, κάτω από 2V στους πυκνωτές αφήνει μόνο περίπου 2Wh ισχύ από το σύνολο των 11Wh συνολικά.

Χρησιμοποιώντας μετατροπέα χαμηλής ισχύος 0,7-5V σε 5V (αποδοτικότητα ~ 75-85%) μπόρεσα να φορτίσω την μπαταρία του κινητού μου 11Wh από 3% έως 65% χρησιμοποιώντας την τράπεζα πυκνωτών (αν και τα τηλέφωνα είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικά στη φόρτιση, όπου 60-80 % της ισχύος εισόδου αποθηκεύεται στην πραγματικότητα).

Για τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έργο, υπάρχουν πιθανώς καλύτερα μέρη για χρήση από ό, τι είχα στο χέρι. Εδώ όμως είναι:

• 6x υπερπυκνωτές (2.5V, 2300 Farad - από σύστημα αναγέννησης πέδησης αυτοκινήτου. Βρίσκεται στο Ebay κ.λπ.)
• 1x Raspberry Pi 3
• Οθόνη 1x 5V (χρησιμοποιώ οθόνη AMOLED 5,5 ιντσών με πλακέτα ελεγκτή HDMI)
• 2x μικροελεγκτές ATTiny85 (θα συμπεριλάβω τον προγραμματισμό)
• 2x μετατροπείς 0,7V-5V σε σταθερούς 5V 500mA DC-DC
• Μετατροπείς 4x 1,9V-5V σε σταθερούς 5V 1A DC-DC
• 1x βαλίτσα
• Μοσφέτα 3x 6A με δυνατότητα PWM
• 2x 10Α δίοδοι Schottky
• 10x πλαίσιο αλουμινίου T-slot (με αρμούς κ.λπ. εξαρτάται από το τι θέλετε να χρησιμοποιήσετε για να συγκρατήσετε τα πράγματα στη θέση τους)
• πληκτρολόγιο περιπτέρου
• Ηλιακό πάνελ 20W 5V
• Καλώδια USB σε micro USB
• Καλώδιο HDMI
• Ποικιλία βασικών ηλεκτρικών εξαρτημάτων και πλακών πρωτοτύπων.
• πολλά τρισδιάστατα εκτυπωμένα μέρη (θα συμπεριλάβω τα αρχεία.stl)

Αυτά τα μέρη μπορούν εύκολα να εναλλάσσονται για πιο κατάλληλα/αποτελεσματικά μέρη, αλλά αυτό είναι που είχα στο χέρι. Επίσης, οι περιορισμοί των διαστάσεων θα αλλάξουν ανάλογα με τα συστατικά που επιλέγονται.

Εάν έχετε οποιαδήποτε σχόλια για το σχέδιο, μη διστάσετε να αφήσετε ένα σχόλιο!

Βήμα 1: Χαρακτηριστικά ισχύος

Για να δώσετε μια ιδέα για το τι να περιμένετε από άποψη ισχύος όταν χρησιμοποιείτε πυκνωτές για κάτι που σίγουρα δεν είχαν σχεδιαστεί:

Όταν η τάση της τράπεζας πυκνωτών πέσει πολύ χαμηλά (1,9V), το ATTinys έχει προγραμματιστεί να μην τροφοδοτεί κανένα στοιχείο του συστήματος. Αυτό γίνεται μόνο για να διασφαλιστεί ότι τα εξαρτήματα δεν αντλούν ισχύ όταν δεν μπορούν να λειτουργούν σταθερά σε χαμηλότερες τάσεις.

Αυτό το σύστημα λειτουργεί χρησιμοποιώντας μετατροπείς DC-DC σε επίπεδα τάσης 4,5V έως 1,9V από την τράπεζα πυκνωτών.

Η τάση φόρτισης εισόδου μπορεί να είναι από 5V έως 5,5V (όχι υψηλότερη από 5A στα 5,5V). Προσαρμογείς 5V 10A ή υψηλότερος θα καταστρέψουν το mosfet και θα το κάψουν στο μισό ρυθμό φόρτισης PWM.

