Superkondenzátor UPS: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

V prípade projektu som bol požiadaný, aby som naplánoval záložný systém napájania, ktorý by dokázal udržať mikrokontrolér v prevádzke asi 10 sekúnd po strate energie. Ide o to, že počas týchto 10 sekúnd má ovládač dostatok času

• Zastavte čokoľvek, čo robí
• Uložte aktuálny stav do pamäte
• Odoslať správu o strate napájania (IoT)
• Prepne sa do pohotovostného režimu a čaká na stratu energie

Normálna prevádzka sa spustí až po reštarte. Stále je potrebné naplánovať, aký by mohol byť postup, ak sa napätie počas týchto 10 sekúnd vráti. Mojou úlohou však bolo zamerať sa na napájanie.

Najjednoduchším riešením môže byť použitie externého zdroja UPS alebo niečo podobné. Očividne to tak nie je a potrebovali sme niečo oveľa lacnejšie a menšie. Zostávajúce riešenia používajú batériu alebo super kondenzátor. Presne počas procesu hodnotenia som videl pekné video z YouTube na podobnú tému: Odkaz.

Po niekoľkých úvahách vyzeral obvod super kondenzátora pre nás ako najlepšie riešenie. Je o niečo menší ako batéria (chceme používať veľmi často používané komponenty, aj keď si osobne nie som istý, či je dôvod veľkosti skutočne pravdivý), vyžaduje menej komponentov (to znamená- je to lacnejšie) a hlavne- znie to oveľa lepšie ako batéria (dôsledky práce s neinžiniermi).

Na testovanie teórie a na kontrolu, či nabíjacie systémy super kondenzátorov fungujú tak, ako majú, bolo vybudované testovacie zariadenie.

Tento návod ukazuje viac o tom, čo bolo urobené, než vysvetľuje, ako to urobiť.

Krok 1: Popis systému

Architektúru systému je možné vidieť na obrázku. Najprv sa 230VAC premení na 24VDC, ktoré na 5VDC a nakoniec obvod mikrokontroléra beží na 3,3V. V ideálnom prípade je možné zistiť výpadok prúdu už na úrovni siete (230 VAC). Žiaľ, nie sme toho schopní. Preto musíme skontrolovať, či je napätie stále na 24VDC. Takto nie je možné používať skladovacie kondenzátory napájacieho zdroja AC/DC. Mikrokontrolér a všetka ďalšia dôležitá elektronika sú na 3,3V. Bolo rozhodnuté, že v našom prípade je 5V koľajnica najlepším miestom na pridanie super kondenzátora. Keď napätie kondenzátora pomaly klesá, mikrokontrolér môže stále pracovať pri 3,3 V.

Požiadavky:

• Konštantný prúd - Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimálne napätie (min. Povolené napätie na 5V koľajnici) - Vend = 3,0V
• Minimálny čas, ktorý musí kondenzátor pokryť - T = 10 s

K dispozícii je niekoľko špeciálnych IC super super kondenzátorov, ktoré môžu kondenzátor nabiť veľmi rýchlo. V našom prípade nie je čas nabíjania kritický. Stačí teda najjednoduchší obvod s diódovým odporom. Tento obvod je jednoduchý a lacný s niektorými nevýhodami. Problém s časom nabíjania už bol spomenutý. Hlavnou nevýhodou však je, že kondenzátor nie je nabitý na úplné napätie (pokles napätia diódy). Nižšie napätie nám však môže priniesť aj niekoľko pozitívnych stránok.

Na krivke očakávanej životnosti kondenzátora Super z datasheetu série AVX SCM (odkaz) je možné vidieť očakávanú životnosť oproti prevádzkovej teplote a použitému napätiu. Ak má kondenzátor nižšiu hodnotu napätia, očakávaná životnosť sa zvýši. To by mohlo byť výhodné, pretože je možné použiť kondenzátor nižšieho napätia. To je ešte potrebné objasniť.

Ako bude ukázané na meraniach, prevádzkové napätie kondenzátora bude okolo 4,6 V-4,7 V-80% Vrated.

Krok 2: Testujte obvod

Po určitom vyhodnotení boli na testovanie vybrané super kondenzátory AVX. Testované sú dimenzované na 6V. To je v skutočnosti príliš blízko hodnoty, ktorú plánujeme použiť. Na testovacie účely to však stačí. Testovali sa tri rôzne hodnoty kapacity: 1F, 2,5F a 5F (2x 2,5F paralelne). Hodnotenie kondenzátorov je nasledujúce

• Presnosť kapacity - 0% +100%
• Menovité napätie - 6V

• Výrobné číslo -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2,5F - SCMS22H255PRBB0
• Životnosť - 2 000 hodín pri 65 ° C

Aby sa výstupné napätie zhodovalo s napätím kondenzátora, používajú sa diódy s minimálnym predpätím. V teste sú implementované diódy VdiodeF2 = 0,22V spolu s vysokoprúdovými s VdiodeF1 = 0,5V.

Používa sa jednoduchý IC prevodník DC-DC LM2596. Je to veľmi robustný integrovaný obvod a umožňuje flexibilitu. Na testovanie boli naplánované rôzne zaťaženia: hlavne rôzne odporové zaťaženia.

Na zaistenie stability napätia sú potrebné dva paralelné odpory 3,09 kΩ paralelne so super kondenzátorom. V testovacom obvode sú super kondenzátory pripojené pomocou spínačov a ak nie je pripojený žiadny z kondenzátorov, napätie môže byť príliš vysoké. Na ochranu kondenzátorov je paralelne k nim umiestnená Zenerova dióda 5,1 V.

