სუპერ კონდენსატორის UPS: 6 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

პროექტისთვის მთხოვეს დავგეგმე სარეზერვო ენერგიის სისტემა, რომელსაც შეეძლო მიკროკონტროლის გაშვება ენერგიის დაკარგვიდან დაახლოებით 10 წამის შემდეგ. იდეა ისაა, რომ ამ 10 წამის განმავლობაში კონტროლერს აქვს საკმარისი დრო

• შეწყვიტე რასაც აკეთებს
• შეინახეთ არსებული მდგომარეობა მეხსიერებაში
• გაგზავნეთ ენერგიის დაკარგვის შეტყობინება (IoT)
• გადადის ლოდინის რეჟიმში და ელოდება ენერგიის დაკარგვას

ნორმალური ოპერაცია იწყება მხოლოდ გადატვირთვის შემდეგ. ჯერ კიდევ საჭიროა გარკვეული დაგეგმვა, რა შეიძლება იყოს პროცედურა, თუ ძალა დაუბრუნდება ამ 10 წამის განმავლობაში. თუმცა, ჩემი ამოცანა იყო ფოკუსირება ელექტროენერგიის მიწოდებაზე.

უმარტივესი გამოსავალი შეიძლება იყოს გარე UPS– ის გამოყენება ან მსგავსი რამ. ცხადია, ეს ასე არ არის და ჩვენ გვჭირდებოდა რაღაც ბევრად იაფი და პატარა. დანარჩენი გადაწყვეტილებები იყენებს ბატარეას ან სუპერ კონდენსატორს. ზუსტად შეფასების პროცესში ვნახე მშვენიერი YouTube ვიდეო მსგავსი თემაზე: ბმული.

გარკვეული მოსაზრებების შემდეგ, სუპერ კონდენსატორის წრე ჟღერდა როგორც საუკეთესო გამოსავალი ჩვენთვის. ის ოდნავ უფრო მცირეა ვიდრე ბატარეა (ჩვენ გვინდა გამოვიყენოთ ძალიან ფართოდ გამოყენებული კომპონენტები, თუმცა მე პირადად არ ვარ დარწმუნებული არის თუ არა ზომის ზუსტი მიზეზი), მოითხოვს ნაკლებ კომპონენტებს (რაც ნიშნავს- ეს იაფია) და რაც მთავარია- ის ბევრად უკეთ ჟღერს ვიდრე ბატარეა (არაინჟინერებთან მუშაობის შედეგები).

შეიქმნა საცდელი კონფიგურაცია თეორიის შესამოწმებლად და გასაკონტროლებლად მუშაობს თუ არა სუპერკონდენსატორების დატენვის სისტემები ისე, როგორც უნდა.

ეს ინსტრუქცია უფრო მეტს აჩვენებს რა გაკეთდა ვიდრე განმარტავს როგორ გავაკეთოთ ეს.

ნაბიჯი 1: სისტემის აღწერა

სისტემის არქიტექტურა ჩანს ფიგურაში. პირველი, 230VAC გარდაიქმნება 24VDC- ში, რომ 5VDC და საბოლოოდ მიკროკონტროლერის წრე მუშაობს 3.3V. იდეალურ შემთხვევაში, თქვენ შეგიძლიათ აღმოაჩინოთ ელექტროენერგიის გათიშვა უკვე ქსელის დონეზე (230VAC). სამწუხაროდ, ჩვენ არ შეგვიძლია ამის გაკეთება. ამიტომ, ჩვენ უნდა შევამოწმოთ არის თუ არა ძალა კვლავ 24VDC- ზე. ამის მსგავსად, თქვენ არ შეგიძლიათ გამოიყენოთ AC/DC კვების ბლოკის კონდენსატორები. მიკროკონტროლი და ყველა სხვა მნიშვნელოვანი ელექტრონიკა არის 3.3V. გადაწყდა, რომ ჩვენს შემთხვევაში 5V სარკინიგზო არის საუკეთესო ადგილი სუპერკონდენსატორის დასამატებლად. როდესაც კონდენსატორის ძაბვა ნელ -ნელა იშლება, მიკროკონტროლერს შეუძლია კვლავ იმუშაოს 3.3 ვ -ზე.

