Laptop Raspberry Pi Powered Super Capacitor: 5 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Bergantung pada minat umum terhadap projek ini, saya dapat menambahkan lebih banyak langkah, dan lain-lain jika itu membantu mempermudah komponen yang membingungkan.

Saya selalu tertarik dengan teknologi kapasitor yang lebih baru muncul selama bertahun-tahun dan fikir akan menyenangkan untuk mencuba menerapkannya sebagai bateri untuk bersenang-senang. Terdapat banyak masalah aneh yang saya hadapi ketika mengusahakannya kerana ia tidak dirancang dengan mempertimbangkan aplikasi ini, tetapi ingin berkongsi apa yang telah saya ketahui dan diuji.

Ini lebih untuk menunjukkan kesukaran untuk mengecas, dan menarik kuasa dari bank kapasitor super dalam aplikasi mudah alih (walaupun dengan beratnya, tidak semuanya mudah alih…).

Tanpa tutorial hebat di bawah, ini tidak akan membuahkan hasil:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Maklumat mendalam mengenai Supercapacitors
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial membina litar pengisian dan pengosongan
• Saya akan berusaha menggali lebih banyak yang saya gunakan sekiranya saya dapat mencari / mengingatnya.

• Sekiranya anda mempunyai tutorial yang anda fikir relevan, beritahu saya supaya saya boleh membuangnya di sini.

Sebab utama saya ingin mencuba ini adalah:

• Mengecas sepenuhnya dalam SECONDS (amperage tinggi yang terlibat menghadkan sistem ini hingga beberapa minit … selamat).
• Beratus-ratus ribu kitaran caj tanpa penurunan (lebih dari satu juta dalam keadaan yang betul).
• Teknologi yang sangat baik yang mungkin dapat memasuki industri bateri arus perdana.
• Keadaan operasi persekitaran. Suhu + 60C hingga -60C untuk kapasitor yang digunakan di sini.
• Kecekapan pengecasan adalah> 95% (bateri rata-rata <85%)
• Saya dapati mereka menarik?

Sekarang untuk amaran yang selalu diperlukan semasa bekerja dengan elektrik … Walaupun terdapat kemungkinan kecederaan yang kecil dengan voltan rendah ~ 5V, jumlah ampere yang luar biasa yang dapat dihasilkan kapasitor super akan menyebabkan luka bakar dan menggoreng komponen dengan serta-merta. Artikel pertama disebutkan memberikan penjelasan yang sangat baik dan langkah selamat. Tidak seperti bateri, pintasan terminal sepenuhnya tidak berisiko meletup (walaupun boleh memendekkan jangka hayat kapasitor super bergantung pada tolok wayar). Masalah sebenar boleh timbul semasa voltan berlebihan (mengecas melebihi voltan maksimum yang ditandakan) di mana kapasitor super akan merosot, 'pop' dan mati dalam keadaan berasap. Kes yang melampau boleh berlaku di mana meterai muncul dengan kuat.

Sebagai contoh berapa banyak kuasa yang dapat dilepaskan, saya menjatuhkan wayar tembaga 16 gauge di tebing terisi penuh pada 5V (tentu saja tidak sengaja) dan sedikit buta oleh wayar yang meletup dalam kilatan putih dan hijau ketika ia terbakar. Dalam sekejap sahaja, sekeping wayar 5cm DILEPATKAN. Ratusan amp melintasi wayar dalam masa kurang dari satu saat.

Saya menggunakan komputer riba sebagai platform kerana saya mempunyai Raspberry Pi berbaring, beg pakaian aluminium, papan kekunci kios dan pencetak 3D untuk prototaip. Pada mulanya idea adalah untuk membina komputer riba ini agar dapat berjalan selama 10-20 minit dengan usaha yang minimum. Dengan ruang yang saya miliki dalam beg pakaian, terlalu menggoda untuk mencuba dan mengeluarkan lebih banyak projek ini dengan menggunakan lebih banyak kapasitor super.