Με τα χαρακτηριστικά φόρτισης των πυκνωτών, ο λογαριθμικός/εκθετικός ρυθμός φόρτισης θα ήταν ο καλύτερος, καθώς γίνεται όλο και πιο δύσκολο να αυξήσετε την ισχύ όσο πλησιάζετε στην πλήρη φόρτιση… αλλά δεν θα μπορούσα ποτέ να κάνω τη μαθηματική λειτουργία να λειτουργεί με μεταβλητές τύπου ATTiny για κάποιο λόγο. Κάτι για να δω αργότερα…

Σε πλήρη ισχύ επεξεργασίας, ο κατά προσέγγιση χρόνος λειτουργίας είναι 1 ώρα. Σε αδράνεια, 2 ώρες.

Η χρήση πομποδέκτη LowRa μειώνει τη ζωή κατά άλλο ~ 15%. Η χρήση εξωτερικού ποντικιού λέιζερ μειώνει τη ζωή κατά άλλο ~ 10%.

Χαμηλότερη τάση τράπεζας πυκνωτή = λιγότερη απόδοση μετατροπή σε 5V σε εξαρτήματα ισχύος. Περίπου 75% σε φόρτιση πυκνωτή 2V, όπου χάνεται μεγάλη ενέργεια ως θερμότητα στους μετατροπείς.

Ενώ είναι συνδεδεμένος, ο φορητός υπολογιστής μπορεί να λειτουργεί απεριόριστα χρησιμοποιώντας έναν προσαρμογέα 5,3V 8A. Χρησιμοποιώντας έναν προσαρμογέα 2Α, το σύστημα απαιτεί πλήρη φόρτιση πριν την ενεργοποίηση για απεριόριστη χρήση. Ο ρυθμός φόρτισης ATTiny PWM είναι μόνο 6,2% της εισόδου ισχύος όταν η τράπεζα πυκνωτών είναι 1,5V ή λιγότερο ανεβαίνοντας γραμμικά στο 100% του ρυθμού φόρτισης με πλήρη φόρτιση.

Αυτό το σύστημα απαιτεί περισσότερο χρόνο φόρτισης χρησιμοποιώντας προσαρμογέα χαμηλότερου ρεύματος. Χρόνος φόρτισης από 2V έως 4,5V χωρίς να τρέχει τίποτα από την τράπεζα πυκνωτών:

• Ο προσαρμογέας 5.2V 8A είναι 10-20 λεπτά (συνήθως περίπου 13 λεπτά).
• Ο προσαρμογέας 5.1V 2A είναι 1-2 ώρες. Επειδή οι δίοδοι μειώνουν την τάση κατά περίπου 0,6V, ορισμένοι προσαρμογείς σε ακριβώς 5V δεν θα φορτίσουν ποτέ πλήρως αυτό το σύστημα. Αυτό είναι εντάξει όμως, καθώς ο προσαρμογέας δεν θα επηρεαστεί αρνητικά.
• Ο ηλιακός πίνακας 20W σε πλήρη ηλιακή ακτινοβολία είναι 0,5-2 ώρες. (πολλές αποκλίσεις κατά τη διάρκεια των δοκιμών).

Υπάρχει το εγγενές πρόβλημα της χρήσης πυκνωτών όπου δεν διατηρούν τη φόρτιση τους για πολύ όσο πιο κοντά είστε στη μέγιστη τάση.

Κατά τη διάρκεια των πρώτων 24 ωρών, η τράπεζα πυκνωτών εκφορτίζεται αυτόματα από 4,5V σε 4,3V κατά μέσο όρο. Στη συνέχεια, τις επόμενες 72 ώρες θα πέσει αργά σε ένα αρκετά σταθερό 4,1V. Το ATTinys σε συνδυασμό με μια μικρή αυτόματη εκφόρτιση θα μειώσει την τάση στα 0,05-0,1V την ημέρα μετά τις πρώτες 96 ώρες (εκθετικά πιο αργή καθώς η τάση πέφτει πλησιέστερα στο μηδέν). Όταν στα 1,5V και χαμηλότερα η τάση του πυκνωτή πέφτει περίπου στα 0,001-0,01V ανά ημέρα ανάλογα με τη θερμοκρασία.

Λαμβάνοντας υπόψη όλα αυτά, ένα συντηρητικό κατά προσέγγιση θα ήταν μια εκφόρτιση στα 0,7V σε ~ 100 ημέρες. Άφησα αυτό το κάθισμα για 30 ημέρες και έμεινα με λίγο παραπάνω από 3,5V.

Αυτό το σύστημα μπορεί να λειτουργεί απεριόριστα σε άμεσο ηλιακό φως.

