Super Capacitor UPS: 6 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:47

Նախագծի համար ինձ խնդրեցին պլանավորել պահեստային էներգահամակարգ, որը կարող է միկրոկառավարիչը պահել էներգիայի կորստից մոտ 10 վայրկյան հետո: Գաղափարն այն է, որ այս 10 վայրկյանների ընթացքում վերահսկիչը բավականաչափ ժամանակ ունի դրա համար

• Դադարեցրեք այն, ինչ անում է
• Պահպանեք ընթացիկ վիճակը հիշողության մեջ
• Ուղարկեք էներգիայի կորստի հաղորդագրություն (IoT)
• Անցնում է սպասման ռեժիմի և սպասում էներգիայի կորստի

Սովորական աշխատանքը սկսվում է միայն վերագործարկումից հետո: Դեռևս անհրաժեշտ է որոշակի պլանավորում, թե ինչ կարող է լինել ընթացակարգը, եթե հոսանքը վերադառնա այս 10 վայրկյանի ընթացքում: Այնուամենայնիվ, իմ խնդիրն էր կենտրոնանալ էներգիայի մատակարարման վրա:

Ամենապարզ լուծումը կարող է լինել արտաքին UPS- ի օգտագործումը կամ նման մի բան: Ակնհայտ է, որ դա այդպես չէ, և մեզ պետք էր շատ ավելի էժան և փոքր բան: Մնացած լուծումներն օգտագործում են մարտկոց կամ գերհզոր կոնդենսատոր: Հենց գնահատման գործընթացում ես տեսա նմանատիպ թեմայով YouTube- ի գեղեցիկ տեսանյութ ՝ հղում:

Որոշ նկատառումներից հետո գերհզոր կոնդենսատորի սխեման հնչեց որպես լավագույն լուծում մեզ համար: Այն փոքր-ինչ փոքր է մարտկոցից (մենք ցանկանում ենք օգտագործել շատ լայնորեն օգտագործվող բաղադրիչներ, չնայած անձամբ ես վստահ չեմ, որ չափի պատճառն իրականում ճշմարիտ է), պահանջում է ավելի քիչ բաղադրիչներ (այսինքն `ավելի էժան է) և ամենակարևորը` շատ ավելի լավ է հնչում քան մարտկոցը (ոչ ինժեներների հետ աշխատանքի հետևանքները):

Ստեղծվել է տեսության ստուգման և վերահսկման համար, թե արդյոք գերհզոր կոնդենսատորների լիցքավորման համակարգերն աշխատում են այնպես, ինչպես պետք է:

Այս հրահանգը ավելի շատ ցույց է տալիս, թե ինչ է արվել, քան բացատրում, թե ինչպես դա անել:

Քայլ 1: Համակարգի նկարագրություն

Համակարգի ճարտարապետությունը կարելի է տեսնել նկարում: Նախ, 230VAC- ը փոխարկվում է 24VDC- ի, որը դառնում է 5VDC և, ի վերջո, միկրոկառավարիչի միացումն աշխատում է 3.3V- ով: Իդեալական դեպքում կարելի է հայտնաբերել հոսանքի խափանումն արդեն ցանցի մակարդակում (230VAC): Unfortunatelyավոք, մենք ի վիճակի չենք դա անել: Հետևաբար, մենք պետք է ստուգենք, արդյոք հոսանքը դեռ կա՞ 24VDC- ում: Այսպես, չի կարելի օգտագործել AC/DC էլեկտրամատակարարման պահեստավորման կոնդենսատորներ: Միկրոկոնտրոլերը և մնացած բոլոր կարևոր էլեկտրոնիկան գտնվում են 3.3 Վ լարման վրա: Որոշված է, որ մեր դեպքում 5V ռելսերը գերհզոր կոնդենսատորն ավելացնելու լավագույն վայրն է: Երբ կոնդենսատորի լարումը դանդաղորեն քայքայվում է, միկրոկառավարիչը դեռ կարող է աշխատել 3.3 Վ լարման դեպքում:

Պահանջներ:

• Մշտական հոսանք - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Նվազագույն լարումը (նվազագույն թույլատրելի լարման @ 5V երկաթուղի) - Վենդ = 3.0V
• Կոնդենսատորի ծածկման նվազագույն ժամանակը `T = 10 վրկ

Կան մի քանի հատուկ սուպերկենսատորի լիցքավորման IC- ներ, որոնք կարող են շատ արագ լիցքավորել կոնդենսատորը: Մեր դեպքում լիցքավորման ժամանակը կրիտիկական չէ: Այսպիսով, դիոդ-դիմադրության ամենապարզ միացումը բավարար է: Այս սխեման պարզ և էժան է ՝ որոշ թերություններով: Լիցքավորման ժամանակի խնդիրն արդեն նշվել էր: Այնուամենայնիվ, հիմնական թերությունն այն է, որ կոնդենսատորը լիցքավորված չէ իր ամբողջ լարման վրա (դիոդի լարման անկում): Այնուամենայնիվ, ավելի ցածր լարումը կարող է մեզ բերել նաև դրական կողմեր:

