Super kondensatora UPS: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:55

Vienam projektam man tika lūgts plānot rezerves barošanas sistēmu, kas varētu saglabāt mikrokontrollera darbību aptuveni 10 sekundes pēc strāvas zuduma. Ideja ir tāda, ka šo 10 sekunžu laikā kontrolierim ir pietiekami daudz laika

• Pārtrauciet visu, ko tā dara
• Saglabājiet pašreizējo stāvokli atmiņā
• Nosūtīt ziņojumu par enerģijas zudumu (IoT)
• Pārslēdzas gaidīšanas režīmā un gaida strāvas zudumu

Parastā darbība sākas tikai pēc restartēšanas. Joprojām ir nedaudz jāplāno, kāda varētu būt procedūra, ja strāva atgriežas šo 10 sekunžu laikā. Tomēr mans uzdevums bija koncentrēties uz barošanas avotu.

Vienkāršākais risinājums varētu būt ārēja UPS izmantošana vai tamlīdzīgi. Acīmredzot tas tā nav, un mums vajadzēja kaut ko daudz lētāku un mazāku. Pārējie risinājumi izmanto akumulatoru vai superkondensatoru. Tieši novērtēšanas laikā es redzēju jauku YouTube videoklipu par līdzīgu tēmu: saite.

Pēc dažiem apsvērumiem superkondensatora ķēde mums šķita labākais risinājums. Tas ir nedaudz mazāks nekā akumulators (mēs vēlamies izmantot ļoti plaši izmantotas sastāvdaļas, lai gan es personīgi neesmu pārliecināts, vai izmēra iemesls patiesībā ir patiess), ir nepieciešams mazāk komponentu (tas nozīmē- tas ir lētāk), un vissvarīgāk- tas izklausās daudz labāk nekā akumulators (sekas darbā ar inženieriem).

Tika izveidots testa iestatījums, lai pārbaudītu teoriju un kontrolētu, vai superkondensatora uzlādes sistēmas darbojas kā vajadzētu.

Šī pamācība parāda vairāk paveiktā, nevis izskaidro, kā to izdarīt.

1. darbība: sistēmas apraksts

Sistēmas arhitektūru var redzēt attēlā. Pirmkārt, 230VAC tiek pārveidots par 24VDC, par 5VDC un galu galā mikrokontrollera ķēde darbojas ar 3.3V. Ideālā gadījumā strāvas padeves pārtraukumu varētu noteikt jau tīkla līmenī (230 VAC). Diemžēl mēs to nevaram izdarīt. Tāpēc mums ir jāpārbauda, vai 24VDC strāva joprojām pastāv. Tādā veidā nevar izmantot maiņstrāvas/līdzstrāvas barošanas avota uzglabāšanas kondensatorus. Mikrokontrolleris un visa cita svarīga elektronika ir pie 3.3V. Ir nolemts, ka mūsu gadījumā 5V sliede ir labākā vieta superkondensatora pievienošanai. Kad kondensatora spriegums lēnām samazinās, mikrokontrolleris joprojām var strādāt pie 3,3 V.

Prasības:

• Pastāvīga strāva - ikona = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimālais spriegums (minimālais pieļaujamais spriegums @ 5V sliede) - Vend = 3.0V
• Minimālais laiks, kas jāpārvar kondensatoram - T = 10 sek

Ir pieejami vairāki īpaši superkondensatoru uzlādes IC, kas var ļoti ātri uzlādēt kondensatoru. Mūsu gadījumā uzlādes laiks nav kritisks. Tādējādi pietiek ar vienkāršāko diode-rezistoru ķēdi. Šī shēma ir vienkārša un lēta ar dažiem trūkumiem. Uzlādes laika jautājums jau tika minēts. Tomēr galvenais trūkums ir tas, ka kondensators netiek uzlādēts līdz pilnam spriegumam (diodes sprieguma kritums). Tomēr zemāks spriegums var dot mums arī pozitīvas puses.

