Jak zrobić obwód ładowarki superkondensatora

Termin superkondensatory i jego możliwe zastosowanie w pojazdach elektrycznych, smartfonach i urządzeniach IoT są szeroko rozważane w ostatnich czasach, ale sam pomysł superkondensatora sięga 1957 roku, kiedy to po raz pierwszy eksperymentowano z General Electric w celu zwiększenia pojemności pamięci. kondensatory. Z biegiem lat technologia superkondensatorów znacznie się poprawiła i obecnie jest używana jako zapasowe baterie, banki energii słonecznej i inne zastosowania, w których wymagany jest krótki wzrost mocy. Wiele osób ma błędne przekonanie, by uważać superkondensatory za zamiennik baterii na dłuższą metę, ale przynajmniej przy dzisiejszej technologii superkondensatory to nic innego jak kondensatory o dużej pojemności ładowania, możesz dowiedzieć się więcej o superkondensatorach z naszych poprzednich artykułów.

W tym artykule dowiemy się, jak bezpiecznie ładować takie superkondensatory, projektując prosty obwód ładowarki, a następnie wykorzystując go do ładowania naszego superkondensatora, aby sprawdzić, jak dobrze trzyma energię. Podobnie jak w przypadku ogniw akumulatorowych, superkondensator można również łączyć w celu utworzenia baterii kondensatorów, podejście do ładowania baterii kondensatorów jest inne i wykracza poza zakres tego artykułu. Tutaj użyjemy prostego i powszechnie dostępnego superkondensatora monetowego 5,5 V 1F, który wygląda podobnie do ogniwa monetowego. Dowiemy się, jak ładować superkondensator typu monetowego i używać go w odpowiednich zastosowaniach.

Ładowanie superkondensatora

Porównując superkondensator niejasno z baterią, superkondensatory mają niską gęstość ładunku i gorszą charakterystykę samorozładowania, ale pod względem czasu ładowania, trwałości i cyklu ładowania superkondensatory przewyższają akumulatory. Opierając się na dostępności prądu ładowania, superkondensatory można ładować w mniej niż minutę, a przy prawidłowym obchodzeniu się z nimi mogą trwać dłużej niż dziesięć lat.

W porównaniu do akumulatorów superkondensatory mają bardzo niską wartość ESR (równoważna rezystancja szeregowa), co pozwala na przepływ większej wartości prądu do lub na zewnątrz kondensatora, umożliwiając jego szybsze ładowanie lub rozładowywanie dużym prądem. Jednak ze względu na zdolność do obsługi wysokiego prądu, superkondensator powinien być bezpiecznie ładowany i rozładowywany, aby zapobiec niekontrolowanemu zużyciu ciepła. Przy ładowaniu superkondensatora obowiązują dwie złote zasady, kondensator należy ładować z odpowiednią polaryzacją i napięciem nie przekraczającym 90% jego całkowitej pojemności napięciowej.

Obecne na rynku superkondensatory są zwykle przystosowane do napięcia 2,5 V, 2,7 V lub 5,5 V. Podobnie jak ogniwo litowe, kondensatory te muszą być połączone szeregowo i równolegle, aby utworzyć zestawy akumulatorów wysokiego napięcia. W przeciwieństwie do akumulatorów, kondensator po podłączeniu szeregowym będzie zsumował wzajemnie swoje całkowite napięcie znamionowe, co powoduje konieczność dodania większej liczby kondensatorów w celu utworzenia zestawów akumulatorów o przyzwoitej wartości. W naszym przypadku mamy kondensator 5,5 V 1F, więc napięcie ładowania powinno wynosić 90% z 5,5, czyli gdzieś w okolicach 4,95 V.

Energia zmagazynowana w superkondensatorze

Używając kondensatorów jako elementów magazynujących energię do zasilania naszych urządzeń, ważne jest, aby określić energię zgromadzoną w kondensatorze, aby przewidzieć, jak długo urządzenie może być zasilane. Wzory do obliczania energii zmagazynowanej w kondensatorze można podać ze wzoru E = 1 / 2CV ². Tak więc w naszym przypadku dla kondensatora 5,5 V 1F po pełnym naładowaniu zgromadzona energia będzie

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 dżuli

Teraz, używając tej wartości , możemy obliczyć, jak długo kondensator może zasilać rzeczy, na przykład, jeśli potrzebujemy 500 mA przy 5 V przez 10 sekund. Następnie energię potrzebną dla tego urządzenia można obliczyć za pomocą wzorów Energia = Moc x czas. Tutaj moc jest obliczana przez P = VI, więc dla 500 mA i 5 V moc wynosi 2,5 W.

Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 watogodzina lub 25 dżuli

Z tego możemy wywnioskować, że będziemy potrzebować co najmniej dwóch takich kondensatorów równolegle (15 + 15 = 30), aby uzyskać pakiet mocy 30 J, który wystarczy na zasilenie naszego urządzenia przez 10 sekund.

Identyfikacja polaryzacji na superkondensatorze

Jeśli chodzi o kondensatory i baterie, należy bardzo uważać na ich biegunowość. Kondensator z odwrotną polaryzacją najprawdopodobniej będzie się nagrzewał i topił, a czasami pękał w najgorszym przypadku. Kondensator, który mamy, jest typu monety, którego polaryzacja jest oznaczona małą białą strzałką, jak pokazano poniżej.

Zakładam, że kierunek strzałki wskazuje kierunek prądu. Możesz o tym myśleć tak, jakby prąd zawsze płynął od dodatniego do ujemnego, a zatem strzałka zaczyna się od strony dodatniej i wskazuje w stronę ujemną. Gdy już znasz polaryzację i jeśli chcesz go naładować, możesz nawet użyć RPS, ustawić go na 5,5 V (lub 4,95 V dla bezpieczeństwa), a następnie podłączyć dodatni przewód RPS do dodatniego styku i ujemny do ujemnego pinu i powinieneś zobaczyć ładowanie kondensatora.

Na podstawie aktualnej wartości znamionowej RPS można zauważyć, że kondensator ładuje się w ciągu kilku sekund, a gdy osiągnie 5,5 V, przestanie pobierać prąd. Ten w pełni naładowany kondensator może być teraz używany w odpowiednich zastosowaniach, zanim ulegnie samorozładowaniu.

Zamiast używać RPS w tym samouczku , zbudujemy ładowarkę, która reguluje napięcie 5,5 V z adaptera 12 V i użyjemy jej do ładowania superkondensatora. Napięcie kondensatora będzie monitorowane za pomocą komparatora wzmacniacza operacyjnego, a po naładowaniu kondensatora obwód automatycznie odłączy superkondensator od źródła napięcia. Brzmi interesująco, więc zaczynajmy.

Wymagane materiały

Adapter 12V
LM317 Regulator napięcia IC
LM311
IRFZ44N
Tranzystor BC557 PNP
DOPROWADZIŁO
Rezystor
Kondensator

Schemat obwodu

Pełny schemat obwodu dla tego obwodu ładowarki superkondensatora przedstawiono poniżej. Obwód został narysowany za pomocą oprogramowania Proteus, symulacja tego samego zostanie pokazana później.

Układ zasilany jest z zasilacza 12V; następnie używamy LM317 do regulacji napięcia 5,5 V do ładowania naszego kondensatora. Ale to 5,5 V będzie dostarczane do kondensatora przez MOSFET działający jako przełącznik. Ten przełącznik zamknie się tylko wtedy, gdy napięcie kondensatora spadnie poniżej 4,86 V, gdy kondensator zostanie naładowany i wzrośnie napięcie, przełącznik otworzy się i zapobiegnie dalszemu ładowaniu akumulatora. To porównanie napięcia odbywa się za pomocą wzmacniacza operacyjnego, a także używamy tranzystora BC557 PNP do świecenia diody LED po zakończeniu procesu ładowania. Schemat obwodu pokazany powyżej jest podzielony na segmenty poniżej w celu wyjaśnienia.

Regulacja napięcia LM317:

Rezystor R1 i R2 służy do decydowania o napięciu wyjściowym regulatora LM317 na podstawie wzorów Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Tutaj użyliśmy wartości 1k i 3,3k, aby wyregulować napięcie wyjściowe 5,3 V, które jest wystarczająco bliskie 5,5 V. Możesz skorzystać z naszego kalkulatora online, aby obliczyć żądane napięcie wyjściowe na podstawie dostępnej wartości rezystora.

