Super Capacitor UPS: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Για ένα έργο, μου ζητήθηκε να σχεδιάσω ένα εφεδρικό σύστημα τροφοδοσίας που θα μπορούσε να διατηρήσει τον μικροελεγκτή σε λειτουργία περίπου 10 δευτερόλεπτα μετά την απώλεια ισχύος. Η ιδέα είναι ότι κατά τη διάρκεια αυτών των 10 δευτερολέπτων ο ελεγκτής έχει αρκετό χρόνο για να

• Σταμάτα ό, τι κάνει
• Αποθηκεύστε την τρέχουσα κατάσταση στη μνήμη
• Στείλτε το μήνυμα απώλειας ενέργειας (IoT)
• Μεταβαίνει σε κατάσταση αναμονής και περιμένει την απώλεια ισχύος

Η κανονική λειτουργία ξεκινά μόνο μετά από επανεκκίνηση. Εξακολουθεί να απαιτείται προγραμματισμός για το ποια θα ήταν η διαδικασία εάν επανέλθει η ισχύς σε αυτά τα 10 δευτερόλεπτα. Ωστόσο, το καθήκον μου ήταν να επικεντρωθώ στο τροφοδοτικό.

Η πιο απλή λύση θα μπορούσε να είναι η χρήση εξωτερικού UPS ή κάτι παρόμοιο. Προφανώς, αυτό δεν συμβαίνει και χρειαζόμασταν κάτι πολύ φθηνότερο και μικρότερο. Οι υπόλοιπες λύσεις χρησιμοποιούν μπαταρία ή υπερπυκνωτή. Ακριβώς κατά τη διαδικασία της αξιολόγησης, είδα ένα ωραίο βίντεο YouTube σχετικά με παρόμοιο θέμα: Σύνδεσμος.

Μετά από κάποιες σκέψεις, το κύκλωμα υπερπυκνωτή ακούστηκε ως η καλύτερη λύση για εμάς. Είναι ελαφρώς μικρότερη από την μπαταρία (θέλουμε να χρησιμοποιούμε πολύ ευρέως χρησιμοποιούμενα εξαρτήματα, αν και προσωπικά δεν είμαι σίγουρος αν ο λόγος μεγέθους είναι πραγματικά αληθινός), απαιτεί λιγότερα εξαρτήματα (που σημαίνει- είναι φθηνότερα) και το πιο σημαντικό- ακούγεται πολύ καλύτερα από μια μπαταρία (συνέπειες της συνεργασίας με μη μηχανικούς).

Δημιουργήθηκε μια δοκιμαστική ρύθμιση για να δοκιμάσει τη θεωρία και να ελέγξει εάν τα συστήματα φόρτισης υπερπυκνωτών λειτουργούν όπως πρέπει.

Αυτό το Instructable δείχνει περισσότερα τι έχει γίνει παρά εξηγεί πώς να το κάνουμε.

Βήμα 1: Περιγραφή συστήματος

Η αρχιτεκτονική του συστήματος φαίνεται στο σχήμα. Πρώτον, το 230VAC μετατρέπεται σε 24VDC σε 5VDC και στο τέλος το κύκλωμα του μικροελεγκτή λειτουργεί στα 3.3V. Στην ιδανική περίπτωση, θα μπορούσε κανείς να εντοπίσει τη διακοπή ρεύματος ήδη στο επίπεδο του δικτύου (230VAC). Δυστυχώς, δεν είμαστε σε θέση να το κάνουμε αυτό. Επομένως, πρέπει να ελέγξουμε εάν η ισχύς εξακολουθεί να υπάρχει στο 24VDC. Έτσι, δεν μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τους πυκνωτές αποθήκευσης τροφοδοσίας AC/DC. Ο μικροελεγκτής και όλα τα άλλα σημαντικά ηλεκτρονικά είναι στα 3.3V. Αποφασίστηκε ότι στην περίπτωσή μας η ράγα 5V είναι το καλύτερο μέρος για να προσθέσετε τον υπερ πυκνωτή. Όταν η τάση του πυκνωτή εξασθενεί αργά, ο μικροελεγκτής μπορεί να εξακολουθήσει να λειτουργεί στα 3,3V.