Pada masa ini, jumlah kuasa yang boleh digunakan adalah di bawah bateri ion lithium SINGLE 3.7V 2Ah. Kuasa hanya sekitar 7Wh. Tidak mengejutkan, tetapi dengan masa cas kurang dari 15 minit dari kosong, sekurang-kurangnya menarik.

Malangnya, hanya kira-kira 75% kuasa yang tersimpan di kapasitor dapat ditarik keluar dengan sistem ini… Sistem yang lebih cekap pasti dapat dilaksanakan untuk menarik kuasa pada voltan yang lebih rendah sekitar 1V atau kurang. Saya tidak mahu menghabiskan lebih banyak wang untuk ini juga, di bawah kapasiti 2V hanya tinggal 2Wh kuasa yang tersedia daripada jumlah keseluruhan 11Wh.

Menggunakan penukar 0.7-5V hingga 5V kuasa rendah (kecekapan ~ 75-85%) Saya dapat mengecas bateri telefon bimbit 11Wh saya dari 3% hingga 65% menggunakan bank kapasitor (walaupun telefon sangat tidak cekap dalam pengisian, di mana 60-80 % kuasa input sebenarnya disimpan).

Untuk bahagian yang digunakan dalam projek ini, mungkin ada bahagian yang lebih baik untuk digunakan daripada yang saya gunakan. Tetapi di sini mereka:

• Kapasitor super 6x (2.5V, 2300 Farad - dari sistem brek regeneratif kereta. Boleh didapati di Ebay, dll.)
• 1x Raspberry Pi 3
• Paparan bertenaga 1x 5V (saya menggunakan paparan AMOLED 5.5 "dengan papan kawalan HDMI)
• Pengawal mikro 2x ATTiny85 (saya akan memasukkan pengaturcaraan)
• 2x 0.7V-5V ke penukar 5V 500mA DC-DC malar
• 4x 1.9V-5V kepada penukar DC-DC 5V 1A malar
• 1x beg pakaian
• 3x mosfet berkemampuan PWM 3x 6A
• 2x 10A Schottky dioda
• Kerangka T-slot Aluminium 10x (dengan sendi dll bergantung pada apa yang anda mahu gunakan untuk menahan barang di tempat)
• papan kekunci kios
• Panel solar 20W 5V
• Kabel USB ke mikro USB
• Kabel HDMI
• Pelbagai komponen elektrik asas dan papan prototaip.
• banyak bahagian bercetak 3D (saya akan memasukkan fail.stl)

Bahagian ini boleh ditukar dengan mudah untuk bahagian yang lebih sesuai / cekap, tetapi inilah yang saya ada. Juga, kekangan dimensi akan berubah dengan komponen apa yang dipilih.

Sekiranya anda mempunyai maklum balas mengenai reka bentuk, jangan ragu untuk memberikan komen!

Langkah 1: Ciri-ciri Kuasa

Untuk memberi idea tentang apa yang diharapkan dengan bijak semasa menggunakan kapasitor untuk sesuatu yang pastinya tidak dirancang untuk:

Apabila voltan bank kapasitor turun terlalu rendah (1.9V), ATTinys telah diprogramkan untuk tidak menghidupkan komponen sistem apa pun. Ini hanya untuk memastikan komponen tidak menggunakan daya apabila tidak dapat berjalan secara konsisten pada voltan yang lebih rendah.

Sistem ini berjalan menggunakan penukar DC-DC pada tahap voltan 4.5V hingga 1.9V dari bank kapasitor.

Voltan pengecasan input boleh dari 5V hingga 5.5V (tidak lebih tinggi dari 5A pada 5.5V). Adaptor 5V 10A atau lebih tinggi akan merosakkan mosfet dan akan membakarnya pada kadar pengisian separuh PWM.

Dengan ciri-ciri pengisian kapasitor, kadar pengecasan logaritma / eksponensial adalah yang terbaik, kerana semakin sukar untuk mendorong daya semakin hampir dengan pengisian penuh … tetapi saya tidak pernah dapat membuat fungsi matematik berfungsi dengan pemboleh ubah jenis terapung pada ATTiny untuk beberapa sebab. Sesuatu untuk saya lihat kemudian …

Dengan kuasa pemprosesan penuh, jangka masa jangka masa adalah 1 jam. Tidak aktif, 2 jam.

