Superkondensaator UPS: 6 sammu (koos piltidega)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2025-01-23 14:40

Projekti jaoks paluti mul planeerida varutoite süsteem, mis suudaks mikrokontrolleri umbes 10 sekundit pärast voolukatkestust töös hoida. Idee on selles, et nende 10 sekundi jooksul on kontrolleril piisavalt aega

• Lõpetage kõik, mida see teeb
• Salvestage praegune olek mällu
• Saada välja voolukatkestuse teade (IoT)
• Lülitab end ooterežiimi ja ootab voolukatkestust

Tavaline töö algab alles pärast taaskäivitamist. Vaja on veel planeerimist, milline võiks olla protseduur, kui toide jõuab selle 10 sekundi jooksul tagasi. Minu ülesanne oli aga keskenduda toiteallikale.

Lihtsaim lahendus võib olla välise UPSi kasutamine või midagi sellist. Ilmselgelt see nii ei ole ja me vajasime midagi palju odavamat ja väiksemat. Ülejäänud lahendused on aku või superkondensaatori kasutamine. Täpselt hindamisprotsessi käigus nägin toredat YouTube'i videot sarnasel teemal: Link.

Pärast mõningaid kaalutlusi kõlas superkondensaatori ahel meie jaoks parima lahendusena. See on akust pisut väiksem (me tahame kasutada väga laialdaselt kasutatavaid komponente, kuigi ma isiklikult ei ole kindel, kas suuruse põhjus on tegelikult tõsi), nõuab vähem komponente (see tähendab, et see on odavam) ja mis kõige tähtsam- see kõlab palju paremini kui aku (mitteinseneridega töötamise tagajärjed).

Teooria testimiseks ja superkondensaatorite laadimissüsteemide toimimiseks ettenähtud viisil loodi testimisseade.

See juhend annab rohkem teavet selle kohta, mida on tehtud, mitte selgitab, kuidas seda teha.

Samm: süsteemi kirjeldus

Süsteemi arhitektuuri saab näha jooniselt. Esiteks muudetakse 230VAC 24VDC -ks, 5VDC -ks ja lõpuks töötab mikrokontrolleri ahel 3,3V. Ideaalis võiks voolukatkestuse tuvastada juba võrgu tasemel (230VAC). Kahjuks ei saa me seda teha. Seetõttu peame kontrollima, kas toide on endiselt 24 V alalisvoolul. Niimoodi ei saa kasutada vahelduvvoolu/alalisvoolu toiteallika mälukondensaatoreid. Mikrokontroller ja kogu muu oluline elektroonika on 3,3 V pingel. Otsustati, et meie puhul on 5V rööbas parim koht superkondensaatori lisamiseks. Kui kondensaatori pinge aeglaselt väheneb, võib mikrokontroller töötada ka 3,3 V pingel.

Nõuded:

• Pidev vool - ikoon = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimaalne pinge (min. Lubatud pinge @ 5V rööbas) - Vend = 3.0V
• Minimaalne aeg, mille kondensaator peab katma - T = 10 sek

Saadaval on mitu spetsiaalset superkondensaatorit laadivat IC-d, mis suudavad kondensaatorit väga kiiresti laadida. Meie puhul pole laadimisaeg kriitiline. Seega piisab lihtsaimast diood-takisti vooluringist. See skeem on lihtne ja odav ning sellel on mõned puudused. Laadimisaja probleem oli juba mainitud. Peamine puudus on aga see, et kondensaatorit ei laeta täispingele (dioodi pingelangus). Sellest hoolimata võib madalam pinge tuua meile ka positiivseid külgi.

Superkondensaatori eeldatava eluea kõveral AVX SCM seeria andmelehe (link) joonisel on näha eeldatav eluiga versus töötemperatuur ja rakendatud pinge. Kui kondensaatori pinge on madalam, suureneb eeldatav eluiga. See võib olla kasulik madalama pingega kondensaatori kasutamisel. See vajab veel selgitamist.

Nagu mõõtmistel näidatakse, on kondensaatori tööpinge umbes 4,6 V-4,7 V-80% pingestatud.

2. samm: testiahel

Pärast mõningast hindamist on testimiseks valitud AVX superkondensaatorid. Katsetatud on 6V pingega. See on tegelikult liiga lähedal väärtusele, mida kavatseme kasutada. Sellest hoolimata piisab testimiseks. Testiti kolme erinevat mahtuvusväärtust: 1F, 2,5F ja 5F (2x 2,5F paralleelselt). Kondensaatorite reiting on järgmine

• Mahtuvuse täpsus - 0% +100%
• Nimipinge - 6V

• Tootja varuosa nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Eluaeg - 2000 tundi @ 65 ° C

Väljundpinge ja kondensaatori pinge sobitamiseks kasutatakse minimaalseid pinge dioode. Testis rakendatakse VdiodeF2 = 0,22V dioode koos suure vooluga dioodidega VdiodeF1 = 0,5V.

Kasutatakse lihtsat LM2596 DC-DC muunduri IC-d. See on väga tugev IC ja võimaldab paindlikkust. Katsetamiseks kavandati erinevaid koormusi: peamiselt erinevat takistuskoormust.

Pinge stabiilsuse tagamiseks on vaja kahte paralleelset 3,09 kΩ takistit, mis on paralleelsed superkondensaatoriga. Testkontuuris on superkondensaatorid ühendatud lülitite kaudu ja kui ükski kondensaator pole ühendatud, võib pinge olla liiga kõrge. Kondensaatorite kaitsmiseks asetatakse nendega paralleelselt 5,1 V Zeneri diood.