* * * ΠΡΟΣΟΧΗ: * * Η κρίσιμη τάση αυτού του συστήματος είναι 0,7V όπου οι μετατροπείς DC-DC που τροφοδοτούν το ATTinys θα αποτύχουν. Ευτυχώς, ο ρυθμός φόρτισης ελέγχου mosfet θα αυξηθεί high 2% όταν συνδέεται το ρεύμα σε αυτήν την τάση ή χαμηλότερα, επιτρέποντας αργή φόρτιση. Ακόμα δεν έχω καταλάβει ΓΙΑΤΙ συμβαίνει αυτό, αλλά είναι ένα τυχερό μπόνους.

Έπρεπε να φορτίσω και να αποφορτίσω πλήρως την τράπεζα πυκνωτών times 15 φορές προτού ισορροπήσουν χημικά και κρατήσουν μια αξιοπρεπή φόρτιση. Όταν τα έβαλα για πρώτη φορά, ήμουν εξαιρετικά απογοητευμένος με την ποσότητα της αποθηκευμένης φόρτισης, αλλά γίνεται πολύ καλύτερη στους πρώτους 15 κύκλους πλήρους φόρτισης.

Βήμα 2: Pi Power Controller

Για να ενεργοποιήσω και να απενεργοποιήσω το Pi έπρεπε να εφαρμόσω έναν ελεγκτή ισχύος με 4 μετατροπείς DC-DC και ένα mosfet.

Δυστυχώς, το Pi αντλεί περίπου 100mA ακόμη και όταν είναι απενεργοποιημένο, οπότε έπρεπε να προσθέσω το mosfet για να του κόψω εντελώς την ισχύ. Με τον ελεγκτή ισχύος σε λειτουργία, σπαταλούνται μόνο ~ 2mA με πλήρη φόρτιση (~ 0.5mA με χαμηλή φόρτιση).

Ουσιαστικά ο ελεγκτής κάνει τα εξής:

1. Ρυθμίζει το επίπεδο τάσης κάτω από 2,5V στους πυκνωτές για να αποφύγετε την υπέρταση κατά τη φόρτιση.
2. Τέσσερα DC-DC (1A max το καθένα, 4A συνολικά) τραβά απευθείας από τους πυκνωτές από 4,5V σε 1,9V για σταθερά 5,1V.
3. Με το πάτημα ενός κουμπιού, το mosfet επιτρέπει τη ροή ισχύος στο Pi. Ένας άλλος Τύπος κόβει την ισχύ.
4. Το ATTiny παρακολουθεί το επίπεδο τάσης της τράπεζας πυκνωτών. Εάν είναι πολύ χαμηλό, το mosfet δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί.

Το ασημένιο κουμπί, όταν πιέζεται δείχνει την ισχύ που απομένει στην τράπεζα πυκνωτών. 10 αναβοσβήνει στα 4,5V και 1 στα 2,2V. Ο ηλιακός πίνακας μπορεί να φορτιστεί πλήρως στα 5V και αναβοσβήνει 12 φορές σε αυτό το επίπεδο.

Η τάση του πυκνωτή ρυθμίζεται με τους πράσινους δίσκους ρυθμιστές 2.5V που εξαφανίζουν τυχόν υπερβολική ισχύ. Αυτό είναι σημαντικό επειδή ο ηλιακός συλλέκτης φορτίζει παθητικά τους πυκνωτές μέσω μιας δίοδος 10Α απευθείας έως 5,2V που θα τους υπερφορτίζει.

Οι μετατροπείς DC-DC είναι ικανοί να παρέχουν έως 1Α έκαστος και είναι μεταβλητή σταθερή έξοδος τάσης. Χρησιμοποιώντας το μπλε ποτενσιόμετρο στην κορυφή, η τάση μπορεί να ρυθμιστεί σε οποιοδήποτε επίπεδο θέλετε. Τα έθεσα στα 5,2V το καθένα, το οποίο πέφτει περίπου 0,1V στο Mosfet. Το ένα θα είναι το πιο μικρό κομμάτι υψηλότερης τάσης εξόδου από τα άλλα και θα ζεσταθεί μέτρια, αλλά τα άλλα θα χειριστούν τις αυξήσεις ισχύος από το Pi. Και οι 4 μετατροπείς μπορούν να χειριστούν αιχμές ισχύος έως 4Α με πλήρη φόρτιση πυκνωτή ή 2Α με χαμηλή φόρτιση.

Οι μετατροπείς αντλούν qu 2mA ρεύμα ηρεμίας με πλήρη φόρτιση.