Menggunakan transceiver LowRa mengurangkan hidup ~ 15% lagi. Menggunakan tetikus laser luaran akan mengurangkan hidup ~ 10%.

Voltan bank kapasitor yang lebih rendah = kecekapan kurang menukar kepada komponen kuasa 5V ke kuasa. Kira-kira 75% pada cas kapasitor 2V, di mana banyak kuasa hilang kerana haba dalam penukar.

Semasa dipasang, komputer riba boleh berjalan tanpa had menggunakan penyesuai 5.3V 8A. Dengan menggunakan penyesuai 2A, sistem memerlukan cas penuh sebelum dihidupkan untuk penggunaan tanpa had. Kadar pengecasan ATTiny PWM hanya 6.2% daripada input kuasa apabila bank kapasitor 1.5V atau kurang naik secara linear ke 100% kadar pengecasan pada pengisian penuh.

Sistem ini memerlukan masa yang lebih lama untuk dicas menggunakan penyesuai amperage yang lebih rendah. Masa pengecasan dari 2V hingga 4.5V dengan tiada kapasiti bank kapasitor:

• Penyesuai 5.2V 8A adalah 10-20 minit (biasanya sekitar 13 minit).
• Penyesuai 5.1V 2A adalah 1-2 jam. Kerana diod menjatuhkan voltan sekitar 0.6V, beberapa penyesuai dengan tepat 5V tidak akan mengecas sepenuhnya sistem ini. Ini baik-baik saja, kerana penyesuai tidak akan terjejas secara negatif.
• Panel solar 20W di bawah cahaya matahari penuh adalah 0.5-2 jam. (banyak varians semasa ujian).

Terdapat masalah yang melekat dalam menggunakan kapasitor di mana mereka tidak menahan casnya terlalu lama semakin hampir dengan voltan maksimum.

Selama 24 jam pertama, bank kapasitor melepaskan diri dari 4.5V hingga 4.3V secara purata. Kemudian dalam 72 jam akan datang perlahan-lahan turun ke 4.1V yang agak tetap. ATTinys yang digabungkan dengan pelepasan diri yang kecil akan menurunkan voltan pada 0.05-0.1V sehari selepas 96 jam pertama (secara eksponensial lebih perlahan kerana voltan turun mendekati sifar). Apabila pada 1.5V dan turun voltan bank kapasitor turun sekitar 0.001-0.01V sehari bergantung pada suhu.

Dengan semua ini dipertimbangkan, anggaran konservatif akan menjadi 0.7V dalam ~ 100 hari. Saya meninggalkan tempat duduk ini selama 30 hari dan masih tinggal lebih dari 3.5V.

Sistem ini boleh berjalan tanpa had di bawah cahaya matahari langsung.

* * * PERHATIAN: * * Voltan kritikal sistem ini ialah 0.7V di mana penukar DC-DC yang menghidupkan ATTinys akan gagal. Nasib baik, kadar pengecasan yang dikendalikan oleh mosfet akan menarik tinggi ~ 2% apabila kuasa disambungkan pada voltan ini atau lebih rendah, yang membolehkan pengecasan perlahan. Saya masih belum mengetahui MENGAPA ini berlaku, tetapi ini adalah bonus bertuah.

Saya harus mengecas dan melepaskan sepenuhnya kapasitor ~ 15 kali sebelum mereka mengimbangi secara kimia dan mengenakan bayaran yang lumayan. Semasa pertama kali menghubungkannya, saya sangat kecewa dengan jumlah caj yang disimpan, tetapi ia menjadi jauh lebih baik dalam 15 kitaran pengisian penuh pertama.

Langkah 2: Pengawal Kuasa Pi

Untuk menghidupkan dan mematikan Pi, saya harus melaksanakan pengawal kuasa dengan 4 penukar DC-DC dan mosfet.

