Super Capacitor UPS: 6 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Egy projekthez felkértek, hogy tervezzek meg egy tartalék áramellátó rendszert, amely a mikrokontrollert körülbelül 10 másodperccel az áramkimaradás után is képes működtetni. Az ötlet az, hogy ez alatt a 10 másodperc alatt a vezérlőnek elegendő ideje van

• Hagyd abba bármit is csinál
• Mentse az aktuális állapotot a memóriába
• Az energiaveszteségről szóló üzenet (IoT) küldése
• Készenléti üzemmódba kapcsol, és várja az áramkimaradást

A normál működés csak újraindítás után indul el. Még mindig meg kell tervezni, mi lehet az eljárás, ha az áram 10 másodperc alatt visszatér. Feladatom azonban az volt, hogy az áramellátásra összpontosítsak.

A legegyszerűbb megoldás egy külső UPS használata vagy valami hasonló. Nyilvánvalóan ez nem így van, és valami olcsóbbra és kisebbre volt szükségünk. A többi megoldás akkumulátor vagy szuper kondenzátor. Pontosan az értékelési folyamat során láttam egy szép YouTube -videót hasonló témáról: Link.

Néhány megfontolás után a szuperkondenzátor áramkör a legjobb megoldásnak tűnt számunkra. Ez valamivel kisebb, mint az akkumulátor (nagyon széles körben használt alkatrészeket szeretnénk használni, bár személy szerint nem vagyok biztos benne, hogy a méret oka valóban igaz), kevesebb komponenst igényel (vagyis olcsóbb), és ami a legfontosabb- sokkal jobban hangzik mint az akkumulátor (nem mérnökökkel való együttműködés következményei).

Egy tesztbeállítást hoztak létre az elmélet tesztelésére és annak ellenőrzésére, hogy a szuperkondenzátor töltőrendszerek megfelelően működnek -e.

Ez az utasítás inkább megmutatja, hogy mi történt, és nem magyarázza el, hogyan kell csinálni.

1. lépés: A rendszer leírása

A rendszer architektúrája látható az ábrán. Először is, a 230VAC -t 24VDC -re, 5VDC -re alakítják, és a végén a mikrokontroller áramköre 3.3V -on működik. Ideális esetben az áramkimaradást már a hálózat szintjén (230VAC) lehetett észlelni. Sajnos erre nem vagyunk képesek. Ezért ellenőriznünk kell, hogy a 24VDC tápfeszültség továbbra is fennáll -e. Így nem lehet használni az AC/DC tápegység tároló kondenzátorait. A mikrokontroller és az összes többi fontos elektronika a 3.3V -nál van. Úgy döntöttek, hogy esetünkben az 5 V -os sín a legjobb hely a szuperkondenzátor hozzáadásához. Amikor a kondenzátor feszültsége lassan csökken, a mikrokontroller továbbra is 3,3 V feszültséggel tud működni.

Követelmények:

• Állandó áram - Ikon = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimális feszültség (minimális megengedett feszültség @ 5V sín) - Vend = 3.0V
• Minimális idő, amelyet a kondenzátornak le kell fednie - T = 10 mp

Számos speciális szuperkondenzátor töltő IC áll rendelkezésre, amelyek nagyon gyorsan fel tudják tölteni a kondenzátort. Esetünkben a töltési idő nem kritikus. Így elegendő a legegyszerűbb dióda-ellenállás áramkör. Ez az áramkör egyszerű és olcsó, bizonyos hátrányokkal. A töltési idő problémáját már említettük. A fő hátrány azonban az, hogy a kondenzátor nincs feltöltve a teljes feszültségre (dióda feszültségcsökkenés). Ennek ellenére az alacsonyabb feszültség pozitív oldalakat is hozhat nekünk.

A szuperkondenzátor várható élettartam görbéjében az AVX SCM sorozat adatlapján (link) ábrán látható a várható élettartam, az üzemi hőmérséklet és az alkalmazott feszültség. Ha a kondenzátor feszültsége alacsonyabb, a várható élettartam megnő. Ez előnyös lehet, mivel alacsonyabb feszültségű kondenzátort lehet használni. Ezt még tisztázni kell.

Amint a mérésekből kiderül, a kondenzátor üzemi feszültsége 4,6V-4,7V-80% Vrated körül lesz.

2. lépés: Tesztáramkör

Némi értékelés után az AVX szuperkondenzátorokat választottuk tesztelésre. A tesztelt készülékek 6V feszültségűek. Ez valójában túl közel van ahhoz az értékhez, amelyet használni kívánunk. Ennek ellenére a teszteléshez elegendő. Három különböző kapacitásértéket teszteltünk: 1F, 2,5F és 5F (2x 2,5F párhuzamosan). A kondenzátorok minősítése a következő

• Kapacitás pontosság - 0% +100%
• Névleges feszültség - 6V

• Gyártói cikkszám -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Élettartam - 2000 óra 65 ° C -on

Annak érdekében, hogy a kimeneti feszültség megfeleljen a kondenzátor feszültségének, minimális előremenő feszültségű diódákat használnak. A teszt során a VdiodeF2 = 0,22 V diódákat a nagyáramú VdiodeF1 = 0,5 V feszültségű diódákkal együtt valósítják meg.

Egyszerű LM2596 DC-DC átalakító IC-t használnak. Ez nagyon robusztus IC és rugalmasságot tesz lehetővé. A vizsgálathoz különböző terheléseket terveztek: főleg különböző ellenállású terhelést.

A szuperkondenzátorral párhuzamos két párhuzamos 3,09 kΩ ellenállás szükséges a feszültség stabilitásához. A tesztkörben a szuperkondenzátorok kapcsolókon keresztül vannak csatlakoztatva, és ha egyik kondenzátor sem csatlakozik, a feszültség túl magas lehet. A kondenzátorok védelme érdekében 5,1 V -os Zener diódát helyeznek el velük párhuzamosan.

