Super Capacitor UPS: 6 na Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Para sa isang proyekto, tinanong akong magplano ng isang backup na system ng kuryente na mapapanatili ang microcontroller na tumatakbo mga 10 segundo pagkatapos ng pagkawala ng kuryente. Ang ideya ay na sa loob ng 10 segundo na ito ng controller ay may sapat na oras upang

• Itigil ang anumang ginagawa nito
• I-save ang kasalukuyang estado sa memorya
• Ipadala ang mensahe ng pagkawala ng kuryente (IoT)
• Ginagawang standby mode at hinihintay ang pagkawala ng kuryente

Nagsisimula lamang ang normal na operasyon pagkatapos ng isang restart. Mayroon pa ring ilang kinakailangan sa pagpaplano kung ano ang maaaring maging pamamaraan kung bumalik ang kuryente sa loob ng 10 segundo na ito. Gayunpaman, ang aking gawain ay mag-focus sa supply ng kuryente.

Ang pinakasimpleng solusyon ay maaaring ang paggamit ng isang panlabas na UPS o isang bagay na tulad nito. Malinaw na, hindi iyon ang kaso at kailangan namin ng isang bagay na mas mura at mas maliit. Ang natitirang mga solusyon ay gumagamit ng isang baterya o isang sobrang kapasitor. Eksakto sa proseso ng pagsusuri, nakakita ako ng isang magandang video sa YouTube tungkol sa katulad na paksa: Link.

Pagkatapos ng ilang pagsasaalang-alang, ang circuit ng super capacitor ay tunog bilang pinakamahusay na solusyon para sa amin. Ito ay bahagyang mas maliit kaysa sa baterya (nais naming gumamit ng napakalawak na ginamit na mga bahagi, kahit na ako ay hindi sigurado kung ang laki ng dahilan ay totoong totoo), nangangailangan ng mas kaunting mga sangkap (ibig sabihin - mas mura ito) at pinakamahalaga- mas mahusay itong tunog kaysa sa isang baterya (kahihinatnan ng pagtatrabaho sa mga hindi inhinyero).

Ang isang pagsubok na setup ay binuo upang subukan ang teorya at upang makontrol kung ang mga super capacitor na sistema ng pagsingil ay gumagana tulad ng dapat.

Ang Tagubilin na Ito ay nagpapakita ng higit pa kung ano ang nagawa kaysa ipaliwanag kung paano ito gawin.

Hakbang 1: Ang Paglalarawan ng System

Ang arkitektura ng system ay maaaring makita sa pigura. Una, ang 230VAC ay nai-convert sa 24VDC na sa 5VDC at sa huli ang microcontroller circuit ay tumatakbo sa 3.3V. Sa perpektong kaso, maaaring makita ng isa ang pagkabigo ng kuryente sa antas ng grid (230VAC). Sa kasamaang palad, hindi namin magawa iyon. Samakatuwid, kailangan nating suriin kung ang kuryente ay nandoon pa rin sa 24VDC. Tulad nito, hindi maaaring gamitin ng isang AC / DC ang mga capacitor ng storage ng power supply. Ang microcontroller at lahat ng iba pang mahahalagang electronics ay nasa 3.3V. Napagpasyahan na sa aming kaso ang 5V rail ay ang pinakamahusay na lugar upang idagdag ang sobrang kapasitor. Kapag ang boltahe ng capacitor ay mabagal mabulok, ang microcontroller ay maaari pa ring gumana sa 3.3V.

Mga Kinakailangan:

• Patuloy na kasalukuyang - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Minimum na boltahe (min. Pinapayagan na boltahe @ 5V rail) - Vend = 3.0V
• Minimum na oras na kailangang masakop ng capacitor - T = 10 sec

Mayroong maraming mga espesyal na sobrang kapasitor na singilin ang mga IC-s na magagamit na maaaring singilin ang kapasitor nang napakabilis. Sa aming kaso, ang oras ng pagsingil ay hindi kritikal. Sa gayon, sapat ang isang pinakasimpleng circuit ng diode-resistor. Ang circuit na ito ay simple at mura na may ilang mga drawbacks. Nabanggit na ang isyu sa oras ng pagsingil. Gayunpaman, ang pangunahing sagabal ay ang capacitor ay hindi sisingilin sa buong boltahe (drop ng boltahe ng diode). Gayunpaman, ang mas mababang boltahe ay maaaring magdala sa amin ng ilang mga positibong panig din.