Komparator wzmacniacza operacyjnego:

Użyliśmy układu scalonego komparatora LM311 do porównania wartości napięcia superkondensatora ze stałym napięciem. To stałe napięcie jest dostarczane do pinu nr 2 za pomocą obwodu dzielnika napięcia. Rezystory 2,2k i 1,5k obniżają napięcie 4,86V z 12V. To 4,86 V jest porównywane z napięciem odniesienia (napięciem kondensatora), które jest podłączone do pinu 3. Gdy napięcie odniesienia jest mniejsze niż 4,86 V, pin wyjściowy 7 osiągnie stan wysoki z 12 V z rezystorem podciągającym 10k. To napięcie będzie następnie używane do napędzania tranzystora MOSFET.

MOSFET i BC557:

IRFZ44N MOSFET jest używany do podłączenia kondensatora do napięcia ładowania na podstawie sygnału z op-amp. Kiedy wzmacniacz operacyjny osiąga stan wysoki, wysyła 12 V na styk 7, który włącza tranzystor MOSFET przez swój pin bazowy, podobnie, gdy wzmacniacz operacyjny osiąga stan niski (0 V), MOSFET zostanie otwarty. Mamy również tranzystor PNP BC557, który włączy diodę LED, gdy MOSFET jest wyłączony, wskazując, że napięcie kondensatora jest większe niż 4,8V.

Symulacja obwodu ładowarki superkondensatora

Aby zasymulować obwód, wymieniłem baterię na zmienny rezystor, aby zapewnić zmienne napięcie na pinie 3 wzmacniacza operacyjnego. Super kondensator jest zastąpiony diodą LED, która pokazuje, czy jest zasilany, czy nie. Wynik symulacji można znaleźć poniżej.

Jak widać przy użyciu sond napięciowych, gdy napięcie na pinie odwracającym jest niskie niż na pinie nieodwracającym, wzmacniacz operacyjny przechodzi w stan wysoki z 12 V na pinie 7, który włącza tranzystor MOSFET i ładuje kondensator (żółta dioda LED). To 12 V również wyzwala tranzystor BC557, aby wyłączyć zieloną diodę LED. Gdy napięcie kondensatora (potencjometru) wzrośnie, zaświeci się zielona dioda LED, ponieważ wzmacniacz operacyjny wyprowadza napięcie 0 V, jak pokazano powyżej.

Sprzętowa ładowarka superkondensatorów

Obwód jest dość prosty i można go zbudować na płytce stykowej, ale zdecydowałem się użyć płytki Perf, aby móc ponownie wykorzystać obwód w przyszłości przy każdej próbie naładowania mojego superkondensatora. Zamierzam również używać go razem z panelem słonecznym do projektów przenośnych, dlatego starałem się zbudować go tak mały i sztywny, jak to tylko możliwe. Mój cały obwód po lutowaniu na kropkowanej płytce pokazano poniżej.

Dwie żeńskie laski berg mogą być stukane za pomocą szpilek krokodylkowych do ładowania kondensatora. Żółta dioda LED sygnalizuje zasilanie modułu, a niebieska dioda LED wskazuje stan ładowania. Po zakończeniu ładowania dioda LED zaświeci się, w przeciwnym razie pozostanie wyłączona. Gdy obwód będzie gotowy, po prostu podłącz kondensator i powinieneś zobaczyć, że niebieska dioda LED zgaśnie, a po pewnym czasie ponownie podniesie się, wskazując, że proces ładowania jest zakończony. Poniżej możesz zobaczyć tablicę w stanie naładowania i naładowania.

Cała praca jest dostępna w filmie podanym na dole tej strony, jeśli masz jakiekolwiek problemy z jego działaniem, napisz je w sekcji komentarzy lub skorzystaj z naszych forów, aby uzyskać inne pytania techniczne.

Design Improvements

Podany tutaj projekt obwodu jest prymitywny i działa zgodnie z przeznaczeniem; Kilka obowiązkowych ulepszeń, które zauważyłem po kompilacji, jest omówionych tutaj. BC557 nagrzewa się z powodu napięcia 12 V na podstawie i nadajniku, więc zamiast BC557 należy zastosować diodę wysokiego napięcia.

Po drugie, podczas ładowania kondensatorów komparator napięcia mierzy zmianę napięcia, ale gdy MOSFET wyłącza się po naładowaniu, wzmacniacz operacyjny wyczuwa niskie wzmocnienie napięcia i ponownie włącza tranzystor FET, proces ten jest powtarzany kilka razy, zanim wzmacniacz operacyjny całkowicie się wyłączy. Obwód zatrzaskowy na wyjściu wzmacniacza operacyjnego rozwiąże problem.