Επισυνάπτεται το σκίτσο Arduino που χρησιμοποιώ για να το κάνω αυτό με το ATTiny (προστέθηκαν πολλές σημειώσεις). Το κουμπί είναι προσαρτημένο σε μια διακοπή για να τραβήξει το ATTiny από τον ύπνο και να τροφοδοτήσει το Pi. Εάν η ισχύς είναι πολύ χαμηλή, η λυχνία LED αναβοσβήνει 3 φορές και το ATTiny τίθεται ξανά σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας.

Εάν πατήσετε το κουμπί για δεύτερη φορά, η τροφοδοσία Pi απενεργοποιείται και το ATTiny τίθεται ξανά σε κατάσταση αναμονής μέχρι το επόμενο πάτημα του κουμπιού. Αυτό χρησιμοποιεί μερικές εκατοντάδες nano ενισχυτές σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας. Το ATTiny τελειώνει με μετατροπέα DC 500mA DC που μπορεί να παρέχει σταθερό 5V από ταλάντωση τάσης 5V-0.7V.

Το περίβλημα ισχύος σχεδιάστηκε στο TinkerCAD (όπως και όλες οι άλλες 3D εκτυπώσεις) και εκτυπώθηκε.

Για το κύκλωμα, δείτε το τραχύ σχεδιάγραμμα.

Βήμα 3: Σύστημα φόρτισης

Ο ελεγκτής φόρτισης αποτελείται από τρία μέρη:

1. Το κύκλωμα του ελεγκτή οδηγείται από ένα ATTiny
2. Τα mosfets και οι δίοδοι (και ανεμιστήρας για ψύξη)
3. Χρησιμοποιώ φορτιστή τοίχου 5.2V 8A για τροφοδοσία του φορητού υπολογιστή

Το κύκλωμα του ελεγκτή ξυπνά κάθε 8 δευτερόλεπτα για να ελέγξει εάν υπάρχει σύνδεση με τη γείωση στη θύρα φόρτισης. Εάν το καλώδιο φόρτισης είναι συνδεδεμένο, ο ανεμιστήρας ξεκινά και η διαδικασία φόρτισης ξεκινά.

Καθώς η τράπεζα πυκνωτών πλησιάζει όλο και περισσότερο στην πλήρη φόρτιση, το σήμα PWM που ελέγχει το mosfet αυξάνεται γραμμικά στο 100% ON στα 4,5V. Μόλις επιτευχθεί η τάση στόχου, το σήμα PWM απενεργοποιείται (4,5V). Στη συνέχεια, περιμένετε μέχρι να επιτευχθεί το καθορισμένο κατώτατο όριο για να ξεκινήσετε ξανά τη φόρτιση (4,3V).

Επειδή οι δίοδοι μειώνουν την τάση φόρτισης από 5,2V σε 6 4,6V, θεωρητικά θα μπορούσα να αφήσω τον φορτιστή να λειτουργεί 24/7 με την τάση να περιορίζεται γύρω στα 4,6-4,7V. Ο χρόνος φόρτισης μέχρι την εκφόρτιση όταν είναι σχεδόν ή πλησίον είναι περίπου <1 λεπτό φόρτισης και 5 λεπτά εκφόρτισης.

Όταν αποσυνδεθεί το καλώδιο φόρτισης, το ATTiny ξαναπαίγει για ύπνο.

Τα mosfets είναι από το Ebay. Μπορούν να οδηγηθούν από σήμα PWM 5V και μπορούν να χειριστούν έως 5Α το καθένα. Αυτό είναι στη θετική γραμμή χρησιμοποιώντας τρεις διόδους schottky 10Α για να αποτρέψετε την αντίστροφη ροή στον φορτιστή τοίχου. Ελέγξτε ξανά τον προσανατολισμό της διόδου ΠΡΙΝ συνδεθείτε με τον φορτιστή τοίχου. Εάν ο προσανατολισμός είναι λανθασμένος ώστε να επιτρέπεται η ροή ισχύος από τους πυκνωτές στον φορτιστή τοίχου, ο φορτιστής θα ζεσταθεί πολύ και πιθανότατα θα λιώσει όταν συνδεθεί στο φορητό υπολογιστή.

Ο ανεμιστήρας 5V κινείται από τον φορτιστή τοίχου και ψύχει τα άλλα εξαρτήματα καθώς ζεσταίνονται πολύ κάτω από τη μέση φόρτιση.