Sa inaasahan ng Super capacitor habang buhay na curve mula sa AVX SCM Series datasheet (link) na makikita ng isa ang inaasahang habang buhay kumpara sa operating temperatura at ang inilapat na boltahe. Kung ang capacitor ay may mas mababang halaga ng boltahe, ang inaasahang habang buhay ay tumataas. Maaari itong maging kapaki-pakinabang dahil maaaring magamit ang mas mababang boltahe na capacitor. Kailangan pang linawin iyon.

Tulad ng ipapakita sa mga sukat ang capacitor ng operating capacitor ay nasa paligid ng 4.6V-4.7V - 80% Vrated.

Hakbang 2: Circuit ng Pagsubok

Pagkatapos ng ilang pagsusuri, napili ang AVX super capacitors para sa pagsubok. Ang mga nasubok ay na-rate para sa 6V. Iyon ay talagang napakalapit sa halagang pinaplano naming gamitin. Gayunpaman, para sa layunin ng pagsubok ay sapat na. Tatlong magkakaibang mga halaga ng capacitance ang nasubok: 1F, 2.5F at 5F (2x 2.5F sa parallel). Ang rating ng mga capacitor ay sumusunod

• Katumpakan ng kapasidad - 0% + 100%
• Na-rate na boltahe - 6V

• Tagagawa bahagi nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Habambuhay - 2000 Hrs @ 65 ° C

Upang maitugma ang boltahe ng output gamit ang boltahe ng capacitor ay ginagamit ang minimal na mga forward diode ng boltahe na diode. Sa pagsubok VdiodeF2 = 0.22V diodes ay ipinatupad kasama ang mataas na kasalukuyang mga may VdiodeF1 = 0.5V.

Ginagamit ang simpleng LM2596 DC-DC converter IC. Napakalakas na IC at pinapayagan ang kakayahang umangkop. Para sa pagsubok ng iba't ibang mga pag-load ay pinlano: higit sa lahat magkakaibang resistive load.

Ang dalawang parallel 3.09kΩ resistors kahilera sa sobrang kapasitor ay kinakailangan para sa katatagan ng boltahe. Sa circuit ng pagsubok ang mga super capacitor ay konektado sa pamamagitan ng mga switch at kung wala sa mga capacitor ay nakakonekta ang boltahe ay maaaring maging masyadong mataas. Upang maprotektahan ang mga capacitor isang 5.1V Zener diode ay inilalagay parallel sa kanila.

Para sa pag-load, ang resistor na 8.1kΩ at ang LED ay nagbibigay ng ilang pagkarga. Napansin na ang walang kundisyon ng pag-load ang boltahe ay maaaring mas mataas kaysa sa gusto. Ang mga diode ay maaaring maging sanhi ng ilang hindi inaasahang pag-uugali.

Hakbang 3: Mga Pagkalkula sa Teoretikal

Mga palagay:

• Patuloy na kasalukuyang - Iconst = 0.5A
• Vout @ power failure - Vout = 5.0V
• Ang boltahe ng pagsingil ng capacitor bago ang mga diode - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Simulang boltahe (Vcap @ power failure) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ power failure - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Minimum Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimum na oras na kailangang masakop ng capacitor - T = 10 sec

Oras upang singilin ang isang kapasitor (panteorya): Pag-charge = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Para sa 1F capacitor ito ay R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27ohm

Kung C = 1.0F, Pag-charge = 135 sec = 2.5 minuntes

Kung C = 2.5F, Pag-charge = 337 sec = 5.7 minuto

Kung C = 5.0F, Pag-charge = 675 sec = 11 minuntes

Mula sa mga pagpapalagay, maaari nating ipalagay na ang pare-pareho ang rating ng kuryente ay tinatayang.: W = I * V = 2.5W

Sa isang kapasitor, maaaring maiimbak ng isang tiyak na dami ng enerhiya: W = 0.5 * C * V ^ 2

Mula sa formula na ito, maaaring makalkula ang capacitance:

• Gusto kong gumuhit ng x Watts para sa mga Segundo, gaano karaming kapasidad ang kailangan ko (Link)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Gusto kong gumuhit ng x Amps para sa mga Segundo, gaano karaming kapasidad ang kailangan ko? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Kung pipiliin natin ang halaga ng capacitor na maging 5F:

• Gaano katagal aabutin / i-debit ang capacitor na ito na may pare-pareho na kasalukuyang (Link)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11.0 sec
• Gaano katagal aabutin / i-debit ang capacitor na ito na may pare-pareho na kapangyarihan (W)? Tdischarge = 0.5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8.47 sec

Kung gumagamit ng isang Rcharge = 25ohm magiging kasalukuyang ang singilin

At ang oras ng singil na humigit-kumulang: Pag-charge = 625 sec = 10.5 minuto

Hakbang 4: Mga Praktikal na Pagsukat

Iba't ibang mga pagsasaayos at halaga ng capacitance ang nasubok. Upang gawing simple ang pagsubok ng isang Arduino kinokontrol na setup ng pagsubok ay binuo. Ang mga eskematiko ay ipinapakita sa nakaraang mga numero.