Koormuse jaoks pakuvad koormust 8,1 kΩ takisti ja LED. Märgati, et ilma koormuseta võib pinge minna soovitud tasemest kõrgemale. Dioodid võivad põhjustada ootamatu käitumise.

3. samm: teoreetilised arvutused

Eeldused:

• Pidev vool - Iconst = 0,5A
• Vout @ voolukatkestus - Vout = 5,0 V.
• Kondensaatori laadimispinge enne dioode - Vin55 = Vout + Vdiood F1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Stardipinge (Vcap @ voolukatkestus) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ voolukatkestus - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V.
• Minimaalne Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V.
• Minimaalne aeg, mille kondensaator peab katma - T = 10 sek

Kondensaatori laadimise aeg (teoreetiline): laadimine = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F kondensaatori puhul on see R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 oomi

Kui C = 1,0 F, siis laadimine = 135 s = 2,5 minutit

Kui C = 2,5 F, siis laadimine = 337 s = 5,7 minutit

Kui C = 5,0 F, siis laadimine = 675 sekundit = 11 minutit

Eelduste põhjal võime eeldada, et pidev võimsus on ligikaudu: W = I * V = 2,5 W.

Kondensaatorisse saab salvestada teatud koguse energiat: W = 0,5 * C * V^2

Selle valemi abil saab arvutada mahtuvuse:

• Ma tahan joonistada x vatti t sekundit, kui palju mahtu ma vajan (link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Ma tahan joonistada x amprit t sekundit, kui palju mahtu ma vajan? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Kui valime kondensaatori väärtuseks 5F:

• Kui kaua kulub selle kondensaatori laadimiseks/tühjendamiseks konstantse vooluga (link)? Tühjenemine = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sekundit
• Kui kaua kulub selle kondensaatori laadimiseks/tühjendamiseks konstantse võimsusega (W)? Tühjenemine = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sek

Kui kasutate laadimist = 25 oomi, oleks laadimisvool

Ja laadimisaeg ligikaudu: laadimine = 625 sek = 10,5 minutit

4. samm: praktilised mõõtmised

Testiti erinevaid konfiguratsioone ja mahtuvusväärtusi. Testimise lihtsustamiseks ehitati Arduino kontrollitud testiseade. Skeemid on näidatud eelmistel joonistel.

Mõõdeti kolme erinevat pinget ja tulemused sobivad suhteliselt hästi teooriaga. Kuna koormusvoolud on dioodi nimiväärtusest palju madalamad, on edasipingelangus veidi väiksem. Sellegipoolest, nagu näha, vastab mõõdetud superkondensaatori pinge täpselt teoreetiliste arvutustega.

Järgmisel joonisel on näha tüüpiline mõõtmine 2,5F kondensaatoriga. Laadimisaeg sobib hästi teoreetilise väärtusega 340 sekundit. 100 sekundi pärast on kondensaatori pinge tõusnud ainult 0,03 V, mis tähendab, et erinevus on tühine ja jääb mõõtmisvea vahemikku.

Otehri joonisel on näha, et pärast voolukatkestust on väljundpinge Vout VdiodeF2 väiksem kui kondensaatori pinge Vcap. Erinevus on dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Mõõdetud aegade kokkuvõtet saab vaadata lisatud tabelist. Nagu näha, ei sobi tulemused teoreetiliste arvutustega. Mõõdetud ajad on enamasti paremad kui arvutatud, mis tähendab, et mõningaid saadud parasiite ei võetud arvutustes arvesse. Ehitatud vooluahelat vaadates võib märgata, et on mitu täpselt määratlemata ühenduspunkti. Lisaks ei arvesta arvutused hästi koormuskäitumist - kui pinge langeb, langeb vool. Sellegipoolest on tulemused paljulubavad ja jäävad oodatud vahemikku.

Samm: mõned parandamisvõimalused

Tööaega võiks parandada, kui kasutada superkondensaatori järel dioodi asemel võimendusmuundurit. Oleme arvestanud, et sellegipoolest on hind kõrgem kui lihtsal dioodil.

Superkondensaatori laadimine dioodi (minu puhul kahe dioodi) kaudu tähendab pingelangust ja selle saab eemaldada, kui kasutatakse spetsiaalset kondensaatori laadimis -IC -d. Jällegi on hind peamine mure.

Teise võimalusena võib kõrgetel küljelüliteid kasutada koos PNP -lülitiga. Kiirelt läbimõeldud võimalikku lahendust võib näha järgnevalt. Kõiki lüliteid juhitakse zeneri dioodi kaudu, mis töötab 24 V sisendist. Kui sisendpinge langeb alla dioodi zeneri pinge, lülitub PNP -lüliti sisse ja teised kõrgelülitid välja. Seda vooluahelat ei testita ja see nõuab tõenäoliselt mõningaid täiendavaid (passiivseid) komponente.

6. samm: järeldus

Mõõtmised sobivad arvutustega üsna hästi. Näidates, et teoreetilisi arvutusi saab kasutada-üllatus-üllatus. Meie erijuhul on vaja natuke rohkem kui 2,5 F kondensaatorit, et anda antud ajaperioodiks piisav kogus energiat.

Kõige tähtsam on see, et kondensaatori laadimisahel töötab ootuspäraselt. Ahel on lihtne, odav ja piisav. Mõned puudused on mainitud, kuid madal hind ja lihtsus kompenseerivad seda.

Loodetavasti võib see väike kokkuvõte kellelegi kasulik olla.