Kā izveidot superkondensatora lādētāja ķēdi

Termins Supercapacitors un tā iespējamā izmantošana elektriskajos transportlīdzekļos, viedtālruņu un IoT ierīcēs pēdējā laikā tiek plaši apsvērta, taču pati superkondensatora ideja aizsākās 1957. gadā, kad General Electric to pirmo reizi izmēģināja, lai palielinātu sava akumulatora ietilpību. kondensatori. Gadu gaitā super kondensatoru tehnoloģija ir ievērojami uzlabojusies, ka mūsdienās to izmanto kā akumulatoru rezerves, saules enerģijas bankas un citas lietojumprogrammas, kur nepieciešams īss enerģijas palielinājums. Daudziem ir nepareizs uzskats, ka super vāciņi ilgtermiņā tiek uzskatīti par akumulatora aizstājēju, taču vismaz ar mūsdienu tehnoloģiju superkondensatori nav nekas cits kā kondensatori ar lielu uzlādes jaudu, par superkondensatoriem varat uzzināt vairāk no mūsu iepriekšējiem rakstiem.

Šajā rakstā mēs uzzināsim, kā droši uzlādēt šādus superkondensatorus, izstrādājot vienkāršu lādētāja ķēdi un pēc tam to izmantojot, lai uzlādētu mūsu superkondensatoru, lai pārbaudītu, cik labi tas notur enerģiju. Līdzīgi kā akumulatora šūnās, arī superkondensatoru var kombinēt, veidojot kondensatora jaudas bankas, pieeja kondensatora jaudas bankas uzlādēšanai ir atšķirīga, un tā neietilpst šī raksta darbības jomā. Šeit tiks izmantots vienkāršs un parasti pieejams 5,5 V 1F monētu superkondensators, kas izskatās līdzīgs monētu šūnai. Mēs uzzināsim, kā uzlādēt monētu tipa superkondensatoru un izmantot to piemērotās lietojumprogrammās.

Super-kondensatora uzlāde

Super kondensatoru neskaidri salīdzinot ar akumulatoru, super kondensatoriem ir zems uzlādes blīvums un sliktākas pašizlādes īpašības, taču uzlādes laika, glabāšanas laika un uzlādes cikla ziņā super kondensatori pārspēj akumulatorus. Pamatojoties uz uzlādes strāvas pieejamību, superkondensatorus var uzlādēt mazāk nekā minūtē, un, pareizi rīkojoties, tas var ilgt vairāk nekā desmit gadus.

Salīdzinot ar akumulatoriem, superkondensatoriem ir ļoti zema ESR (ekvivalenta sērijas pretestība) vērtība, kas ļauj augstākai strāvas vērtībai ieplūst vai izplūst kondensatorā, ļaujot tam ātrāk uzlādēt vai izlādēties ar lielu strāvu. Bet, ņemot vērā šīs iespējas rīkoties ar lielu strāvu, super kondensators būtu droši jāuzlādē un jāizlādē, lai novērstu termisko aizplūšanu. Runājot par superkondensatora uzlādi, ir divi zelta likumi: kondensators jāuzlādē ar pareizu polaritāti un spriegumu, kas nepārsniedz 90% no tā kopējās sprieguma.

Mūsdienās tirgū esošie superkondensatori parasti tiek vērtēti ar 2,5 V, 2,7 V vai 5,5 V. Tāpat kā litija šūna, šie kondensatori ir jāsavieno virknē un paralēli, lai izveidotu augstsprieguma akumulatorus. Atšķirībā no akumulatoriem, ja kondensators ir savienots virknē, tas abpusēji summēs tā kopējo sprieguma līmeni, tādēļ ir nepieciešams pievienot vairāk kondensatoru, lai izveidotu pienācīgas vērtības akumulatoru blokus. Mūsu gadījumā mums ir 5.5V 1F kondensators, tāpēc uzlādes spriegumam jābūt 90% no 5.5, kas ir kaut kur tuvu 4.95V.

Enerģija, kas uzglabāta superkondensatorā

Lietojot kondensatorus kā enerģijas uzkrāšanas elementus mūsu ierīču darbināšanai, ir svarīgi noteikt kondensatorā uzkrāto enerģiju, lai prognozētu, cik ilgi ierīci varētu darbināt. Kondensatorā uzkrātās enerģijas aprēķināšanas formulas var sniegt ar E = 1 / 2CV ². Tātad mūsu gadījumā par 5.5V 1F kondensatoru, kad tas ir pilnībā uzlādēts, uzglabātā enerģija būs

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 džouli

Tagad, izmantojot šo vērtību, mēs varam aprēķināt, cik ilgi kondensators var darbināt lietas, piemēram, ja mums vajag 500mA pie 5V 10 sekundes. Tad šai ierīcei nepieciešamo enerģiju var aprēķināt, izmantojot formulas Enerģija = Jauda x laiks. Šeit jaudu aprēķina pēc P = VI, tāpēc 500mA un 5V jauda ir 2,5 vati.