Tatlong magkakaibang boltahe ang sinusukat at ang mga resulta ay umaangkop nang maayos sa teorya. Dahil ang mga alon sa pag-load ay mas mababa kaysa sa rating ng diode ang pagbaba ng boltahe ng pasulong ay bahagyang mas mababa. Gayunpaman, tulad ng makikita ang sinusukat na sobrang kapasitor ng boltahe ng capacitor ay eksaktong tumutugma sa mga kalkulasyon ng teoretikal.

Sa sumusunod na pigura, maaaring makita ng isang tipikal na pagsukat na may 2.5F capacitor. Ang oras ng pagsingil ay umaangkop nang maayos sa teoretikal na halaga ng 340sec. Pagkatapos ng 100 karagdagang segundo ang capacitor boltahe ay tumataas lamang ng karagdagang 0.03V, nangangahulugang ang pagkakaiba ay bale-wala at sa saklaw ng error sa pagsukat.

Sa otehr figure, makikita ng isa na pagkatapos ng kabiguan ng kuryente ang output voltage Vout ay VdiodeF2 na mas maliit kaysa sa capacitor volt Vcap. Ang pagkakaiba ay dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Ang isang buod ng mga sinusukat na oras ay maaaring makita sa nakalakip na talahanayan. Tulad ng makikita ang mga resulta ay hindi umaangkop nang eksakto sa mga pagkalkula ng panteorya. Ang mga sinusukat na oras ay halos mas mahusay kaysa sa mga kinakalkula, na nangangahulugang ang ilang mga nagresultang parasitics ay hindi isinasaalang-alang sa mga kalkulasyon. Kapag tinitingnan ang built circuit ay maaaring mapansin ng maraming mga hindi natukoy nang maayos na mga puntos ng koneksyon. Bilang karagdagan, ang mga kalkulasyon ay hindi isinasaalang-alang nang maayos ang pag-uugali ng pag-load - kapag ang boltahe ay bumaba ang kasalukuyang bumaba. Gayunpaman, ang mga resulta ay maaasahan at nasa inaasahang saklaw.

Hakbang 5: Ilang Mga Posibilidad ng Pagpapabuti

Maaaring mapabuti ng isa ang oras ng pagpapatakbo kung gumagamit ang isang boost converter sa halip na ang diode pagkatapos ng sobrang kapasitor. Isinasaalang-alang namin iyon, gayunpaman ang presyo ay mas mataas kaysa sa isang simpleng diode.

Ang pagsingil ng sobrang kapasitor sa pamamagitan ng isang diode (sa aking kaso dalawang diode) ay nangangahulugang pagbagsak ng boltahe at maaaring alisin iyon kung gagamitin ang isang espesyal na capacitor na nagcha-charge ng IC. Muli, ang presyo ang pangunahing alalahanin.

Bilang kahalili, ang isang mataas na switch sa gilid ay maaaring magamit kasama ng isang switch ng PNP. Ang isang mabilis na naisip na posibleng solusyon ay maaaring makita sa mga sumusunod. Ang lahat ng mga switch ay kinokontrol sa pamamagitan ng isang zener diode na pinalakas mula sa 24V input. Kung ang boltahe ng pag-input ay bumaba sa ibaba ng boltahe ng diode zener ang PNP switch ay ON at ang iba pang mga switch sa mataas na bahagi ay naka-OFF. Ang circuit na ito ay hindi nasubukan at malamang na nangangailangan ng ilang mga karagdagang (passive) na mga bahagi.

Hakbang 6: Konklusyon

Ang mga sukat ay umaangkop nang maayos sa mga kalkulasyon. Ipinapakita na ang mga pagkalkula ng panteorya ay maaaring magamit - sorpresa-sorpresa. Sa aming espesyal na kaso, kailangan ng higit sa 2.5F capacitor upang makapagbigay ng sapat na dami ng enerhiya para sa naibigay na tagal ng panahon.

Pinakamahalaga, gumagana ang circuit ng singil ng capacitor tulad ng inaasahan. Ang circuit ay simple, mura at sapat. Mayroong ilang mga nabanggit na kawalan, gayunpaman, ang mababang presyo at pagiging simple ay nagbabayad dito.

Inaasahan kong ang maliit na buod na ito ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa isang tao.