Super -kondensator UPS: 6 stappe (met foto's)

2025 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2025-01-23 12:53

Vir 'n projek is ek gevra om 'n rugsteunkragstelsel te beplan wat die mikrobeheerder ongeveer 10 sekondes na die kragverlies kan laat werk. Die idee is dat die beheerder gedurende hierdie 10 sekondes genoeg tyd het

• Stop wat dit ook al doen
• Stoor die huidige toestand in die geheue
• Stuur die kragverliesboodskap (IoT)
• Skakel oor na die standby -modus en wag op die kragverlies

Die normale werking begin eers nadat dit weer begin is. Daar is nog 'n paar beplanning nodig wat die prosedure kan wees as die krag gedurende hierdie 10 sekondes terugkeer. My taak was egter om op die kragtoevoer te fokus.

Die eenvoudigste oplossing kan wees om 'n eksterne UPS of iets dergeliks te gebruik. Dit is duidelik nie die geval nie, en ons het iets baie goedkoper en kleiner nodig gehad. Die oorblywende oplossings gebruik 'n battery of 'n superkondensator. Ek het presies tydens die evalueringsproses 'n goeie YouTube -video oor 'n soortgelyke onderwerp gesien: Link.

Na 'n paar oorwegings het die superkapasitorkring die beste oplossing vir ons geklink. Dit is effens kleiner as die battery (ons wil baie gebruikte komponente gebruik, alhoewel ek persoonlik nie seker is of die grootte daarvan werklik is nie), benodig dit minder komponente (wat beteken dat dit goedkoper is) en die belangrikste: dit klink baie beter as 'n battery (gevolge van die werk met nie-ingenieurs).

'N Toetsopstelling is gebou om die teorie te toets en te kontroleer of die laaistelsels van die superkapasitor werk soos dit moet.

Hierdie instruksies toon meer wat gedoen is eerder as om te verduidelik hoe u dit moet doen.

Stap 1: Die stelselbeskrywing

Die stelselargitektuur kan in die figuur gesien word. Eerstens word die 230VAC omgeskakel na 24VDC, dit na 5VDC, en uiteindelik loop die mikrobeheerkringloopbaan op 3.3V. In die ideale geval kan 'n mens die kragonderbreking op die netvlak (230VAC) opspoor. Ongelukkig kan ons dit nie doen nie. Daarom moet ons kyk of die krag nog by die 24VDC is. Op hierdie manier kan 'n mens nie die AC/DC -kragopslagkapasitors gebruik nie. Die mikrobeheerder en alle ander belangrike elektronika is op die 3.3V. Daar is besluit dat die 5V -rail in ons geval die beste plek is om die superkapasitor by te voeg. As die kondensatorspanning stadig besig is om te verval, kan die mikrobeheerder steeds werk by 3.3V.

Vereistes:

• Konstante stroom - Ikoon = 0.5 A (@ 5.0V)
• Minimum spanning (min. Toegelate spanning by 5V spoor) - Verkoop = 3.0V
• Minimum tyd wat die kapasitor moet dek - T = 10 sek

Daar is verskeie spesiale super-kapasitor laai IC's beskikbaar wat die kondensator baie vinnig kan laai. In ons geval is die laai tyd nie kritiek nie. 'N Eenvoudigste diode-weerstandskring is dus voldoende. Hierdie kring is eenvoudig en goedkoop met 'n paar nadele. Die laaitydkwessie is reeds genoem. Die grootste nadeel is egter dat die kapasitor nie op sy volle spanning (diodespanningsval) gelaai is nie. Tog kan die laer spanning ons ook positiewe kante gee.

In die Super -kondensator se verwagte leeftydskromme kan u die verwagte leeftyd teenoor die bedryfstemperatuur en die toegepaste spanning sien uit die AVX SCM -reeks datablad (skakel). As die kapasitor laer spanningswaarde het, neem die verwagte leeftyd toe. Dit kan voordelig wees, aangesien laer spanningskondensator gebruik kan word. Dit moet nog uitgeklaar word.

Soos in die metings getoon sal word, is die werkspanning van die kapasitor ongeveer 4,6V-4,7V-80% gegradeer.

Stap 2: Toetsbaan

Na 'n bietjie evaluering is AVX -superkapasitors gekies om te toets. Die getoetses is gegradeer vir 6V. Dit is eintlik te naby aan die waarde wat ons beplan om te gebruik. Vir toetsdoeleindes is dit egter voldoende. Drie verskillende kapasitansie waardes is getoets: 1F, 2.5F en 5F (2x 2.5F parallel). Die gradering van die kapasitors volg

• Kapasiteit akkuraatheid - 0% +100%
• Nominale spanning - 6V

• Vervaardiger onderdeelnr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Lewensduur - 2000 uur by 65 ° C

Ten einde die uitgangsspanning met die kondensatorspanning te pas, word minimale vorentoe spanning diodes gebruik. In die toets word VdiodeF2 = 0.22V diodes geïmplementeer tesame met hoë stroomdiodes met VdiodeF1 = 0.5V.

Eenvoudige LM2596 DC-DC converter IC word gebruik. Dit is 'n baie robuuste IC en bied buigsaamheid. Vir die toetsing is verskillende vragte beplan: hoofsaaklik verskillende weerstandsvragte.

Die twee parallelle 3.09kΩ weerstande parallel met die superkapasitor is nodig vir die spanningsstabiliteit. In die toetsbaan word die superkapasitors deur middel van skakelaars verbind en as geen van die kondensators verbind is nie, kan die spanning te hoog wees. Om die kapasitors te beskerm, word 'n 5.1V Zenerdiode parallel met hulle geplaas.