Pre záťaž poskytuje určité zaťaženie odpor 8,1 kΩ a LED. Všimli sme si, že pri stave bez zaťaženia môže napätie ísť vyššie, ako sa očakávalo. Diódy môžu spôsobiť neočakávané správanie.

Krok 3: Teoretické výpočty

Predpoklady:

• Konštantný prúd - Iconst = 0,5A
• Vout @ výpadok napájania - Vout = 5,0V
• Nabíjacie napätie kondenzátora pred diódami - Vin55 = Vout + V dióda F1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Štartovacie napätie (Vcap @ porucha napájania) - Vcap = Vin55 - VdiodaF1 - VdiodaF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ výpadok napájania - Vstart = Vcap - VdiodaF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V
• Minimálny Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V
• Minimálny čas, ktorý musí kondenzátor pokryť - T = 10 s

Čas na nabitie kondenzátora (teoretický): Nabíjanie = 5*R*C

R = Nabitie + RcapacitorSérie + Rsw + Rdiodes + R prepojenia

Pre kondenzátor 1F je to R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohmov

Ak C = 1,0 F, nabíjanie = 135 s = 2,5 min

Ak C = 2,5 F, nabíjanie = 337 s = 5,7 min

Ak C = 5,0 F, nabíjanie = 675 s = 11 min

Z predpokladov môžeme predpokladať, že konštantný výkon je približne: W = I * V = 2,5W

V kondenzátore je možné uložiť určité množstvo energie: W = 0,5 * C * V^2

Z tohto vzorca by sa dala vypočítať kapacita:

• Chcem nakresliť x watty na t sekundy, koľko kapacity potrebujem (odkaz)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• Chcem nakresliť x zosilňovač na t sekundy, koľko kapacity potrebujem? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Ak zvolíme hodnotu kondenzátora 5F:

• Ako dlho bude trvať nabitie/vybitie tohto kondenzátora konštantným prúdom (odkaz)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 s
• Ako dlho bude trvať nabíjanie/vybíjanie tohto kondenzátora s konštantným výkonom (W)? T vybíjanie = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 s

Pri použití nabíjania = 25 ohmov by bol nabíjací prúd

A doba nabíjania približne: Nabíjanie = 625 s = 10,5 minúty

Krok 4: Praktické merania

Testovali sa rôzne konfigurácie a hodnoty kapacity. Na zjednodušenie testovania bolo postavené testovacie nastavenie riadené Arduinom. Schémy sú uvedené na predchádzajúcich obrázkoch.

Boli namerané tri rôzne napätia a výsledky relatívne dobre zodpovedali teórii. Pretože zaťažovacie prúdy sú oveľa nižšie ako hodnotenie diód, pokles napätia vpred je o niečo nižší. Napriek tomu, ako je vidieť, namerané napätie super kondenzátora sa presne zhoduje s teoretickými výpočtami.

Na nasledujúcom obrázku je vidieť typické meranie s kondenzátorom 2,5F. Doba nabíjania sa dobre hodí k teoretickej hodnote 340 s. Po 100 ďalších sekundách napätie kondenzátora narastá iba o ďalších 0,03 V, čo znamená, že rozdiel je v rozsahu chýb merania zanedbateľný.

Na obrázku otehr je vidieť, že po výpadku napájania je výstupné napätie Vout VdiodeF2 menšie ako napätie kondenzátora Vcap. Rozdiel je dV = 0,23 V = V dióda F2 = 0,22 V.

Súhrn nameraných časov si môžete pozrieť v priloženej tabuľke. Ako je vidieť, výsledky nepasujú presne s teoretickými výpočtami. Namerané časy sú väčšinou lepšie ako vypočítané, čo znamená, že s niektorými výslednými parazitmi sa pri výpočtoch nepočítalo. Pri pohľade na vybudovaný obvod si môžete všimnúť, že existuje niekoľko nesprávne definovaných spojovacích bodov. Výpočty navyše neberú ohľad na správanie zaťaženia - keď napätie klesne, prúd klesá. Napriek tomu sú výsledky sľubné a pohybujú sa v očakávanom rozmedzí.

Krok 5: Niektoré možnosti zlepšenia

Prevádzkový čas by sa mohol zlepšiť, ak by sa namiesto diódy za super kondenzátorom použil zosilňovač. Uvažovali sme o tom, že napriek tomu je cena vyššia ako jednoduchá dióda.

Nabíjanie super kondenzátora diódou (v mojom prípade dvoma diódami) znamená pokles napätia, ktorý je možné odstrániť, ak sa používa špeciálny nabíjací kondenzátor IC. Opäť platí, že hlavným problémom je cena.

Alternatívne je možné použiť prepínače na vysokej strane spolu s prepínačom PNP. Rýchle myslenie možného riešenia je možné vidieť na nasledujúcom texte. Všetky prepínače sú ovládané zenerovou diódou, ktorá je napájaná zo vstupu 24 V. Ak vstupné napätie klesne pod napätie zenerovej diódy, spínač PNP sa zapne a ostatné spínače na vysokej strane sa vypnú. Tento obvod nie je testovaný a pravdepodobne vyžaduje ďalšie (pasívne) komponenty.

Krok 6: Záver

Merania sa celkom dobre hodia k výpočtom. Ukazuje, že teoretické výpočty je možné použiť-prekvapenie-prekvapenie. V našom špeciálnom prípade je na zabezpečenie dostatočného množstva energie na dané časové obdobie potrebný niečo viac ako 2,5F kondenzátora.

Najdôležitejšie je, že nabíjací obvod kondenzátora funguje podľa očakávania. Obvod je jednoduchý, lacný a dostačujúci. Existujú určité spomenuté nevýhody, nízka cena a jednoduchosť to však kompenzuje.

Našťastie môže byť toto malé zhrnutie pre niekoho užitočné.