A terheléshez a 8,1 kΩ -os ellenállás és a LED nyújt némi terhelést. Észrevettük, hogy a terhelés nélküli állapotban a feszültség magasabb lehet a kívántnál. A diódák váratlan viselkedést okozhatnak.

3. lépés: Elméleti számítások

Feltételezések:

• Állandó áram - Ikon = 0,5A
• Vout @ áramszünet - Vout = 5,0 V
• Kondenzátor töltési feszültsége diódák előtt - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Indítási feszültség (Vcap @ áramszünet) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ áramszünet - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V.
• Minimális Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimális idő, amelyet a kondenzátornak le kell fednie - T = 10 mp

A kondenzátor feltöltésének ideje (elméleti): Töltés = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F kondenzátor esetén R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohm

Ha C = 1,0F, Töltés = 135 mp = 2,5 perc

Ha C = 2,5F, Töltés = 337 mp = 5,7 perc

Ha C = 5,0 F, Töltés = 675 mp = 11 perc

A feltételezésekből feltételezhetjük, hogy az állandó teljesítmény névleges értéke kb.: W = I * V = 2,5W

Egy kondenzátorban bizonyos mennyiségű energiát lehet tárolni: W = 0,5 * C * V^2

Ebből a képletből kiszámítható a kapacitás:

• X wattot szeretnék rajzolni t másodpercre, mennyi kapacitásra van szükségem (link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• X erősítőt szeretnék rajzolni t másodpercre, mennyi kapacitásra van szükségem? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Ha a kondenzátor értékét 5F -re választjuk:

• Mennyi ideig tart feltölteni/kisütni ezt a kondenzátort állandó árammal (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sec
• Mennyi ideig tart feltölteni/kisütni ezt a kondenzátort állandó teljesítménnyel (W)? Töltés = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 mp

Ha Rcharge = 25ohm -ot használ, akkor a töltőáram lesz

És a töltési idő hozzávetőlegesen: Töltés = 625 mp = 10,5 perc

4. lépés: Gyakorlati mérések

Különböző konfigurációkat és kapacitásértékeket teszteltünk. A tesztelés egyszerűsítése érdekében egy Arduino által vezérelt tesztelést hoztak létre. A sémák az előző ábrákon láthatók.

Három különböző feszültséget mértek, és az eredmények viszonylag jól illeszkednek az elmélethez. Mivel a terhelési áramok sokkal alacsonyabbak, mint a dióda névleges értéke, az előremenő feszültségesés valamivel kisebb. Ennek ellenére, mint látható, a mért szuperkondenzátor feszültség pontosan megegyezik az elméleti számításokkal.

A következő ábrán egy tipikus mérés látható 2.5F kondenzátorral. A töltési idő jól illeszkedik a 340 másodperces elméleti értékhez. 100 másodperc elteltével a kondenzátor feszültsége csak további 0,03 V -ra emelkedett, ami azt jelenti, hogy a különbség elhanyagolható, és a mérési hiba tartományban van.

Az otehr ábrán látható, hogy az áramszünet után a Vout kimeneti feszültség VdiodeF2 kisebb, mint a Vcap kondenzátor feszültség. A különbség dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

A mért idők összefoglalója a mellékelt táblázatban látható. Mint látható, az eredmények nem illeszkednek pontosan az elméleti számításokhoz. A mért idők többnyire jobbak, mint a számított időtartamok, ami azt jelenti, hogy a számítások során nem vettek figyelembe néhány eredő parazitát. A beépített áramkört vizsgálva észrevehetjük, hogy több nem jól meghatározott csatlakozási pont létezik. Ezenkívül a számítások nem veszik figyelembe a terhelési viselkedést - amikor a feszültség csökken, az áram csökken. Ennek ellenére az eredmények ígéretesek és a várt tartományban vannak.

5. lépés: Néhány fejlesztési lehetőség

Az üzemidő javítható, ha a szuperkondenzátor után a dióda helyett egy erősítő átalakítót használunk. Azt gondoltuk, hogy ennek ellenére az ár magasabb, mint egy egyszerű dióda.

A szuperkondenzátor diódán (esetemben két dióda) keresztül történő feltöltése feszültségcsökkenést jelent, és ez eltávolítható, ha speciális kondenzátor töltő IC -t használnak. Ismét az ár a fő gond.

Alternatív megoldásként magas oldali kapcsolók is használhatók PNP kapcsolóval együtt. Egy gyorsan átgondolt lehetséges megoldás a következőkben látható. Az összes kapcsolót egy Zener dióda vezérli, amely 24 V -os bemenetről táplálkozik. Ha a bemeneti feszültség a dióda zener feszültsége alá csökken, a PNP kapcsoló BE, a többi magas oldali kapcsoló pedig KI kapcsol. Ez az áramkör nincs tesztelve, és valószínűleg további (passzív) komponenseket igényel.

6. lépés: Következtetés

A mérések nagyon jól illeszkednek a számításokhoz. Megmutatva, hogy az elméleti számítások használhatók-meglepetés-meglepetés. Különleges esetünkben alig több, mint 2,5F kondenzátorra van szükség ahhoz, hogy elegendő energiát biztosítson az adott időszakra.

A legfontosabb, hogy a kondenzátor töltő áramköre a várt módon működik. Az áramkör egyszerű, olcsó és elegendő. Van néhány említett hátrány, azonban az alacsony ár és az egyszerűség ezt kompenzálja.

Remélhetőleg ez a kis összefoglaló hasznos lehet valakinek.