მოთხოვნები:

• მუდმივი დენი - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• მინიმალური ძაბვა (მინ. დასაშვები ძაბვა @ 5V სარკინიგზო) - Vend = 3.0V
• კონდენსატორის დასაფარად მინიმალური დრო - T = 10 წმ

არსებობს რამდენიმე სპეციალური სუპერ კონდენსატორის დამტენი IC, რომელსაც შეუძლია კონდენსატორის ძალიან სწრაფად დატენვა. ჩვენს შემთხვევაში, დატენვის დრო არ არის კრიტიკული. ამდენად, უმარტივესი დიოდ-რეზისტორული წრე საკმარისია. ეს წრე არის მარტივი და იაფი გარკვეული ნაკლოვანებებით. დატენვის დროის საკითხი უკვე აღინიშნა. თუმცა, მთავარი მინუსი ის არის, რომ კონდენსატორი არ არის დამუხტული მის სრულ ძაბვაზე (დიოდური ძაბვის ვარდნა). მიუხედავად ამისა, დაბალ ძაბვას შეუძლია მოგვცეს პოზიტიური მხარეებიც.

სუპერ კონდენსატორის სიცოცხლის ხანგრძლივობის მრუდი AVX SCM სერიის მონაცემთა ცხრილში (ბმული) შეგიძლიათ ნახოთ მოსალოდნელი სიცოცხლის ხანგრძლივობა ოპერაციული ტემპერატურისა და გამოყენებული ძაბვის წინააღმდეგ. თუ კონდენსატორს აქვს დაბალი ძაბვის მნიშვნელობა, მოსალოდნელი სიცოცხლის ხანგრძლივობა იზრდება. ეს შეიძლება იყოს მომგებიანი, რადგან შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაბალი ძაბვის კონდენსატორი. ეს ჯერ კიდევ გასარკვევია.

როგორც ნაჩვენებია გაზომვებში, კონდენსატორის სამუშაო ძაბვა იქნება დაახლოებით 4.6V-4.7V-80% Vrated.

ნაბიჯი 2: საცდელი წრე

გარკვეული შეფასების შემდეგ, AVX სუპერ კონდენსატორები შეირჩა შესამოწმებლად. შემოწმებულები შეფასებულია 6V– ზე. ეს სინამდვილეში ძალიან ახლოს არის იმ ღირებულებასთან, რომლის გამოყენებასაც ვგეგმავთ. მიუხედავად ამისა, ტესტირების მიზნით ეს საკმარისია. შემოწმდა სამი განსხვავებული სიმძლავრის მნიშვნელობა: 1F, 2.5F და 5F (2x 2.5F პარალელურად). კონდენსატორების რეიტინგი შემდეგია

• ტევადობის სიზუსტე - 0% +100%
• ნომინალური ძაბვა - 6V

• მწარმოებელი ნაწილი nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• სიცოცხლის ხანგრძლივობა - 2000 სთ. 65 ° C

კონდენსატორის ძაბვასთან გამომავალი ძაბვის შესატყვისად გამოიყენება მინიმალური წინა ძაბვის დიოდები. ტესტში VdiodeF2 = 0.22V დიოდები ხორციელდება მაღალი დინებთან ერთად VdiodeF1 = 0.5V.

გამოიყენება მარტივი LM2596 DC-DC გადამყვანი IC. ეს არის ძალიან ძლიერი IC და იძლევა მოქნილობას. ტესტირებისთვის დაიგეგმა სხვადასხვა დატვირთვა: ძირითადად განსხვავებული რეზისტენტული დატვირთვა.