Malangnya Pi menarik kira-kira 100mA walaupun mati, jadi saya terpaksa menambahkan mosfet untuk memotong sepenuhnya kuasa itu. Dengan pengawal kuasa dalam permainan, hanya ~ 2mA yang dibazirkan dengan cas penuh (~ 0.5mA dengan cas rendah).

Pada dasarnya pengawal melakukan perkara berikut:

1. Mengatur tahap voltan di bawah 2.5V pada kapasitor untuk mengelakkan voltan berlebihan semasa mengecas.
2. Empat DC-DC (masing-masing maksimum 1A, total 4A) menarik terus dari kapasitor dari 4.5V hingga 1.9V untuk 5.1V tetap.
3. Dengan menekan butang, mosfet membolehkan kuasa mengalir ke Pi. Akhbar lain memotong kuasa.
4. ATTiny memerhatikan tahap voltan bank kapasitor. Sekiranya terlalu rendah, mosfet tidak dapat dihidupkan.

Butang perak, apabila tertekan menunjukkan daya yang tinggal di bank kapasitor. 10 berkelip pada 4.5V dan 1 pada 2.2V. Panel solar boleh mengecas hingga 5V penuh dan berkelip 12 kali pada tahap itu.

Voltan kapasitor diatur dengan pengatur 2.5V cakera hijau yang mengeluarkan kuasa berlebihan. Ini penting kerana panel solar mengenakan kapasitor secara pasif melalui dioda 10A sehingga 5.2V yang akan mengecasnya secara berlebihan.

Penukar DC-DC mampu menyediakan sehingga 1A setiap satu dan output voltan malar berubah-ubah. Dengan menggunakan potensiometer biru di bahagian atas, voltan boleh ditetapkan ke tahap yang anda perlukan. Saya menetapkannya masing-masing ke 5.2V yang turun sekitar 0.1V di mosfet. Yang satu akan menjadi output voltan sedikit lebih tinggi daripada yang lain dan akan menjadi agak panas, tetapi yang lain akan menangani lonjakan kuasa dari Pi. Semua 4 penukar dapat menangani lonjakan kuasa hingga 4A pada cas kapasitor penuh, atau 2A pada cas rendah.

Penukar menarik arus sunyi ~ 2mA dengan cas penuh.

Terlampir adalah lakaran Arduino yang saya gunakan untuk menyelesaikannya dengan ATTiny (Banyak nota ditambah). Butang dipasang pada gangguan untuk menarik ATTiny dari tidur dan menghidupkan Pi. Sekiranya kuasa terlalu rendah, LED kuasa berkelip 3 kali dan ATTiny kembali tidur.

Sekiranya butang ditekan kali kedua, kuasa Pi dimatikan dan ATTiny kembali tidur sehingga butang seterusnya ditekan. Ini menggunakan beberapa ratus amp nano dalam mod tidur. ATTiny kehabisan penukar DC DC 500mA yang dapat memberikan 5V malar dari ayunan voltan 5V-0.7V.

Perumahan kuasa dirancang pada TinkerCAD (seperti semua cetakan 3D lain) dan dicetak.

Untuk litar, lihat skema yang dilukis dengan kasar.

Langkah 3: Sistem Pengecasan

Charge Controller terdiri daripada tiga bahagian:

1. Litar pengawal didorong oleh ATTiny
2. Mosfets dan dioda (dan kipas untuk penyejukan)
3. Saya menggunakan pengecas dinding 5.2V 8A untuk menghidupkan komputer riba

Litar pengawal bangun setiap 8 saat untuk memeriksa sambungan ke arde pada port pengecasan. Sekiranya kabel pengecasan disambungkan, kipas akan bermula dan proses pengisian bermula.

Apabila bank kapasitor semakin hampir dan hampir penuh dengan cas penuh, isyarat PWM yang mengawal mosfet dinaikkan secara linear hingga 100% ON pada 4.5V. Setelah voltan sasaran tercapai, isyarat PWM dimatikan (4.5V). Kemudian tunggu sehingga had bawah yang ditentukan dicapai untuk mula mengecas semula (4.3V).