Super kondensatora paredzamā kalpošanas laika līknē no AVX SCM sērijas datu lapas (saite) attēlā var redzēt paredzamo kalpošanas laiku, salīdzinot ar darba temperatūru un pielietoto spriegumu. Ja kondensatoram ir zemāka sprieguma vērtība, paredzamais kalpošanas laiks palielinās. Tas varētu būt izdevīgi, jo varētu izmantot zemāka sprieguma kondensatoru. Tas vēl jāprecizē.

Kā parādīts mērījumos, kondensatora darba spriegums būs aptuveni 4,6V-4,7V-80% sprieguma.

2. darbība: pārbaudiet ķēdi

Pēc dažām pārbaudēm testēšanai tika izvēlēti AVX super kondensatori. Pārbaudītie ir paredzēti 6V spriegumam. Tas patiesībā ir pārāk tuvu vērtībai, kuru plānojam izmantot. Tomēr pārbaudes nolūkos tas ir pietiekami. Tika pārbaudītas trīs dažādas kapacitātes vērtības: 1F, 2,5F un 5F (2x 2,5F paralēli). Kondensatoru vērtējums ir šāds

• Kapacitātes precizitāte - 0% +100%
• Nominālais spriegums - 6 V.

• Ražotāja daļas numurs -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Kalpošanas laiks - 2000 stundas @ 65 ° C

Lai izejas spriegums atbilstu kondensatora spriegumam, tiek izmantotas minimālas priekšējā sprieguma diodes. Pārbaudē VdiodeF2 = 0.22V diodes tiek ieviestas kopā ar lielas strāvas diodēm ar VdiodeF1 = 0.5V.

Tiek izmantots vienkāršs LM2596 DC-DC pārveidotāja IC. Tas ir ļoti stabils IC un nodrošina elastību. Testēšanai tika plānotas dažādas slodzes: galvenokārt atšķirīga pretestības slodze.

Sprieguma stabilitātei nepieciešami divi paralēli 3,09 kΩ rezistori, kas ir paralēli super kondensatoram. Pārbaudes ķēdē super kondensatori ir savienoti ar slēdžiem, un, ja neviens no kondensatoriem nav pievienots, spriegums var būt pārāk augsts. Lai aizsargātu kondensatorus, tiem paralēli novietota 5,1 V Zener diode.

Slodzei 8,1 kΩ rezistors un gaismas diode nodrošina zināmu slodzi. Tika pamanīts, ka bez slodzes spriegums var pārsniegt vēlamo. Diodes var izraisīt neparedzētu uzvedību.

3. solis: teorētiskie aprēķini

Pieņēmumi:

• Pastāvīga strāva - Ikona = 0,5A
• Vout @ strāvas padeves pārtraukums - Vout = 5,0 V.
• Kondensatora uzlādes spriegums pirms diodēm - Vin55 = Vout + Vdiode F1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Sākuma spriegums (Vcap @ strāvas padeves pārtraukums) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ strāvas padeves pārtraukums - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V.
• Minimālais Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimālais laiks, kas jāpārvar kondensatoram - T = 10 sek

Laiks uzlādēt kondensatoru (teorētiski): uzlāde = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + R savienojumi

1F kondensatoram tas ir R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 omi

Ja C = 1,0 F, uzlāde = 135 sekundes = 2,5 minūtes

Ja C = 2,5 F, uzlāde = 337 sek = 5,7 minūtes

Ja C = 5,0 F, uzlāde = 675 sekundes = 11 minūtes

No pieņēmumiem mēs varam pieņemt, ka nemainīga jaudas nominālā vērtība ir aptuveni: W = I * V = 2,5 W.

Kondensatorā var uzglabāt noteiktu enerģijas daudzumu: W = 0,5 * C * V^2

Pēc šīs formulas var aprēķināt kapacitāti:

• Es gribu uzzīmēt x vatus t sekundēm, cik daudz kapacitātes man vajag (saite)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Es gribu uzzīmēt x ampērus t sekundēm, cik daudz kapacitātes man vajag? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Ja izvēlamies kondensatora vērtību 5F:

• Cik ilgs laiks būs nepieciešams, lai uzlādētu/izlādētu šo kondensatoru ar nemainīgu strāvu (saite)? T izlāde = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sek.
• Cik ilgs laiks būs nepieciešams, lai uzlādētu/izlādētu šo kondensatoru ar nemainīgu jaudu (W)? T izlāde = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sek.