სუპერ კონდენსატორის პარალელურად ორი პარალელური 3.09kΩ რეზისტორი საჭიროა ძაბვის სტაბილურობისთვის. საცდელ წრეში სუპერ კონდენსატორები დაკავშირებულია კონცენტრატორებით და თუკი არცერთი კონდენსატორი არ არის დაკავშირებული, ძაბვა შეიძლება იყოს ძალიან მაღალი. კონდენსატორების დასაცავად მათ პარალელურად მოთავსებულია 5.1V ზენერის დიოდი.

დატვირთვისთვის, 8.1kΩ რეზისტორი და LED უზრუნველყოფენ გარკვეულ დატვირთვას. შენიშნეს, რომ დატვირთვის გარეშე ძაბვა შეიძლება უფრო მაღალი იყოს ვიდრე სურდა. დიოდებმა შეიძლება გამოიწვიოს მოულოდნელი ქცევა.

ნაბიჯი 3: თეორიული გათვლები

ვარაუდები:

• მუდმივი დენი - Iconst = 0.5A
• Vout @ დენის გათიშვა - Vout = 5.0V
• კონდენსატორის დატენვის ძაბვა დიოდების წინ - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• დაწყების ძაბვა (Vcap @ დენის უკმარისობა) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ დენის გათიშვა - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• მინიმალური Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• კონდენსატორის დასაფარად მინიმალური დრო - T = 10 წმ

კონდენსატორის დატენვის დრო (თეორიული): დატენვა = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F კონდენსატორისთვის ეს არის R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 Ohm

თუ C = 1.0F, დატენვა = 135 წამი = 2.5 წუთი

თუ C = 2.5F, დატენვა = 337 წმ = 5.7 წუთი

თუ C = 5.0F, დატენვა = 675 წმ = 11 წუთი

ვარაუდებიდან შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ მუდმივი სიმძლავრის რეიტინგი არის დაახლოებით.: W = I * V = 2.5W

კონდენსატორში შეგიძლიათ შეინახოთ გარკვეული რაოდენობის ენერგია: W = 0.5 * C * V^2

ამ ფორმულის მიხედვით, მოცულობა შეიძლება გამოითვალოს:

• მინდა x ვატი დავხატო t წამში, რამდენი ტევადობა მჭირდება (ბმული)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• მინდა x წამყვანი დავხატო t წამში, რამდენი ტევადობა მჭირდება? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

თუ ჩვენ ვირჩევთ კონდენსატორის მნიშვნელობას 5F:

• რამდენი დრო დასჭირდება ამ კონდენსატორის მუდმივი დენით დატენვას/განტვირთვას? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 წმ
• რამდენი დრო დასჭირდება ამ კონდენსატორის მუდმივი სიმძლავრის (W) დატენვას?

თუ იყენებთ Rcharge = 25 Ohm, დატენვის დენი იქნება

დატენვის დრო დაახლოებით: დატენვა = 625 წამი = 10.5 წუთი

ნაბიჯი 4: პრაქტიკული გაზომვები

შემოწმდა სხვადასხვა კონფიგურაცია და ტევადობის მნიშვნელობა. ტესტირების გასაადვილებლად შეიქმნა არდუინოს კონტროლირებადი ტესტის კონფიგურაცია. სქემები ნაჩვენებია წინა ფიგურებში.

სამი განსხვავებული ძაბვა იზომება და შედეგები შედარებით კარგად ერგება თეორიას. ვინაიდან დატვირთვის დენები დიოდის რეიტინგზე გაცილებით დაბალია, წინა ძაბვის ვარდნა ოდნავ დაბალია. მიუხედავად ამისა, როგორც ჩანს, გაზომილი სუპერკონდენსატორის ძაბვა ზუსტად ემთხვევა თეორიულ გამოთვლებს.

შემდეგ ფიგურაში შეგიძლიათ ნახოთ ტიპიური გაზომვა 2.5F კონდენსატორთან. დატენვის დრო კარგად ჯდება 340 წმ თეორიულ ღირებულებასთან. 100 დამატებითი წამის შემდეგ კონდენსატორის ძაბვა მხოლოდ 0,03 ვ გაიზარდა, რაც ნიშნავს რომ განსხვავება უმნიშვნელოა და გაზომვის შეცდომების დიაპაზონშია.