Kerana dioda menurunkan voltan pengisian dari 5.2V hingga ~ 4.6V, secara teorinya saya boleh membiarkan pengecas berjalan 24/7 dengan voltan yang ditutup sekitar 4.6-4.7V. Masa pengisian hingga pengosongan ketika pada atau hampir penuh adalah sekitar <1 minit pengisian dan 5 minit pengisian.

Apabila kabel pengecasan terputus, ATTiny akan tidur semula.

Mosfet berasal dari Ebay. Mereka boleh didorong oleh isyarat PWM 5V dan masing-masing dapat mengendalikan hingga 5A. Ini berada pada garis positif menggunakan tiga dioda schottky 10A untuk mengelakkan aliran balik ke pengecas dinding. Periksa semula orientasi diod SEBELUM menyambung ke pengecas dinding. Sekiranya berorientasikan secara tidak betul untuk membolehkan daya mengalir dari kapasitor ke pengecas dinding, pengecas akan menjadi sangat panas dan mungkin mencair apabila dipasang ke komputer riba.

Kipas 5V didorong oleh pengecas dinding dan menyejukkan komponen lain kerana ia sangat panas di bawah pengisian separuh.

Mengecas menggunakan pengecas 5.2V 8A hanya memerlukan beberapa minit, di mana sebagai pengecas 5V 2A memerlukan lebih dari satu jam.

Isyarat PWM ke mosfet hanya membenarkan daya 6% melalui 1.5V atau kurang naik secara linear hingga 100% dengan cas penuh 4.5V. Ini kerana kapasitor bertindak sebagai pendek mati pada voltan yang lebih rendah, tetapi semakin sukar untuk mengecas semakin hampir dengan penyamaan.

Panel solar 20W menggerakkan litar pengecas USB 5.6V 3.5A kecil. Ini memberi makan secara langsung melalui dioda 10A ke bank kapasitor. Pengatur 2.5V menjaga kapasitor daripada pengecasan berlebihan. Sebaiknya jangan biarkan sistem di bawah sinar matahari dalam jangka masa yang lama kerana pengatur dan litar pengecas boleh menjadi sangat panas.

Lihat Arduino Sketch yang dilampirkan, satu lagi gambarajah litar yang dilukis dengan teruk dan fail. STL untuk bahagian yang dicetak 3D.

Untuk menerangkan bagaimana litar disambungkan bersama, pengawal cas mempunyai satu baris untuk menguji voltan masukan dari pengecas dan satu saluran ke pin pwm pada modul mosfet.

Modul mosfet dibumikan ke sisi negatif bank kapasitor.

Litar ini tidak akan mati tanpa kipas disambungkan dari sisi negatif kapasitor ke sisi tinggi input pengecas. Kerana sisi tinggi berada di belakang dioda dan mosfets, daya yang sangat sedikit akan disia-siakan kerana rintangan melebihi rintangan 40k. Kipas menarik sisi tinggi rendah semasa pengecas tidak disambungkan, tetapi tidak mengambil arus yang cukup untuk membawanya rendah semasa pengecas dipasang.

Langkah 4: Capacitor Bank + Cetakan 3D Tambahan Yang Digunakan

Kapasitor yang digunakan adalah superkapasitor 6x 2.5V @ 2300F. Mereka telah disusun dalam 2 set dalam siri 3 secara selari. Ini datang ke bank 5V @ 3450F. Sekiranya SEMUA tenaga dapat ditarik dari kapasitor, ia dapat memberikan tenaga ~ 11Wh atau bateri Li-ion 3.7V 2.5Ah.