Enerģija = 2,5 x (10/60 * 60) Enerģija = 0,00694 vatstunda vai 25 džouli

No tā mēs varam secināt, ka mums vajadzēs vismaz divus no šiem kondensatoriem paralēli (15 + 15 = 30), lai iegūtu 30 džaulu barošanas bloku, kas būs pietiekami, lai mūsu ierīci darbinātu 10 sekundes.

Polaritātes noteikšana uz super kondensatora

Runājot par kondensatoru un akumulatoriem, mums vajadzētu būt ļoti piesardzīgiem ar tā polaritāti. Kondensators ar apgrieztu polaritāti, visticamāk, sildīs un izkusīs un dažreiz pārsprāgs sliktākajos gadījumos. Mūsu rīcībā esošais kondensators ir monētu tipa, kura polaritāte ir norādīta ar mazu baltu bultiņu, kā parādīts zemāk.

Es pieņemu, ka bultiņas virziens norāda strāvas virzienu. Jūs varat domāt par to, piemēram, strāva vienmēr plūst no pozitīvas uz negatīvu, un tāpēc bulta sākas no pozitīvās puses un norāda uz negatīvo pusi. Tiklīdz jūs zināt polaritāti un, ja vēlaties zināt, vai to vēlaties uzlādēt, varat pat izmantot RPS, iestatot to uz 5,5 V (vai 4,95 V drošībai) un pēc tam pievienojiet RPS pozitīvo vadu pie pozitīvā kontakta un negatīvo - uz negatīvo kontaktu jums vajadzētu redzēt kondensatoru uzlādētu.

Pamatojoties uz pašreizējo RPS vērtējumu, varat atzīmēt, ka kondensators tiek uzlādēts dažu sekunžu laikā un, kad tas sasniedz 5,5 V, tas pārtrauks vairs strāvas zīmēšanu. Šo pilnībā uzlādēto kondensatoru tagad var izmantot piemērotā pielietojumā, pirms tas pats izlādējas.

Tā vietā, lai šajā apmācībā izmantotu RPS, mēs izveidosim lādētāju, kas regulē 5.5V no 12V adaptera un izmantos to superkondensatora uzlādēšanai. Kondensatora spriegums tiks kontrolēts, izmantojot op-amp salīdzinātāju, un, tiklīdz kondensators būs uzlādēts, ķēde automātiski atvienos superkondensatoru no sprieguma avota. Izklausās interesanti tieši tāpēc sāksim.

Nepieciešamie materiāli

• 12V adapteris
• LM317 sprieguma regulatora IC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP tranzistors
• LED
• Rezistors
• Kondensators

Ķēdes shēma

Pilna šīs Supercapacitor lādētāja shēmas shēma ir dota zemāk. Kontūra tika uzzīmēta, izmantojot programmatūru Proteus, kuras simulācija tiks parādīta vēlāk.

Kontūru darbina 12 V adapteris; pēc tam mēs izmantojam LM317, lai regulētu 5.5V, lai uzlādētu mūsu kondensatoru. Bet šis 5,5 V kondensatoram tiks piegādāts caur MOSFET, kas darbojas kā slēdzis. Šis slēdzis tiks aizvērts tikai tad, ja kondensatora spriegumam ir mazāks par 4,86 ​​V, kondensatoram uzlādējoties un palielinoties spriegumam, slēdzis tiks atvērts un novērsīs akumulatora turpmāku uzlādi. Šis sprieguma salīdzinājums tiek veikts, izmantojot op-amp, un mēs izmantojam arī BC557 PNP tranzistoru, lai mirdzētu LED, kad uzlādes process ir pabeigts. Iepriekš parādītā shēmas shēma ir sadalīta tālāk segmentos, lai paskaidrotu.

LM317 sprieguma regulēšana:

Rezistoru R1 un R2 izmanto, lai izlemtu LM317 regulatora izejas spriegumu, pamatojoties uz formulām Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Šeit mēs izmantojām vērtību 1k un 3.3k, lai regulētu izejas spriegumu 5.3V, kas ir pietiekami tuvu 5.5V. Jūs varat izmantot mūsu tiešsaistes kalkulatoru, lai aprēķinātu vēlamo izejas spriegumu, pamatojoties uz jums pieejamo rezistora vērtību.