ოთერის ფიგურაზე ჩანს, რომ დენის გათიშვის შემდეგ გამომავალი ძაბვა Vout არის VdiodeF2 უფრო მცირე ვიდრე კონდენსატორის ძაბვა Vcap. განსხვავება არის dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

გაზომილი დროის შეჯამება შეგიძლიათ იხილოთ თანდართულ ცხრილში. როგორც ჩანს, შედეგები ზუსტად არ შეესაბამება თეორიულ გამოთვლებს. გაზომილი დრო უმეტესად უკეთესია ვიდრე გამოთვლილი, რაც იმას ნიშნავს, რომ ზოგიერთი წარმოქმნილი პარაზიტი არ იქნა გათვალისწინებული გამოთვლებში. ჩაშენებული მიკროსქემის დათვალიერებისას შეიძლება შეამჩნიოთ, რომ არსებობს რამდენიმე არა კარგად განსაზღვრული კავშირის წერტილი. გარდა ამისა, გათვლები კარგად არ ითვალისწინებს დატვირთვის ქცევას - როდესაც ძაბვა ეცემა, დენი იკლებს. მიუხედავად ამისა, შედეგები დამაიმედებელია და მოსალოდნელ დიაპაზონშია.

ნაბიჯი 5: გაუმჯობესების ზოგიერთი შესაძლებლობა

შეიძლება გაუმჯობესდეს საოპერაციო დრო, თუ გამოიყენებს გამაძლიერებელ გადამყვანს დიოდის ნაცვლად სუპერ კონდენსატორის შემდეგ. ჩვენ განვიხილეთ, რომ, მიუხედავად ამისა, ფასი უფრო მაღალია, ვიდრე უბრალო დიოდი აქვს.

დიოდის საშუალებით სუპერ კონდენსატორის დატენვა (ჩემს შემთხვევაში ორი დიოდი) ნიშნავს ძაბვის ვარდნას და ის შეიძლება მოიხსნას, თუ სპეციალური კონდენსატორის დამტენი IC გამოიყენება. ისევ და ისევ, ფასი არის მთავარი საზრუნავი.

გარდა ამისა, მაღალი გვერდითი კონცენტრატორები შეიძლება გამოყენებულ იქნას PNP გადამრთველთან ერთად. სწრაფი აზრის შესაძლო გადაწყვეტა შეიძლება ნახოთ შემდეგში. ყველა კონცენტრატორი კონტროლდება ზენერის დიოდის საშუალებით, რომელიც იკვებება 24 ვ შეყვანისგან. თუ შეყვანის ძაბვა დაეცემა დიოდური ზენერის ძაბვის ქვემოთ, PNP გადამრთველი ჩართულია და სხვა მაღალი გვერდითი გადამრთველები გამორთულია. ეს წრე არ არის დატესტილი და სავარაუდოდ მოითხოვს დამატებით (პასიურ) კომპონენტებს.

ნაბიჯი 6: დასკვნა

გაზომვები საკმაოდ კარგად შეესაბამება გამოთვლებს. აჩვენებს, რომ თეორიული გათვლები შეიძლება გამოყენებულ იქნას-სიურპრიზი-სიურპრიზი. ჩვენს განსაკუთრებულ შემთხვევაში, 2.5F- ზე ცოტა მეტი კონდენსატორი საჭიროა მოცემული პერიოდისათვის საკმარისი რაოდენობის ენერგიის უზრუნველსაყოფად.

რაც მთავარია, კონდენსატორის დატენვის წრე მუშაობს ისე, როგორც მოსალოდნელი იყო. წრე არის მარტივი, იაფი და საკმარისი. არსებობს გარკვეული უარყოფითი მხარეები, თუმცა დაბალი ფასი და სიმარტივე ანაზღაურებს ამას.

ვიმედოვნებთ, რომ ეს მცირე შინაარსი შეიძლება ვინმესთვის სასარგებლო იყოს.