Սուպերկենսատորի սպասվող կյանքի կորի մեջ ՝ AVX SCM Series- ի տվյալների թերթիկից (հղում) կարելի է տեսնել սպասվող կյանքի տևողությունը ՝ աշխատանքային ջերմաստիճանի և կիրառվող լարման դիմաց: Եթե կոնդենսատորն ունի ավելի ցածր լարման արժեք, ակնկալվող կյանքի տևողությունը մեծանում է: Դա կարող է ձեռնտու լինել, քանի որ կարող է օգտագործվել ավելի ցածր լարման կոնդենսատոր: Դա դեռ պարզաբանման կարիք ունի:

Ինչպես ցույց է տրված չափումներում, կոնդենսատորի աշխատանքային լարումը կլինի 4.6V-4.7V- ի սահմաններում `80% Vrated:

Քայլ 2: Փորձարկման միացում

Որոշակի գնահատումից հետո AVX գերհզոր կոնդենսատորներն ընտրվել են փորձարկման համար: Փորձարկվածները գնահատվում են 6 Վ լարման համար: Դա իրականում չափազանց մոտ է այն արժեքին, որը մենք նախատեսում ենք օգտագործել: Այնուամենայնիվ, փորձարկման նպատակով դա բավարար է: Փորձարկվել է տարողունակության երեք տարբեր արժեք ՝ 1F, 2.5F և 5F (զուգահեռ 2x 2.5F): Կոնդենսատորների վարկանիշը հետևյալն է

• Հզորության ճշգրտություն `0% +100%
• Գնահատված լարումը `6 Վ

• Արտադրող մաս nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Lմահ - 2000 ժամ @ 65 ° C

Կոնդենսատորի լարման հետ ելքային լարումը համապատասխանեցնելու համար օգտագործվում են նվազագույն առաջային լարման դիոդներ: Թեստում VdiodeF2 = 0.22V դիոդներ են ներդրվում բարձր հոսանքների հետ միասին VdiodeF1 = 0.5V- ով:

Օգտագործվում է պարզ LM2596 DC-DC փոխարկիչ IC: Դա շատ ամուր IC է և թույլ է տալիս ճկունություն: Փորձարկման համար նախատեսվում էին տարբեր բեռներ `հիմնականում տարբեր դիմադրողական բեռներ:

Երկու զուգահեռ 3.09kΩ դիմադրողները գերհզոր կոնդենսատորին զուգահեռ անհրաժեշտ են լարման կայունության համար: Փորձարկման շրջանում գերհզոր կոնդենսատորները միացված են անջատիչների միջոցով, և եթե կոնդենսատորներից ոչ մեկը միացված չէ, լարումը կարող է չափազանց բարձր լինել: Կոնդենսատորները պաշտպանելու համար դրանց զուգահեռ տեղադրվում է 5.1 Վ Zener դիոդ:

Բեռի համար 8.1kΩ դիմադրիչը և LED- ն ապահովում են որոշակի բեռ: Նկատվեց, որ առանց բեռնվածքի պայման լարումը կարող է ավելի բարձր լինել, քան ցանկանում էին: Դիոդները կարող են անսպասելի վարք առաջացնել:

Քայլ 3. Տեսական հաշվարկներ

Ենթադրություններ.

• Մշտական հոսանք - Iconst = 0.5A
• Vout @ հոսանքի խափանում - Vout = 5.0V
• Կոնդենսատորի լիցքավորման լարումը դիոդներից առաջ - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Սկիզբ լարումը (Vcap @ հոսանքի խափանում) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ հոսանքի խափանում - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Նվազագույն Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Կոնդենսատորի ծածկման նվազագույն ժամանակը `T = 10 վրկ

Կոնդենսատորը լիցքավորելու ժամանակը (տեսական). Լիցքավորում = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F կոնդենսատորի համար դա R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 օմ

Եթե C = 1.0F, լիցքավորում = 135 վրկ = 2.5 րոպե

Եթե C = 2.5F, լիցքավորում = 337 վրկ = 5.7 րոպե

Եթե C = 5.0F, լիցքավորում = 675 վրկ = 11 րոպե

Ենթադրություններից կարելի է ենթադրել, որ մշտական հզորության գնահատականը մոտ. W = I * V = 2.5W

Կոնդենսատորի մեջ կարելի է որոշակի քանակությամբ էներգիա պահել ՝ W = 0.5 * C * V^2

Այս բանաձևից հզորությունը կարող է հաշվարկվել.