Απαιτήσεις:

• Σταθερό ρεύμα - Iconst = 0,5 A (@ 5,0V)
• Ελάχιστη τάση (ελάχιστη επιτρεπόμενη τάση @ 5V ράγα) - Vend = 3.0V
• Ελάχιστος χρόνος που πρέπει να καλύψει ο πυκνωτής - T = 10 sec

Υπάρχουν αρκετοί ειδικοί έξυπνοι πυκνωτές φόρτισης IC που μπορούν να φορτίσουν τον πυκνωτή πολύ γρήγορα. Στην περίπτωσή μας, ο χρόνος φόρτισης δεν είναι κρίσιμος. Έτσι, αρκεί ένα απλούστερο κύκλωμα αντίστασης διόδου. Αυτό το κύκλωμα είναι απλό και φθηνό με ορισμένα μειονεκτήματα. Το ζήτημα του χρόνου φόρτισης είχε ήδη αναφερθεί. Ωστόσο, το κύριο μειονέκτημα είναι ότι ο πυκνωτής δεν φορτίζεται στην πλήρη τάση του (πτώση τάσης διόδου). Παρ 'όλα αυτά, η χαμηλότερη τάση μπορεί να μας φέρει και κάποιες θετικές πλευρές.

Στο καμπύλο Super capacitor αναμενόμενης διάρκειας ζωής από το φύλλο δεδομένων AVX SCM Series (σύνδεσμος) μπορείτε να δείτε την αναμενόμενη διάρκεια ζωής έναντι της θερμοκρασίας λειτουργίας και της εφαρμοζόμενης τάσης. Εάν ο πυκνωτής έχει χαμηλότερη τιμή τάσης, η αναμενόμενη διάρκεια ζωής αυξάνεται. Αυτό θα μπορούσε να είναι επωφελές καθώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί πυκνωτής χαμηλότερης τάσης. Αυτό πρέπει ακόμη να διευκρινιστεί.

Όπως θα φανεί στις μετρήσεις, η τάση λειτουργίας του πυκνωτή θα είναι περίπου 4,6V-4,7V-80% Vrated.

Βήμα 2: Δοκιμαστικό κύκλωμα

Μετά από κάποια αξιολόγηση, επιλέχθηκαν για δοκιμή οι υπερπυκνωτές AVX. Οι δοκιμασμένοι βαθμολογούνται για 6V. Αυτό είναι στην πραγματικότητα πολύ κοντά στην αξία που σχεδιάζουμε να χρησιμοποιήσουμε. Ωστόσο, για σκοπούς δοκιμών είναι αρκετό. Τρεις διαφορετικές τιμές χωρητικότητας ελέγχθηκαν: 1F, 2.5F και 5F (2x 2.5F παράλληλα). Η βαθμολογία των πυκνωτών είναι η ακόλουθη

• Ακρίβεια χωρητικότητας - 0% +100%
• Ονομαστική τάση - 6V

• Αρ. Κατασκευαστή -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Ισόβια - 2000 ώρες @ 65 ° C

Για να αντιστοιχιστεί η τάση εξόδου με την τάση του πυκνωτή χρησιμοποιούνται δίοδοι ελάχιστης προς τα εμπρός τάσης. Στη δοκιμή εφαρμόζονται δίοδοι VdiodeF2 = 0.22V μαζί με αυτές υψηλής έντασης με VdiodeF1 = 0.5V.

Χρησιμοποιείται απλό IC μετατροπέα DC-DC LM2596. Αυτό είναι πολύ στιβαρό IC και επιτρέπει ευελιξία. Για τη δοκιμή σχεδιάστηκαν διαφορετικά φορτία: κυρίως διαφορετικό φορτίο αντίστασης.

Οι δύο παράλληλες αντιστάσεις 3.09kΩ παράλληλες προς τον υπερ πυκνωτή χρειάζονται για τη σταθερότητα της τάσης. Στο κύκλωμα δοκιμής οι υπερπυκνωτές συνδέονται μέσω διακοπτών και εάν δεν είναι συνδεδεμένος κανένας από τους πυκνωτές, η τάση μπορεί να είναι πολύ υψηλή. Για την προστασία των πυκνωτών, μια δίοδος Zener 5,1V τοποθετείται παράλληλα με αυτές.

