Πώς να φτιάξετε ένα κύκλωμα φορτιστή supercapacitor

Ο όρος Supercapacitors και η πιθανή χρήση του σε ηλεκτρικά οχήματα, συσκευές Smartphone και IoT εξετάζεται εκτενώς τα τελευταία χρόνια, αλλά η ιδέα του ίδιου του πυκνωτή χρονολογείται από το 1957 όταν πειραματίστηκε για πρώτη φορά από την General Electric για να αυξήσει την ικανότητα αποθήκευσης των πυκνωτές. Με την πάροδο των ετών, η τεχνολογία Super πυκνωτή έχει βελτιωθεί ουσιαστικά ότι σήμερα χρησιμοποιείται ως εφεδρική μπαταρία, τράπεζες ηλιακής ενέργειας και άλλες εφαρμογές όπου απαιτείται βραχυκύκλωμα ισχύος Πολλοί έχουν μια εσφαλμένη αντίληψη ότι θεωρούν τα super caps ως αντικατάσταση της μπαταρίας μακροπρόθεσμα, αλλά τουλάχιστον με τη σημερινή τεχνολογία οι υπερσυμπιεστές δεν είναι τίποτα άλλο παρά πυκνωτές με υψηλή χωρητικότητα φόρτισης, μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τους υπερκατασκευαστές από τα προηγούμενα άρθρα μας.

Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε πώς να φορτίζουμε αυτούς τους σούπερ πυκνωτές με ασφάλεια σχεδιάζοντας ένα απλό κύκλωμα φορτιστή και στη συνέχεια θα το χρησιμοποιήσουμε για να φορτίσουμε τον σούπερ πυκνωτή μας για να ελέγξουμε πόσο καλή είναι η συγκράτηση της ενέργειας. Παρόμοια με τις μπαταρίες, ο υπερ-πυκνωτής μπορεί επίσης να συνδυαστεί για να σχηματίσει τράπεζες ισχύος πυκνωτών, η προσέγγιση για τη φόρτιση μιας τράπεζας ισχύος πυκνωτή είναι διαφορετική και δεν εμπίπτει στο πεδίο αυτού του άρθρου. Εδώ θα χρησιμοποιηθεί ο απλός και κοινώς διαθέσιμος 5.5V 1F Coin Super-capacitor που μοιάζει με ένα κελί νομισμάτων. Θα μάθουμε πώς να φορτίζουμε supercapacitor τύπου νομίσματος και να το χρησιμοποιούμε σε κατάλληλες εφαρμογές.

Φόρτιση ενός υπερ-πυκνωτή

Συγκρίνοντας έναν σούπερ πυκνωτή αόριστα με μια μπαταρία, οι σούπερ πυκνωτές έχουν χαμηλή πυκνότητα φόρτισης και χειρότερα χαρακτηριστικά αυτοεκφόρτισης, αλλά όμως όσον αφορά το χρόνο φόρτισης, τη διάρκεια ζωής και τους κύκλους φόρτισης, οι υπερπυκνωτές υπερτερούν των μπαταριών Βάσει της τρέχουσας διαθεσιμότητας φόρτισης, οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτιστούν σε λιγότερο από ένα λεπτό και αν αντιμετωπιστούν σωστά, μπορεί να διαρκέσει περισσότερο από μια δεκαετία.

Σε σύγκριση με τις μπαταρίες, οι σούπερ πυκνωτές έχουν πολύ χαμηλή τιμή ESR (Ισοδύναμη αντίσταση σειράς) που επιτρέπει την υψηλότερη τιμή του ρεύματος να ρέει μέσα ή έξω από τον πυκνωτή, επιτρέποντάς του να φορτιστεί γρηγορότερα ή να εκφορτιστεί με υψηλό ρεύμα. Αλλά λόγω αυτής της ικανότητας χειρισμού υψηλού ρεύματος, ένας υπερπυκνωτής θα πρέπει να φορτιστεί και να αποφορτιστεί με ασφάλεια για να αποφευχθεί η θερμική διαφυγή. Όσον αφορά τη φόρτιση ενός υπερ-πυκνωτή, υπάρχουν δύο χρυσοί κανόνες, ο πυκνωτής πρέπει να φορτιστεί με σωστή πολικότητα και με τάση που δεν υπερβαίνει το 90% της συνολικής χωρητικότητας τάσης.

Οι υπερ-πυκνωτές στην αγορά σήμερα βαθμολογούνται κανονικά για 2,5V, 2,7V ή 5,5V. Ακριβώς όπως ένα κελί λιθίου, αυτοί οι πυκνωτές πρέπει να συνδεθούν σε σειρά και παράλληλος συνδυασμός για να σχηματίσουν μπαταρίες υψηλής τάσης. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες, ένας πυκνωτής όταν είναι συνδεδεμένος σε σειρά θα αθροίζει αμοιβαία τη συνολική του τάση, καθιστώντας απαραίτητη την προσθήκη περισσότερων πυκνωτών για να σχηματίσουν μπαταρίες αξιοπρεπούς αξίας. Στην περίπτωσή μας έχουμε έναν πυκνωτή 5.5V 1F, οπότε η τάση φόρτισης θα πρέπει να είναι 90% του 5.5 που είναι κάπου κοντά στα 4.95V

Ενέργεια αποθηκευμένη σε Super Capacitor

Όταν χρησιμοποιείτε πυκνωτές ως στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας για την τροφοδοσία των συσκευών μας, είναι σημαντικό να προσδιορίσετε την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε έναν πυκνωτή για να προβλέψετε πόσο καιρό θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί η συσκευή. Οι τύποι για τον υπολογισμό της ενέργειας που αποθηκεύεται στον πυκνωτή μπορούν να δοθούν με E = 1 / 2CV ². Έτσι, στην περίπτωση μας για έναν πυκνωτή 5.5V 1F όταν φορτιστεί πλήρως, η αποθηκευμένη ενέργεια θα είναι

E = (1/2) * 1 * 5.5 ² E = 15 Joules

Τώρα, χρησιμοποιώντας αυτήν την τιμή μπορούμε να υπολογίσουμε πόσο καιρό ο πυκνωτής μπορεί να τροφοδοτήσει τα πράγματα, ας πούμε για παράδειγμα αν χρειαζόμαστε 500mA στα 5V για 10 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, η ενέργεια που απαιτείται για αυτήν τη συσκευή μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τους τύπους Energy = Power x time. Εδώ η ισχύς υπολογίζεται με P = VI, οπότε για ισχύ 500mA και 5V είναι 2,5 Watt.

Ενέργεια = 2,5 x (10/60 * 60) Ενέργεια = 0,00694 Watt-hour ή 25 Joules

Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι θα χρειαστούμε τουλάχιστον δύο από αυτούς τους πυκνωτές παράλληλα (15 + 15 = 30) για να πάρουμε ένα πακέτο ισχύος 30 Joules που θα είναι αρκετό για να τροφοδοτήσει τη συσκευή μας για 10 δευτερόλεπτα.

Προσδιορισμός της πολικότητας στον σούπερ πυκνωτή

Όσον αφορά τον πυκνωτή και τις μπαταρίες, πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί με την πολικότητά του. Ένας πυκνωτής με αντίστροφη πολικότητα πιθανότατα θα θερμανθεί και θα λιώσει και μερικές φορές θα εκραγεί σε χειρότερα σενάρια. Ο πυκνωτής που έχουμε είναι τύπου νομίσματος, η πολικότητα του οποίου υποδεικνύεται με μικρό λευκό βέλος όπως φαίνεται παρακάτω.

Υποθέτω ότι η κατεύθυνση του βέλους δείχνει την κατεύθυνση του ρεύματος. Μπορείτε να το σκεφτείτε όπως, το ρεύμα ρέει πάντα από θετικό σε αρνητικό και ως εκ τούτου το βέλος ξεκινά από θετική πλευρά και δείχνει προς την αρνητική πλευρά. Μόλις μάθετε την πολικότητα και αν είστε περίεργοι να τη φορτίσετε, μπορείτε ακόμη και να χρησιμοποιήσετε μια ρύθμιση RPS σε 5.5V (ή 4.95V για ασφάλεια) και στη συνέχεια να συνδέσετε το θετικό καλώδιο του RPS σε θετικό πείρο και το αρνητικό καλώδιο σε αρνητικό πείρο και θα πρέπει να δείτε ότι ο πυκνωτής φορτίζεται.

Με βάση την τρέχουσα βαθμολογία του RPS μπορείτε να σημειώσετε ότι ο πυκνωτής φορτίζεται μέσα σε δευτερόλεπτα και μόλις φτάσει τα 5.5V θα σταματήσει να τραβάει πλέον τρέχον. Αυτός ο πλήρως φορτισμένος πυκνωτής μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί σε κατάλληλη εφαρμογή πριν αυτοαποφορτιστεί.

Αντί να χρησιμοποιήσουμε ένα RPS σε αυτό το σεμινάριο , θα δημιουργήσουμε έναν φορτιστή που ρυθμίζει 5.5V από έναν προσαρμογέα 12V και θα τον χρησιμοποιήσουμε για τη φόρτιση του υπερ-πυκνωτή. Η τάση του πυκνωτή θα παρακολουθείται χρησιμοποιώντας έναν συγκριτή op-amp και μόλις φορτωθεί ο πυκνωτής το κύκλωμα θα αποσυνδέσει αυτόματα τον υπερ-πυκνωτή από την πηγή τάσης. Ακούγεται ενδιαφέρον, έτσι ας ξεκινήσουμε.

Απαιτούμενα υλικά

• Προσαρμογέας 12V
• IC ρυθμιστή τάσης LM317
• LM311
• IRFZ44N
• Τρανζίστορ BC557 PNP
• LED
• Αντίσταση
• Πυκνωτής

Διάγραμμα κυκλώματος

Το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος για αυτό το κύκλωμα φορτιστή Supercapacitor δίνεται παρακάτω. Το κύκλωμα σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό Proteus η προσομοίωση του ίδιου θα εμφανιστεί αργότερα.

Το κύκλωμα τροφοδοτείται από έναν προσαρμογέα 12V. στη συνέχεια χρησιμοποιούμε ένα LM317 για ρύθμιση του 5.5V για φόρτιση του πυκνωτή μας. Αλλά αυτό το 5.5V θα παρασχεθεί στον πυκνωτή μέσω ενός MOSFET που λειτουργεί ως διακόπτης. Αυτός ο διακόπτης θα κλείσει μόνο εάν η τάση του πυκνωτή έχει λιγότερο από 4,86V καθώς ο πυκνωτής φορτίζει και η αύξηση της τάσης ο διακόπτης θα ανοίξει και θα αποτρέψει την περαιτέρω φόρτιση της μπαταρίας Αυτή η σύγκριση τάσης γίνεται με ένα op-amp και χρησιμοποιούμε επίσης ένα τρανζίστορ BC557 PNP για να ανάβουμε ένα LED όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία φόρτισης. Το διάγραμμα κυκλώματος που φαίνεται παραπάνω χωρίζεται σε τμήματα παρακάτω για εξήγηση.

Κανονισμός τάσης LM317:

Η αντίσταση R1 και R2 χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της τάσης εξόδου του LM317 Regulator με βάση τους τύπους Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Εδώ χρησιμοποιήσαμε μια τιμή 1k και 3,3k για να ρυθμίσουμε μια τάση εξόδου 5,3V που είναι αρκετά κοντά στα 5,5V. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ηλεκτρονική μας αριθμομηχανή για να υπολογίσετε την επιθυμητή τάση εξόδου βάσει της τιμής αντίστασης που διατίθεται μαζί σας.

Συγκριτής Op-Amp:

Χρησιμοποιήσαμε το συγκριτικό IC LM311 για να συγκρίνουμε την τιμή τάσης του υπερ-πυκνωτή με μια σταθερή τάση. Αυτή η σταθερή τάση παρέχεται στον ακροδέκτη αριθμό 2 χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα διαχωριστή τάσης. Οι αντιστάσεις 2.2k και 1.5k μειώνουν τάση 4,86V από 12V. Αυτό το 4,86 ​​volt συγκρίνεται με την τάση ref (τάση του πυκνωτή) που συνδέεται με τον πείρο 3. Όταν η τάση ref είναι μικρότερη από 4,86V, ο πείρος εξόδου 7 θα φτάσει υψηλά με 12V με την αντίσταση 10k pull-up Αυτή η τάση θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την οδήγηση του MOSFET.

MOSFET και BC557:

Το IRFZ44N MOSFET χρησιμοποιείται για τη σύνδεση του υπερ-πυκνωτή στην τάση φόρτισης με βάση το σήμα από το op-amp. Όταν το op-amp πηγαίνει ψηλά, εξάγει 12V στον ακροδέκτη 7 που ενεργοποιεί το MOSFET μέσω του ακροδέκτη βάσης του παρόμοια όταν το op-amp πηγαίνει χαμηλά (0V) το MOSFET θα ανοίξει. Έχουμε επίσης ένα τρανζίστορ PNP BC557 το οποίο θα ανάψει το LED όταν το MOSFET είναι σβηστό, υποδεικνύοντας ότι η τάση του πυκνωτή είναι μεγαλύτερη από 4,8V

Προσομοίωση κυκλώματος φορτιστή Supercapacitor

Για την προσομοίωση του κυκλώματος έχω αντικαταστήσει την μπαταρία με μια μεταβλητή αντίσταση για να παρέχει μια μεταβλητή τάση στον ακροδέκτη 3 του op-amp. Ο Super πυκνωτής αντικαθίσταται με LED για να δείξει εάν τροφοδοτείται ή όχι. Το αποτέλεσμα προσομοίωσης βρίσκεται παρακάτω.