Pautan ke lembar data:

Persamaan yang saya gunakan untuk mengira kapasitans dan seterusnya jam watt yang tersedia:

(C1 * C2) / (C1 + C2) = Ctotal2.5V 6900F + 2.5V 6900F (6900 * 6900) / (6900 + 6900) = 3450F @ 5VMenggunakan 4.5V hingga 1.9V potensi yang tersedia pada kapasitor 3450F ((C * (Vmax ^ 2)) / 2) - ((C * (Vmin ^ 2)) / 2) = Jumlah Joules ((3450 * (4.5 ^ 2)) / 2) - ((3450 * (1.9 ^ 2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 saat = Watt jam28704 / 3600 = 7.97 Wh (kuasa maksimum teori)

Bank ini sangat besar. dengan ketinggian 5cm x panjang 36cm x lebar 16cm. Ia agak berat ketika memasukkan kerangka aluminium yang saya gunakan… Lebih kurang 5 Kg atau 11 lbs, tidak termasuk beg pakaian dan semua periferal lain.

Saya menyambungkan terminal kapasitor dengan menggunakan penyambung terminal 50A yang disolder bersama dengan wayar tembaga 12 tolok. Ini mengelakkan hambatan di terminal.

Menggunakan bingkai T-bar aluminium, komputer riba sangat kukuh (walaupun juga sangat berat). Semua komponen dipegang dengan menggunakan bingkai ini. Memakai ruang yang minimum di dalam komputer riba tanpa perlu mengebor lubang ke mana-mana sahaja.

Banyak cetakan 3D digunakan dalam projek ini:

• Pemegang bank kapasitor penuh
• Bracer pemegang bank kapasitor
• Pemegang kapasitor bawah
• Pemisah antara terminal kapasitor positif dan negatif
• Plat pemegang Raspberry Pi
• Sarung atas untuk papan kekunci dan kapasitor (hanya untuk estetika)
• Pemegang dan penutup skrin AMOLED
• Pemegang papan pengawal AMOLED
• Panduan wayar HDMI dan USB untuk menampilkan pengawal dari Pi
• Akses atas butang dan plat LED untuk kawalan kuasa
• yang lain akan ditambah semasa saya mencetaknya

Langkah 5: Kesimpulannya

Oleh kerana ini hanya merupakan projek hobi, saya percaya ia membuktikan bahawa superkapasitor dapat digunakan untuk menghidupkan komputer riba, tetapi mungkin tidak semestinya untuk kekangan ukuran. Ketumpatan kuasa untuk kapasitor yang digunakan dalam projek ini lebih daripada 20x kurang padat daripada bateri Li-ion. Berat juga tidak masuk akal.

Yang dikatakan, ini mungkin mempunyai kegunaan yang berbeza daripada komputer riba konvensional. Sebagai contoh, saya menggunakan komputer riba ini kebanyakannya dari pengecasan solar. Ia dapat digunakan di hutan tanpa terlalu bimbang tentang mengecas dan melepaskan 'bateri' berulang kali, beberapa kali sehari. Saya sedikit mengubah sistem sejak awal membina untuk memasukkan outlet 5v 4A di satu sisi casing untuk menyalakan lampu dan mengecas telefon semasa memeriksa sensor di hutan. Berat masih menjadi pembunuh bahu walaupun…

Oleh kerana kitaran pengecasan begitu cepat, tidak perlu bimbang kehabisan kuasa. Saya boleh memasangkannya selama 20 minit (atau kurang bergantung pada tahap semasa) di mana sahaja dan boleh menggunakan lebih dari satu jam penggunaan intensif.

Satu kelemahan reka bentuk ini adalah kelihatan sangat mencurigakan kepada orang yang lewat … Saya tidak akan mengambil ini semasa transit awam. Sekurang-kurangnya tidak menggunakannya berhampiran orang ramai. Saya telah diberitahu oleh beberapa rakan bahawa saya seharusnya menjadikannya kelihatan sedikit 'mengancam'.

Tetapi secara keseluruhan, saya seronok membina projek ini, dan telah belajar banyak cara menggunakan teknologi supercapacitor untuk projek lain pada masa akan datang. Juga, memasangkan semua yang ada di dalam beg pakaian adalah teka-teki 3D yang tidak terlalu mengecewakan, malah merupakan cabaran yang cukup menarik.

Sekiranya anda mempunyai sebarang pertanyaan, beritahu saya!