Η φόρτιση με φορτιστή 5,2V 8A διαρκεί μόνο λίγα λεπτά, ενώ ο φορτιστής 5V 2A διαρκεί πάνω από μία ώρα.

Το σήμα PWM προς το mosfet επιτρέπει μόνο το 6% της ισχύος σε 1,5V ή λιγότερο ανεβαίνοντας γραμμικά στο 100% με πλήρη φόρτιση 4,5V. Αυτό συμβαίνει επειδή οι πυκνωτές λειτουργούν ως βραχυκύκλωμα σε χαμηλότερες τάσεις, αλλά γίνονται εκθετικά πιο δύσκολο να φορτιστούν όσο πλησιάζετε στην εξίσωση.

Ο ηλιακός πίνακας 20W οδηγεί ένα μικρό κύκλωμα φορτιστή USB 5,6V 3,5Α. Αυτό τροφοδοτείται απευθείας μέσω μιας δίοδος 10Α στην τράπεζα πυκνωτών. Οι ρυθμιστές 2,5V προστατεύουν τους πυκνωτές από υπερφόρτιση. Το καλύτερο είναι να μην αφήνετε το σύστημα στον ήλιο για μεγάλα χρονικά διαστήματα, καθώς οι ρυθμιστές και το κύκλωμα του φορτιστή μπορεί να ζεσταθούν αρκετά.

Δείτε το συνημμένο Arduino Sketch, ένα άλλο κακό σχεδιασμένο διάγραμμα κυκλώματος και αρχεία. STL για τα τρισδιάστατα τυπωμένα μέρη.

Για να εξηγήσει πώς συνδέεται το κύκλωμα μεταξύ τους, ο ελεγκτής φόρτισης έχει μία γραμμή για να ελέγξει την τάση εισόδου από το φορτιστή και μία γραμμή προς τους ακροδέκτες pwm στις μονάδες mosfet.

Οι μονάδες mosfet είναι γειωμένες στην αρνητική πλευρά της τράπεζας πυκνωτών.

Αυτό το κύκλωμα δεν θα σβήσει χωρίς ο ανεμιστήρας να είναι συνδεδεμένος από την αρνητική πλευρά των πυκνωτών στην υψηλή πλευρά της εισόδου του φορτιστή. Επειδή η υψηλή πλευρά είναι πίσω από τις διόδους και τα mosfets, θα σπαταληθεί πολύ λίγη ενέργεια καθώς η αντίσταση είναι πάνω από 40k αντίσταση. Ο ανεμιστήρας τραβάει την υψηλή πλευρά χαμηλά ενώ ο φορτιστής δεν είναι συνδεδεμένος, αλλά δεν παίρνει αρκετό ρεύμα για να το χαμηλώσει ενώ ο φορτιστής είναι συνδεδεμένος.

Βήμα 4: Τράπεζα πυκνωτών + Χρησιμοποιούνται πρόσθετες εκτυπώσεις 3D

Οι πυκνωτές που χρησιμοποιούνται είναι 6x 2.5V @ 2300F υπερπυκνωτές. Τακτοποιήθηκαν σε 2 σετ σε σειρά 3 παράλληλα. Αυτό έρχεται σε μια τράπεζα 5V @ 3450F. Εάν όλη η ενέργεια θα μπορούσε να αντληθεί από τους πυκνωτές, μπορούν να παρέχουν ισχύ ~ 11Wh ή μια μπαταρία ιόντων λιθίου 3,7V 2,5Ah.

Σύνδεσμος προς το φύλλο δεδομένων:

Οι εξισώσεις που χρησιμοποίησα για τον υπολογισμό της χωρητικότητας και στη συνέχεια τις διαθέσιμες ώρες Watt:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5VΧρησιμοποιώντας 4,5V έως 1,9V του διαθέσιμου δυναμικού στους πυκνωτές 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Σύνολο Joules ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 δευτερόλεπτα = Watt ώρες 28704 /3600 = 7,97 Wh (θεωρητική μέγιστη διαθέσιμη ισχύς)

Αυτή η τράπεζα είναι πολύ μεγάλη. σε ύψος 5cm x 36cm μήκος x 16cm πλάτος. Είναι αρκετά βαρύ όταν περιλαμβάνεται το πλαίσιο αλουμινίου που χρησιμοποίησα… Περίπου 5 κιλά ή 11 κιλά, χωρίς τη βαλίτσα και όλα τα άλλα περιφερειακά.