• Ես ուզում եմ x Վտ քաշել t վայրկյանների համար, որքան հզորություն է ինձ պետք (հղում): C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Ես ուզում եմ x Ամպեր նկարել t վայրկյանների համար, որքան տարողունակության կարիք ունեմ: C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Եթե մենք ընտրում ենք կոնդենսատորի արժեքը 5F:

• Որքա՞ն ժամանակ կպահանջվի այս կոնդենսատորը լիցքավորել/լիցքաթափել մշտական հոսանքով (հղում): Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 վրկ
• Որքա՞ն ժամանակ կպահանջվի մշտական հզորությամբ (W) այս կոնդենսատորի լիցքավորումը/լիցքաթափումը: Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 վրկ

Եթե օգտագործում եք Rcharge = 25 օհմ լիցքավորման հոսանքը կլինի

Եվ լիցքավորման ժամանակը մոտավորապես. Լիցքավորում = 625 վրկ = 10.5 րոպե

Քայլ 4: Գործնական չափումներ

Փորձարկվեցին տարբեր կոնֆիգուրացիաներ և տարողունակության արժեքներ: Թեստավորումը պարզեցնելու համար ստեղծվեց Arduino- ի վերահսկվող թեստային կարգավորումը: Սխեմաները ներկայացված են նախորդ նկարներում:

Չորս տարբեր լարումներ են չափվել, և արդյունքները համեմատաբար լավ տեղավորվել են տեսության հետ: Քանի որ բեռնվածքի հոսանքները շատ ավելի ցածր են, քան դիոդի գնահատականը, առաջ լարման անկումը մի փոքր ավելի փոքր է: Այնուամենայնիվ, ինչպես երևում է չափված գերկոնդենսատորի լարումը ճշգրիտ համընկնում է տեսական հաշվարկների հետ:

Հետևյալ նկարում կարելի է տեսնել 2.5F կոնդենսատորով տիպիկ չափում: Լիցքավորման ժամանակը լավ տեղավորվում է 340 վրկ տեսական արժեքի հետ: 100 լրացուցիչ վայրկյան հետո կոնդենսատորի լարումը բարձրանում է ընդամենը լրացուցիչ 0,03 Վ, ինչը նշանակում է, որ տարբերությունն աննշան է և չափման սխալի տիրույթում:

Օթերի գործչի վրա կարելի է տեսնել, որ հոսանքի խափանումից հետո ելքային լարումը Vout- ը VdiodeF2- ով փոքր է Vcap կոնդենսատորի լարումից: Տարբերությունը dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V է:

Չափված ժամանակների ամփոփագիրը կարելի է տեսնել կից աղյուսակում: Ինչպես երեւում է, արդյունքները ճշգրիտ չեն համապատասխանում տեսական հաշվարկներին: Չափված ժամանակները հիմնականում ավելի լավն են, քան հաշվարկվածները, ինչը նշանակում է, որ որոշ մակաբույծներ հաշվի չեն առնվել հաշվարկներում: Կառուցված սխեման դիտելիս կարելի է նկատել, որ կան մի քանի ոչ հստակ սահմանված միացման կետեր: Բացի այդ, հաշվարկները լավ չեն հաշվի առնում բեռի պահվածքը. Երբ լարումը նվազում է, հոսանքը նվազում է: Այնուամենայնիվ, արդյունքները խոստումնալից են և գտնվում են սպասվող տիրույթում:

Քայլ 5. Բարելավման որոշ հնարավորություններ

Կարելի է բարելավել գործառնական ժամանակը, եթե գերծանր կոնդենսատորից հետո դիոդի փոխարեն օգտագործվի խթանող փոխարկիչ: Մենք դա համարել ենք, այնուամենայնիվ, գինը ավելի բարձր է, քան ունի պարզ դիոդ:

Սուպեր կոնդենսատորի լիցքավորումը դիոդի միջոցով (իմ դեպքում երկու դիոդ) նշանակում է լարման անկում, որը կարող է հեռացվել, եթե օգտագործվում է հատուկ կոնդենսատորի լիցքավորման IC: Կրկին, գինը հիմնական մտահոգությունն է:

Այլապես, բարձր կողային անջատիչները կարող են օգտագործվել PNP անջատիչի հետ միասին: Արագ մտածող հնարավոր լուծումը կարելի է տեսնել հետևյալում: Բոլոր անջատիչները վերահսկվում են zener դիոդի միջոցով, որը սնուցվում է 24V մուտքից: Եթե մուտքի լարումը նվազում է դիոդի զեներական լարման ներքո, PNP անջատիչը միանում է, իսկ մյուս բարձր կողային անջատիչները `անջատվում: Այս միացումը փորձարկված չէ և, ամենայն հավանականությամբ, պահանջում է լրացուցիչ (պասիվ) բաղադրիչներ:

Քայլ 6: Եզրակացություն

Չափումները բավականին լավ են համապատասխանում հաշվարկներին: Showingույց տալով, որ տեսական հաշվարկները կարող են օգտագործվել `անակնկալ-անակնկալ: Մեր հատուկ դեպքում 2.5F- ից քիչ ավելի կոնդենսատոր է անհրաժեշտ տվյալ ժամանակահատվածի համար բավարար քանակությամբ էներգիա ապահովելու համար:

Ամենակարևորը, կոնդենսատորի լիցքավորման սխեման աշխատում է սպասվածի պես: Շղթան պարզ է, էժան և բավարար: Կան որոշ թերություններ, սակայն ցածր գինը և պարզությունը փոխհատուցում են դա:

Հուսանք, որ այս փոքր ամփոփումը կարող է օգտակար լինել ինչ -որ մեկի համար: