Super Kondansatör UPS: 6 Adım (Şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

Bir layihə üçün, güc itkisindən təxminən 10 saniyə sonra mikrokontrolörün işləməsini təmin edə biləcək bir ehtiyat güc sistemi planlamağım istəndi. Fikir budur ki, bu 10 saniyə ərzində nəzarətçinin kifayət qədər vaxtı var

• Nə edirsə dayandırın
• Mövcud vəziyyəti yaddaşa yazın
• Enerji itkisi mesajı göndərin (IoT)
• Özünü gözləmə rejiminə keçir və güc itkisini gözləyir

Normal əməliyyat yalnız yenidən başladıqdan sonra başlayır. Gücün bu 10 saniyə ərzində geri qayıdacağı təqdirdə prosedurun nə ola biləcəyinə dair bəzi planlara ehtiyac var. Ancaq vəzifəm enerji təchizatına diqqət yetirmək idi.

Ən sadə həll xarici UPS və ya buna bənzər bir şeydən istifadə etmək ola bilər. Aydındır ki, bu belə deyil və bizə daha ucuz və kiçik bir şey lazım idi. Qalan həllər bir batareya və ya super kondansatör istifadə etməkdir. Tam olaraq qiymətləndirmə prosesində oxşar mövzu ilə bağlı gözəl bir YouTube videosu gördüm: Bağlantı.

Bəzi mülahizələrdən sonra super kondansatör dövrəsi bizim üçün ən yaxşı həll yolu kimi səsləndi. Batareyadan bir qədər kiçikdir (çox geniş istifadə olunan komponentlərdən istifadə etmək istəyirik, baxmayaraq ki, ölçüsünün səbəbinin əslində doğru olub-olmadığını şəxsən bilmirəm), daha az komponent tələb edir (mənası daha ucuzdur) və ən əsası- daha yaxşı səslənir batareyadan daha çox (mühəndis olmayanlarla işləməyin nəticələri).

Teoriyi yoxlamaq və super kondansatör şarj sistemlərinin lazım olduğu kimi işlədiyini yoxlamaq üçün bir test qurğusu quruldu.

Bu Təlimat, bunu necə etmək lazım olduğunu izah etməkdən daha çox nə edildiyini göstərir.

Addım 1: Sistemin Təsviri

Sistemin quruluşunu şəkildə görə bilərsiniz. Birincisi, 230VAC 24VDC -ə 5VDC -ə çevrilir və sonunda mikro nəzarətçi dövrəsi 3.3V -də işləyir. İdeal vəziyyətdə, elektrik kəsilməsini artıq şəbəkə səviyyəsində (230VAC) aşkar etmək olar. Təəssüf ki, biz bunu edə bilmirik. Buna görə 24VDC -də gücün hələ də olub olmadığını yoxlamalıyıq. Bunun kimi AC/DC enerji təchizatı saxlama kondansatörlərindən istifadə etmək olmaz. Mikro nəzarətçi və digər bütün vacib elektronikalar 3.3V -dədir. Bizim vəziyyətimizdə 5V rayının super kondansatör əlavə etmək üçün ən yaxşı yer olduğuna qərar verildi. Kondansatör gərginliyi yavaş -yavaş azaldıqda, mikro nəzarətçi hələ də 3.3V -də işləyə bilər.

Tələblər:

• Sabit cərəyan - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Minimum gərginlik (minimum icazə verilən gərginlik @ 5V ray) - Vend = 3.0V
• Kondansatörün əhatə etməli olduğu minimum vaxt - T = 10 san

Kondansatörü çox sürətli doldura bilən bir neçə xüsusi super kondansatör şarj IC var. Bizim vəziyyətimizdə şarj müddəti kritik deyil. Beləliklə, ən sadə bir diod müqavimət dövrəsi kifayətdir. Bu sxem bəzi çatışmazlıqlarla sadə və ucuzdur. Şarj vaxtı problemi artıq qeyd edildi. Bununla birlikdə, əsas çatışmazlıq, kondansatörün tam gərginliyə qədər doldurulmamasıdır (diodun gərginlik düşməsi). Buna baxmayaraq, aşağı gərginlik bizə bəzi müsbət tərəflər də gətirə bilər.

AVX SCM Seriyası məlumat cədvəlindən (keçid) əldə edilən Super kondansatörün gözlənilən ömrü əyrisində işləmə temperaturu və tətbiq olunan gərginliyə qarşı gözlənilən ömrü görmək olar. Kondansatörün aşağı gərginlik dəyəri varsa, gözlənilən ömrü artır. Aşağı gərginlikli kondansatör istifadə edilə biləcəyi üçün bu faydalı ola bilər. Bunun hələ aydınlaşdırılması lazımdır.

Ölçmələrdə göstərildiyi kimi, kondansatörün işləmə gərginliyi 4.6V-4.7V-80% Vrated olacaq.

Addım 2: Test dövrəsi

Bəzi qiymətləndirmələrdən sonra AVX super kondansatörləri sınaq üçün seçildi. Test edilənlər 6V üçün qiymətləndirilib. Bu, əslində istifadə etməyi planlaşdırdığımız dəyərə çox yaxındır. Buna baxmayaraq, test məqsədi ilə kifayətdir. Üç fərqli kapasitans dəyəri sınandı: 1F, 2.5F və 5F (paralel olaraq 2x 2.5F). Kondansatörlərin reytinqi aşağıdakı kimidir

• Kapasitans dəqiqliyi - 0% +100%
• Nominal gərginlik - 6V

• İstehsalçı hissəsi nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Ömrü - 2000 saat @ 65 ° C

Çıxış gərginliyini kondansatör gərginliyi ilə uyğunlaşdırmaq üçün minimal irəli gərginlik diodları istifadə olunur. Testdə VdiodeF2 = 0.22V diodlar, VdiodeF1 = 0.5V olan yüksək cərəyanlarla birlikdə tətbiq olunur.

Sadə LM2596 DC-DC çeviricisi IC istifadə olunur. Bu çox möhkəm bir IC və elastikliyə imkan verir. Test üçün fərqli yüklər planlaşdırılır: əsasən fərqli müqavimət yükü.

Güc sabitliyi üçün super kondansatörə paralel olan iki paralel 3.09kΩ rezistora ehtiyac var. Test dövrəsində super kondansatörlər açarlar vasitəsilə bağlanır və heç bir kondansatör bağlanmadıqda gərginlik çox yüksək ola bilər. Kondansatörləri qorumaq üçün onlara paralel olaraq 5.1V Zener diod qoyulur.

Yük üçün, 8.1kΩ rezistor və LED bir qədər yük təmin edir. Yüklənmə şəraitində gərginliyin istədiyindən daha yüksək ola biləcəyi qeyd edildi. Diodlar bəzi gözlənilməz davranışlara səbəb ola bilər.

Addım 3: nəzəri hesablamalar

Fərziyyələr:

• Sabit cərəyan - Iconst = 0.5A
• Vout @ elektrik kəsilməsi - Vout = 5.0V
• Diodlardan əvvəl kondansatör şarj gərginliyi - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Başlama gərginliyi (Vcap @ elektrik kəsilməsi) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ elektrik kəsilməsi - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Minimum Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Kondansatörün əhatə etməli olduğu minimum vaxt - T = 10 san

Kondansatör doldurma vaxtı (nəzəri): Şarj = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodlar + Bağlantılar

1F kondansatör üçün R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 ohm

C = 1.0F olarsa, yükləmə = 135 saniyə = 2.5 dəqiqə

C = 2.5F olarsa, Yükləmə = 337 saniyə = 5.7 dəqiqə

C = 5.0F olarsa, Yükləmə = 675 saniyə = 11 dəqiqə

Fərziyyələrə görə, sabit güc dərəcəsinin təxminən: W = I * V = 2.5W olduğunu fərz edə bilərik

Bir kondansatördə müəyyən bir enerji saxlaya bilərsiniz: W = 0.5 * C * V^2

Bu formuldan tutumu hesablamaq olar:

• X Saniyədə x Vatt çəkmək istəyirəm, nə qədər tutuma ehtiyacım var (Link) C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• X Saniyəyə x Amper çəkmək istəyirəm, nə qədər kapasitansa ehtiyacım var? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Kondansatör dəyərini 5F olaraq seçsək:

• Bu kondansatörü sabit bir cərəyanla doldurmaq/boşaltmaq nə qədər çəkəcək (Bağlantı)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 san
• Bu kondansatörü sabit bir gücə (W) doldurmaq/boşaltmaq nə qədər çəkəcək? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 saniyə

Bir Rcharge = 25ohm istifadə etsəniz, şarj cərəyanı olardı

Və şarj müddəti təxminən: Şarj = 625 saniyə = 10.5 dəqiqə

Addım 4: Praktik Ölçmələr

Fərqli konfiqurasiyalar və kapasitans dəyərləri test edildi. Sınağı asanlaşdırmaq üçün Arduino nəzarətli bir test qurğusu quruldu. Sxemlər əvvəlki rəqəmlərdə göstərilmişdir.

Üç fərqli gərginlik ölçüldü və nəticələr nəzəriyyəyə nisbətən uyğun gəlir. Yük cərəyanları diod reytinqindən xeyli aşağı olduğundan irəli gərginlik düşməsi bir qədər aşağı olur. Buna baxmayaraq, göründüyü kimi, ölçülmüş super kondansatör gərginliyi nəzəri hesablamalarla tam uyğun gəlir.

Aşağıdakı şəkildə, 2.5F kondansatörlü tipik bir ölçü görə bilərsiniz. Şarj müddəti nəzəri 340 saniyə ilə uyğun gəlir. 100 əlavə saniyədən sonra kondansatörün gərginliyi yalnız əlavə 0.03V yüksəlir, yəni fərq əhəmiyyətsizdir və ölçü xətası aralığında.

Otehr rəqəmində, elektrik kəsilməsindən sonra Vout çıxış gərginliyinin VdiodeF2 kondansatör gərginliyi Vcapdan kiçik olduğunu görmək olar. Fərq dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V -dir.

Ölçülmüş vaxtların xülasəsini əlavə edilmiş cədvəldə görmək olar. Göründüyü kimi nəticələr nəzəri hesablamalarla tam uyğun gəlmir. Ölçülən vaxtlar hesablanmış vaxtlardan daha yaxşıdır, yəni bəzi parazitlər hesablamalarda nəzərə alınmır. Qurulmuş dövrə baxarkən, bir neçə dəqiq müəyyən edilməmiş əlaqə nöqtəsinin olduğunu görə bilərsiniz. Bundan əlavə, hesablamalar yük davranışını yaxşı hesab etmir - gərginlik düşəndə cərəyan aşağı düşür. Buna baxmayaraq, nəticələr ümidverici və gözlənilən diapazondadır.

Addım 5: Bəzi təkmilləşdirmə imkanları

Super kondansatördən sonra diod əvəzinə bir gücləndirici çevirici istifadə edərsə, iş müddətini yaxşılaşdırmaq olar. Düşündük ki, buna baxmayaraq qiymət sadə bir dioddan daha yüksəkdir.

Super kondansatörün bir diodla doldurulması (mənim vəziyyətimdə iki diod), gərginliyin azalması deməkdir və xüsusi bir kondansatör şarj IC istifadə edildikdə çıxarıla bilər. Yenə də əsas narahatlıq qiymətdir.

Alternativ olaraq, yüksək tərəfli açarlar PNP açarı ilə birlikdə istifadə edilə bilər. Sürətli düşünülmüş mümkün bir həll aşağıdakılardan görünə bilər. Bütün açarlar 24V girişdən işləyən bir zener diodu ilə idarə olunur. Giriş gərginliyi diod zener voltajının altına düşərsə, PNP açarı AÇILIR və digər yüksək yan açarlar sönür. Bu dövrə sınaqdan keçirilmir və çox güman ki, bəzi əlavə (passiv) komponentlər tələb edir.

Addım 6: Nəticə

Ölçmələr hesablamalara çox uyğundur. Nəzəri hesablamaların istifadə oluna biləcəyini göstərmək-sürpriz-sürpriz. Xüsusi vəziyyətimizdə, verilən müddət ərzində kifayət qədər enerji təmin etmək üçün 2.5F -dən bir az çox kondansatörə ehtiyac var.

Ən başlıcası, kondansatörün şarj dövrəsi gözlənildiyi kimi işləyir. Dövrə sadə, ucuz və kifayətdir. Qeyd olunan bəzi çatışmazlıqlar var, lakin aşağı qiymət və sadəlik bunu kompensasiya edir.

Ümid edirik ki, bu kiçik xülasə kimsə üçün faydalı ola bilər.