Vir die las lewer die 8.1kΩ -weerstand en die LED 'n mate van las. Daar is opgemerk dat die spanning sonder spanning laer kan wees as wat u wil. Die diodes kan onverwagte gedrag veroorsaak.

Stap 3: Teoretiese berekeninge

Aannames:

• Konstante stroom - Ikoon = 0.5A
• Vout @ kragonderbreking - Vout = 5.0V
• Kondensator laai spanning voor diodes - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Start spanning (Vcap @ kragonderbreking) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ kragonderbreking - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minimum Vcap - Vcap_min = Verkoop VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimum tyd wat die kapasitor moet dek - T = 10 sek

Tyd om 'n kondensator te laai (teoreties): laai = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Vir 1F -kondensator is dit R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohm

As C = 1.0F, laai = 135 sek = 2.5 minute

As C = 2.5F, laai = 337 sek = 5.7 minute

As C = 5.0F, laai = 675 sek = 11 minute

Uit die aannames kan ons aanneem dat die konstante drywing ongeveer: W = I * V = 2.5W is

In 'n kapasitor kan 'n mens sekere hoeveelheid energie stoor: W = 0,5 * C * V^2

Uit hierdie formule kan die kapasitansie bereken word:

• Ek wil x Watt trek vir sekondes, hoeveel kapasitansie het ek nodig (Link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Ek wil x Amps vir t Sekondes trek, hoeveel kapasitansie benodig ek? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

As ons die kapasitorwaarde 5F kies:

• Hoe lank sal dit neem om hierdie kondensator met 'n konstante stroom (Link) te laai/ontlaai? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sek
• Hoe lank sal dit neem om hierdie kondensator met 'n konstante krag (W) te laai/ontlaai? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sek

As 'n Rcharge = 25ohm gebruik word, sal die laadstroom wees

En die laai tyd ongeveer: laai = 625 sek = 10,5 minute

Stap 4: Praktiese metings

Verskillende konfigurasies en kapasitansie waardes is getoets. Om die toetsing te vereenvoudig, is 'n Arduino -beheerde toetsopstelling gebou. Die skemas word in die vorige syfers getoon.

Drie verskillende spannings is gemeet en die resultate pas relatief goed by die teorie. Aangesien die lasstrome baie laer is as die diode, is die voorwaartse spanningsval effens laer. Die gemete superkondensatorspanning pas egter, soos gesien kan word, presies ooreen met die teoretiese berekeninge.

In die volgende figuur kan u 'n tipiese meting met 'n kapasiteit van 2,5 F sien. Die laai tyd pas goed by die teoretiese waarde van 340 sek. Na 100 ekstra sekondes styg die kapasitorspanning slegs bykomend tot 0,03V, wat beteken dat die verskil weglaatbaar is en in die meetfoutbereik.

Op die ottre -figuur kan gesien word dat die uitgangsspanning Vout na die kragonderbreking VdiodeF2 kleiner is as die kondensatorspanning Vcap. Die verskil is dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

'N Opsomming van die gemete tye kan in die aangehegte tabel gesien word. Soos gesien kan word, pas die resultate nie presies by die teoretiese berekeninge nie. Die gemete tye is meestal beter as die berekende tye, wat beteken dat sommige parasiete wat daaruit voortvloei nie in die berekeninge in ag geneem is nie. As u na die ingeboude stroombaan kyk, kan u agterkom dat daar verskeie nie-gedefinieerde verbindingspunte is. Boonop neem die berekeninge nie die lasgedrag goed in ag nie - as die spanning daal, daal die stroom. Tog is die resultate belowend en is dit in die verwagte reeks.

Stap 5: 'n Paar verbeteringsmoontlikhede

U kan die werktyd verbeter as u 'n boost -omskakelaar in plaas van die diode na die super -kapasitor gebruik. Ons het dit oorweeg, maar die prys is nogtans hoër as wat 'n eenvoudige diode het.

Om die superkondensator deur 'n diode te laai (in my geval twee diodes) beteken spanningsval en dit kan verwyder word as 'n spesiale laaier IC gebruik word. Weereens, die prys is die belangrikste bekommernis.

Alternatiewelik kan 'n hoëkantskakelaar saam met 'n PNP -skakelaar gebruik word. 'N Vinnige moontlike oplossing kan in die volgende gesien word. Al die skakelaars word beheer deur 'n zenerdiode wat van 24V ingang aangedryf word. As die ingangsspanning onder die diodesener -spanning daal, skakel die PNP -skakelaar AAN en die ander skakelaars aan die hoë kant skakel af. Hierdie stroombaan is nie getoets nie en benodig waarskynlik addisionele (passiewe) komponente.

Stap 6: Gevolgtrekking

Die metings pas redelik goed by die berekeninge. Dit wys dat die teoretiese berekeninge gebruik kan word-verrassing-verrassing. In ons spesiale geval is 'n bietjie meer as 'n kapasiteit van 2,5 F nodig om genoeg energie vir die gegewe tydperk te verskaf.

Die belangrikste is dat die laaikring van die kondensator werk soos verwag. Die kring is eenvoudig, goedkoop en voldoende. Daar is 'n paar nadele, maar die lae prys en eenvoud vergoed dit.

Hopelik kan hierdie klein opsomming vir iemand nuttig wees.