Op-Amp salīdzinātājs:

Mēs esam izmantojuši LM311 salīdzinājuma IC, lai salīdzinātu superkondensatora un fiksēta sprieguma vērtību. Šis fiksētais spriegums tiek nodrošināts tapai Nr. 2, izmantojot sprieguma dalītāja ķēdi. Rezistori 2,2 k un 1,5 k kritīs spriegumu 4,86 ​​V, veidojot 12 V. Šis 4,86 ​​volti tiek salīdzināti ar ref spriegumu (kondensatora spriegumu), kas ir savienots ar 3. kontaktu. Ja ref. Spriegums ir mazāks par 4.86V, izejas kontakts 7 būs augsts ar 12V ar pievilkšanas 10k rezistoru. Pēc tam šis spriegums tiks izmantots MOSFET darbināšanai.

MOSFET un BC557:

IRFZ44N MOSFET tiek izmantots, lai savienotu super kondensators uzlādes spriegums balstās uz signālu no op-amp. Kad op-amp iet uz augšu, tas izvada 12V uz tapas 7, kas MOSFET ieslēdz caur pamatnes tapu līdzīgi, kad op-amp iet zemu (0V), MOSFET tiks atvērts. Mums ir arī PNP tranzistors BC557, kas ieslēgs LED, kad MOSFET ir izslēgts, norādot, ka kondensatora spriegums ir lielāks par 4,8 V.

Superkondensatora lādētāja ķēdes simulācija

Lai modelētu ķēdi, esmu nomainījis akumulatoru ar mainīgu rezistoru, lai nodrošinātu mainīgu spriegumu op-amp. Super kondensators tiek aizstāts ar LED, lai parādītu, vai tas darbojas vai nē. Simulācijas rezultātu var atrast zemāk.

Kā redzat, izmantojot sprieguma zondes, kad spriegums invertējošajā tapā ir mazs nekā neinvertējošā tapas, op-amp palielinās ar 12 V uz 7. kontakta, kas ieslēdz MOSFET un tādējādi uzlādē kondensatoru (dzeltenā LED). Šis 12 V iedarbina arī BC557 tranzistoru, lai izslēgtu zaļo gaismas diode. Palielinoties kondensatora (potenciometra) spriegumam, iedegsies zaļā gaismas diode, jo op-amp izvadīs 0V, kā parādīts iepriekš.

Superkondensatora lādētājs aparatūrā

Ķēde ir diezgan vienkārša, un to var uzbūvēt uz paneļa, taču es nolēmu izmantot Perf plāksni, lai nākotnē varētu atkārtoti izmantot ķēdi, mēģinot uzlādēt savu superkondensatoru. Es arī plānoju to izmantot kopā ar saules bateriju pārnēsājamiem projektiem, tāpēc mēģināju to veidot pēc iespējas mazāku un stingrāku. Mana pilnā shēma, kas vienreiz ir pielodēta uz punktota dēļa, ir parādīta zemāk.

Divas sieviešu bergu nūjas var pieskarties, izmantojot aligatora tapas, lai uzlādētu kondensatoru. Dzeltenā gaismas diode norāda moduļa jaudu un zilā gaismas diode norāda uzlādes statusu. Kad uzlādes process būs pabeigts, iedegsies gaismas diode, un tā joprojām būs izslēgta. Kad ķēde ir gatava, vienkārši pievienojiet kondensatoru, un jums vajadzētu redzēt, ka zilā gaismas diode izslēdzas, un pēc kāda laika tā atkal ies uz augšu, lai norādītu, ka uzlādes process ir pabeigts. Zemāk varat redzēt dēli uzlādes un uzlādes stāvoklī.

Pilnīgu darbu var atrast videoklipā, kas atrodas šīs lapas apakšdaļā, ja jums ir kādas problēmas panākt, lai tas darbotos, ievietojiet tos komentāru sadaļā vai izmantojiet mūsu forumus citiem tehniskiem jautājumiem.

Dizaina uzlabojumi

Šeit sniegtais shēmas dizains ir neapstrādāts un darbojas tā mērķim; Daži obligātie uzlabojumi, kurus pamanīju pēc būvēšanas, tiek apspriesti šeit. BC557 sakarst 12 V dēļ tā pamatnes un izstarotāja, tāpēc BC557 vietā jāizmanto augstsprieguma diode.

Otrkārt, tā kā kondensatora lādētāji, sprieguma salīdzinātājs mēra sprieguma izmaiņas, bet, kad MOSFET pēc uzlādes izslēdzas, op-ampers nosaka zemu sprieguma pieaugumu un atkal ieslēdz FET, šis process tiek atkārtots dažas reizes, pirms op-amp pilnībā izslēdzas. Fiksējošā ķēde op-amp izejā atrisinās problēmu.