Για το φορτίο, η αντίσταση 8,1kΩ και το LED παρέχουν κάποιο φορτίο. Παρατηρήθηκε ότι η κατάσταση χωρίς φορτίο η τάση θα μπορούσε να είναι υψηλότερη από την επιθυμητή. Οι δίοδοι μπορούν να προκαλέσουν κάποια απροσδόκητη συμπεριφορά.

Βήμα 3: Θεωρητικοί υπολογισμοί

Υποθέσεις:

• Σταθερό ρεύμα - Iconst = 0,5Α
• Διακοπή ρεύματος Vout @ - Vout = 5,0V
• Τάση φόρτισης πυκνωτή πριν από διόδους - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Τάση εκκίνησης (διακοπή ρεύματος Vcap @) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Διακοπή ρεύματος Vout @ - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Ελάχιστο Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Ελάχιστος χρόνος που πρέπει να καλύψει ο πυκνωτής - T = 10 sec

Χρόνος φόρτισης ενός πυκνωτή (θεωρητικά): Φόρτιση = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Για τον πυκνωτή 1F είναι R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +; = 27ohm

Αν C = 1.0F, Tcharging = 135 sec = 2,5 minuntes

Αν C = 2.5F, Tcharging = 337 sec = 5,7 minuntes

Αν C = 5.0F, Φόρτιση = 675 sec = 11 minuntes

Από τις υποθέσεις, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η σταθερή ισχύς είναι περίπου: W = I * V = 2,5W

Σε έναν πυκνωτή, μπορεί κανείς να αποθηκεύσει ορισμένη ποσότητα ενέργειας: W = 0,5 * C * V^2

Από αυτόν τον τύπο, η χωρητικότητα θα μπορούσε να υπολογιστεί:

• Θέλω να τραβήξω x Watt για t Δευτερόλεπτα, πόση χωρητικότητα χρειάζομαι (Σύνδεσμος); C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Θέλω να τραβήξω x Amps για t Δευτερόλεπτα, πόση χωρητικότητα χρειάζομαι; C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Αν επιλέξουμε την τιμή του πυκνωτή να είναι 5F:

• Πόσος χρόνος θα χρειαστεί για τη φόρτιση/εκφόρτιση αυτού του πυκνωτή με σταθερό ρεύμα (Σύνδεσμος); Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sec
• Πόσος χρόνος θα χρειαστεί για τη φόρτιση/εκφόρτιση αυτού του πυκνωτή με σταθερή ισχύ (W); Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sec

Εάν χρησιμοποιείτε Rcharge = 25ohm, το ρεύμα φόρτισης θα είναι

Και ο χρόνος φόρτισης περίπου: Φόρτιση = 625 sec = 10,5 λεπτά

Βήμα 4: Πρακτικές μετρήσεις

Δοκιμάστηκαν διαφορετικές διαμορφώσεις και τιμές χωρητικότητας. Για απλοποίηση των δοκιμών, δημιουργήθηκε μια ελεγχόμενη εγκατάσταση Arduino. Τα σχήματα φαίνονται στα προηγούμενα σχήματα.

Μετρήθηκαν τρεις διαφορετικές τάσεις και τα αποτελέσματα ταιριάζουν σχετικά με τη θεωρία. Δεδομένου ότι τα ρεύματα φορτίου είναι πολύ χαμηλότερα από τη βαθμολογία της διόδου, η πτώση τάσης προς τα εμπρός είναι ελαφρώς μικρότερη. Παρ 'όλα αυτά, όπως φαίνεται η μετρημένη τάση υπερπυκνωτή ταιριάζει ακριβώς με τους θεωρητικούς υπολογισμούς.