Όπως μπορείτε να δείτε ως χρησιμοποιώντας τους ανιχνευτές τάσης, όταν η τάση στον πείρο αναστροφής είναι χαμηλή από τον πείρο που δεν αναστρέφει, το op-amp πηγαίνει ψηλά με 12V στον πείρο 7 που ενεργοποιεί το MOSFET και έτσι φορτίζει τον πυκνωτή (κίτρινο LED). Αυτό το 12V ενεργοποιεί επίσης το τρανζίστορ BC557 να σβήσει το πράσινο LED. Καθώς αυξάνεται η τάση του πυκνωτή (ποτενσιόμετρο), η πράσινη λυχνία LED θα ανάψει αφού το op-amp θα εξάγει 0V όπως φαίνεται παραπάνω.

Φορτιστής Supercapacitor σε υλικό

Το κύκλωμα είναι πολύ απλό και μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα breadboard, αλλά αποφάσισα να χρησιμοποιήσω μια πλακέτα Perf έτσι ώστε να μπορώ να επαναχρησιμοποιήσω το κύκλωμα στο μέλλον σε κάθε προσπάθεια φόρτισης του υπερπυκνωτή μου. Σκοπεύω επίσης να το χρησιμοποιήσω μαζί με το ηλιακό πάνελ για φορητά έργα, επομένως προσπάθησα να το φτιάξω όσο το δυνατόν μικρότερο και άκαμπτο. Το πλήρες κύκλωμα μου μόλις κολληθεί σε μια διάστικτη σανίδα φαίνεται παρακάτω.

Τα δύο θηλυκά μπαστούνια μπορούν να κτυπηθούν χρησιμοποιώντας αλλιγάτορες για να φορτίσουν τον πυκνωτή. Το κίτρινο LED υποδεικνύει την τροφοδοσία της μονάδας και το μπλε LED υποδεικνύει την κατάσταση φόρτισης. Μόλις ολοκληρωθεί η διαδικασία φόρτισης, το LED θα ανάψει αλλιώς θα παραμείνει σβηστό. Μόλις το κύκλωμα είναι έτοιμο απλώς συνδέστε τον πυκνωτή και θα πρέπει να δείτε το μπλε LED να σβήνει και μετά από λίγο θα πάει ψηλά για να δείξει ότι η διαδικασία φόρτισης έχει ολοκληρωθεί. Μπορείτε να δείτε τον πίνακα σε κατάσταση φόρτισης και φόρτισης παρακάτω.

Η πλήρης εργασία βρίσκεται στο βίντεο που βρίσκεται στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας, εάν έχετε κάποιο πρόβλημα να το δημοσιεύσετε στην ενότητα σχολίων ή χρησιμοποιήστε τα φόρουμ μας για άλλες τεχνικές ερωτήσεις.

Βελτιώσεις σχεδιασμού

Ο σχεδιασμός κυκλώματος που δίνεται εδώ είναι ακατέργαστος και λειτουργεί για το σκοπό του. Μερικές υποχρεωτικές βελτιώσεις που παρατήρησα μετά την κατασκευή συζητούνται εδώ. Το BC557 ζεσταίνεται λόγω του 12V κατά μήκος της βάσης και του πομπού, οπότε θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί δίοδος υψηλής τάσης στη θέση του BC557.

Δεύτερον, καθώς ο πυκνωτής φορτίζει, ο συγκριτής τάσης μετρά την αλλαγή τάσης, αλλά όταν το MOSFET απενεργοποιείται μετά τη φόρτιση, ο op-amp ανιχνεύει χαμηλό κέρδος τάσης και ενεργοποιεί πάλι το FET, αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μερικές φορές πριν απενεργοποιηθεί εντελώς ο op-amp. Ένα κύκλωμα ασφάλισης στην έξοδο op-amp θα λύσει το πρόβλημα.