Συνδέω τους ακροδέκτες του πυκνωτή χρησιμοποιώντας ακροδέκτες 50Α που συγκολλούνται μαζί με χάλκινο σύρμα 12 μετρητών. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται μια συμφόρηση που αντιστέκεται στους ακροδέκτες.

Χρησιμοποιώντας ένα πλαίσιο αλουμινίου T-bar, ο φορητός υπολογιστής είναι απίστευτα ανθεκτικός (αν και πολύ βαρύς). Όλα τα εξαρτήματα συγκρατούνται χρησιμοποιώντας αυτό το πλαίσιο. Καταλαμβάνει ελάχιστο χώρο στο φορητό υπολογιστή χωρίς να χρειάζεται να ανοίξετε τρύπες παντού στη θήκη.

Πολλά τρισδιάστατα τυπωμένα κομμάτια χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το έργο:

• Οι κάτοχοι τράπεζας πυκνωτών γεμάτοι
• Στήριγμα κατόχου τράπεζας πυκνωτή
• Κάτοχοι πυκνωτών κάτω
• Διαχωριστικό μεταξύ θετικών και αρνητικών ακροδεκτών πυκνωτή
• Πιάτο κάτοχος Raspberry Pi
• Κορυφαία καλύμματα για πληκτρολόγιο και πυκνωτές (μόνο για αισθητική)
• Κάτοχος και κάλυμμα οθόνης AMOLED
• Κάτοχος πλακέτας ελεγκτή AMOLED
• Οδηγοί καλωδίων HDMI και USB για την εμφάνιση του ελεγκτή από το Pi
• Κουμπί και επάνω πλάκα LED για έλεγχο ισχύος
• Άλλα θα προστεθούν καθώς τα τυπώνω

Βήμα 5: Συμπέρασμα

Έτσι, καθώς αυτό ήταν απλώς ένα έργο χόμπι, πιστεύω ότι αποδείχθηκε ότι οι υπερπυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία ενός φορητού υπολογιστή, αλλά πιθανότατα όχι για περιορισμούς μεγέθους. Η πυκνότητα ισχύος για τους πυκνωτές που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έργο είναι περισσότερο από 20 φορές λιγότερο πυκνή από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Επίσης, το βάρος είναι παράλογο.

Τούτου λεχθέντος, αυτό θα μπορούσε να έχει διαφορετικές χρήσεις από έναν συμβατικό φορητό υπολογιστή. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώ αυτόν τον φορητό υπολογιστή κυρίως από ηλιακή φόρτιση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο δάσος χωρίς να ανησυχείτε πολύ για τη φόρτιση και την αποφόρτιση της «μπαταρίας» επανειλημμένα, πολλές φορές την ημέρα. Έχω τροποποιήσει ελαφρώς το σύστημα από την αρχική κατασκευή για να ενσωματώσω μια πρίζα 5v 4A στη μία πλευρά της θήκης για να τροφοδοτήσετε τον φωτισμό και να φορτίσετε τηλέφωνα όταν ελέγχετε τους αισθητήρες στο δάσος. Το βάρος εξακολουθεί να είναι δολοφόνος ώμων…

Επειδή ο κύκλος φόρτισης είναι τόσο γρήγορος, μην ανησυχείτε ποτέ για την εξάντληση του ρεύματος. Μπορώ να το συνδέσω για 20 λεπτά (ή λιγότερο ανάλογα με το τρέχον επίπεδο) οπουδήποτε και είναι καλό να πάω για πάνω από μία ώρα εντατικής χρήσης.

Ένα μειονέκτημα αυτού του σχεδιασμού είναι ότι φαίνεται πολύ ύποπτο σε έναν περαστικό… Δεν θα το έπαιρνα με δημόσια συγκοινωνία. Τουλάχιστον μην το χρησιμοποιείτε κοντά σε πλήθος. Μου είπαν μερικοί φίλοι ότι έπρεπε να το κάνω να φαίνεται λίγο λιγότερο «απειλητικό».

Συνολικά, διασκέδασα χτίζοντας αυτό το έργο και έμαθα αρκετά για το πώς να εφαρμόσω την τεχνολογία υπερπυκνωτών σε άλλα έργα στο μέλλον. Επίσης, η τοποθέτηση όλων στη βαλίτσα ήταν ένα τρισδιάστατο παζλ που δεν ήταν υπερβολικά απογοητευτικό, ακόμη και μια αρκετά ενδιαφέρουσα πρόκληση.

Αν έχετε απορίες, ενημερώστε με!