Στο παρακάτω σχήμα, μπορείτε να δείτε μια τυπική μέτρηση με πυκνωτή 2.5F. Ο χρόνος φόρτισης ταιριάζει καλά με τη θεωρητική τιμή των 340 δευτερολέπτων. Μετά από 100 επιπλέον δευτερόλεπτα, η τάση του πυκνωτή αυξάνεται μόνο επιπλέον 0,03V, πράγμα που σημαίνει ότι η διαφορά είναι αμελητέα και στο εύρος σφάλματος μέτρησης.

Στο σχήμα otehr, μπορεί κανείς να δει ότι μετά τη διακοπή ρεύματος η τάση εξόδου Vout είναι VdiodeF2 μικρότερη από την τάση πυκνωτή Vcap. Η διαφορά είναι dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Μια περίληψη των μετρημένων χρόνων μπορείτε να δείτε στον συνημμένο πίνακα. Όπως φαίνεται, τα αποτελέσματα δεν ταιριάζουν ακριβώς με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Οι μετρημένοι χρόνοι είναι ως επί το πλείστον καλύτεροι από τους υπολογισμένους, πράγμα που σημαίνει ότι ορισμένα παράσιτα που προέκυψαν δεν ελήφθησαν υπόψη στους υπολογισμούς. Όταν κοιτάζετε το ενσωματωμένο κύκλωμα, μπορείτε να παρατηρήσετε ότι υπάρχουν πολλά μη καλά καθορισμένα σημεία σύνδεσης. Επιπλέον, οι υπολογισμοί δεν λαμβάνουν καλά υπόψη τη συμπεριφορά φορτίου - όταν πέσει η τάση, το ρεύμα μειώνεται. Παρ 'όλα αυτά, τα αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα και βρίσκονται στο αναμενόμενο εύρος.

Βήμα 5: Μερικές δυνατότητες βελτίωσης

Κάποιος θα μπορούσε να βελτιώσει τον χρόνο λειτουργίας εάν χρησιμοποιήσει έναν μετατροπέα ώθησης αντί για τη δίοδο μετά τον υπερ πυκνωτή. Το θεωρήσαμε, ωστόσο, η τιμή είναι υψηλότερη από ό, τι έχει μια απλή δίοδος.

Η φόρτιση του υπερπυκνωτή μέσω διόδου (στην περίπτωσή μου δύο διόδων) σημαίνει πτώση τάσης και αυτό θα μπορούσε να αφαιρεθεί εάν χρησιμοποιηθεί ένας ειδικός πυκνωτής φόρτισης IC. Και πάλι, η τιμή είναι το κύριο μέλημα.

Εναλλακτικά, ένας ψηλός διακόπτης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μαζί με ένα διακόπτη PNP. Μια γρήγορη σκέψη για πιθανή λύση θα μπορούσε να φανεί στα παρακάτω. Όλοι οι διακόπτες ελέγχονται μέσω μιας διόδου zener που τροφοδοτείται από είσοδο 24V. Εάν η τάση εισόδου πέσει κάτω από την τάση zener της διόδου, ο διακόπτης PNP ενεργοποιείται και οι άλλοι διακόπτες υψηλής πλευράς απενεργοποιούνται. Αυτό το κύκλωμα δεν έχει δοκιμαστεί και πιθανότατα απαιτεί κάποια πρόσθετα (παθητικά) εξαρτήματα.

Βήμα 6: Συμπέρασμα

Οι μετρήσεις ταιριάζουν αρκετά με τους υπολογισμούς. Δείχνοντας ότι οι θεωρητικοί υπολογισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν-έκπληξη-έκπληξη. Στην ειδική μας περίπτωση, χρειάζονται λίγο περισσότερο από 2.5F πυκνωτή για την παροχή επαρκούς ποσότητας ενέργειας για τη δεδομένη χρονική περίοδο.

Το πιο σημαντικό, το κύκλωμα φόρτισης του πυκνωτή λειτουργεί όπως αναμενόταν. Το κύκλωμα είναι απλό, φθηνό και επαρκές. Υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα, ωστόσο, η χαμηλή τιμή και η απλότητα το αντισταθμίζουν.

Ας ελπίσουμε ότι αυτή η μικρή περίληψη μπορεί να είναι χρήσιμη για κάποιον.