Ja izmantojat Rcharge = 25 omi, uzlādes strāva būtu

Un uzlādes laiks aptuveni: uzlāde = 625 sekundes = 10,5 minūtes

4. solis: praktiskie mērījumi

Tika pārbaudītas dažādas konfigurācijas un kapacitātes vērtības. Lai vienkāršotu testēšanu, tika izveidota Arduino kontrolēta testa iestatīšana. Shēmas ir parādītas iepriekšējos attēlos.

Tika izmērīti trīs dažādi spriegumi, un rezultāti salīdzinoši labi atbilst teorijai. Tā kā slodzes strāvas ir daudz zemākas par diodes nominālo vērtību, sprieguma kritums uz priekšu ir nedaudz zemāks. Tomēr, kā redzams, izmērītais superkondensatora spriegums precīzi atbilst teorētiskajiem aprēķiniem.

Nākamajā attēlā var redzēt tipisku mērījumu ar 2.5F kondensatoru. Uzlādes laiks labi atbilst teorētiskajai vērtībai - 340 sekundes. Pēc 100 sekundēm kondensatora spriegums ir palielinājies tikai par 0,03 V, kas nozīmē, ka atšķirība ir niecīga un atrodas mērījumu kļūdu diapazonā.

Otehr attēlā redzams, ka pēc strāvas padeves pārtraukuma izejas spriegums Vout ir par VdiodeF2 mazāks nekā kondensatora spriegums Vcap. Atšķirība ir dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Izmērīto laiku kopsavilkumu var redzēt pievienotajā tabulā. Kā redzams, rezultāti precīzi neatbilst teorētiskajiem aprēķiniem. Izmērītie laiki lielākoties ir labāki par aprēķinātajiem, kas nozīmē, ka daži no tiem radušies parazītiski līdzekļi netika ņemti vērā aprēķinos. Aplūkojot iebūvēto shēmu, var pamanīt, ka ir vairāki nepareizi noteikti savienojuma punkti. Turklāt aprēķinos netiek ņemta vērā slodzes izturēšanās - kad spriegums samazinās, strāva samazinās. Tomēr rezultāti ir daudzsološi un ir paredzamajā diapazonā.

5. solis: dažas uzlabošanas iespējas

Darbības laiku varētu uzlabot, ja diode vietā pēc superkondensatora tiek izmantots pastiprināšanas pārveidotājs. Mēs esam uzskatījuši, ka tomēr cena ir augstāka nekā vienkārša diode.

Superkondensatora uzlāde caur diodi (manā gadījumā divas diodes) nozīmē sprieguma kritumu, un to varētu noņemt, ja tiek izmantota īpaša kondensatora uzlādes IC. Atkal galvenā problēma ir cena.

Alternatīvi, augsta sānu slēdžus var izmantot kopā ar PNP slēdzi. Turpmāk var redzēt iespējamu ātru risinājumu. Visi slēdži tiek kontrolēti, izmantojot Zener diodi, kas tiek darbināta no 24 V ieejas. Ja ieejas spriegums nokrītas zem diodes zener sprieguma, PNP slēdzis ieslēdzas un citi augstās puses slēdži izslēdzas. Šī shēma nav pārbaudīta, un, visticamāk, ir nepieciešami daži papildu (pasīvie) komponenti.

6. darbība. Secinājums

Mērījumi diezgan labi atbilst aprēķiniem. Parādot, ka var izmantot teorētiskos aprēķinus-pārsteigums-pārsteigums. Mūsu īpašajā gadījumā ir nepieciešams nedaudz vairāk par 2,5 F kondensators, lai nodrošinātu pietiekamu enerģijas daudzumu noteiktā laika periodā.

Vissvarīgākais ir tas, ka kondensatora uzlādes ķēde darbojas, kā paredzēts. Ķēde ir vienkārša, lēta un pietiekama. Ir daži minētie trūkumi, tomēr zemā cena un vienkāršība to kompensē.

Cerams, ka šis nelielais kopsavilkums kādam var noderēt.