Super Kapasitor UPS: 6 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Untuk projek, saya diminta untuk merancang sistem kuasa sandaran yang dapat memastikan mikrokontroler berjalan sekitar 10 saat setelah kehilangan kuasa. Ideanya adalah bahawa selama 10 saat ini pengawal mempunyai cukup masa

• Hentikan apa sahaja yang dilakukannya
• Simpan keadaan semasa ke memori
• Hantar mesej kehilangan kuasa (IoT)
• Menghidupkannya ke mod siap sedia dan menunggu kehilangan kuasa

Operasi biasa bermula hanya selepas dimulakan semula. Masih ada beberapa perancangan yang diperlukan apa yang boleh menjadi prosedur jika daya kembali selama 10 saat ini. Walau bagaimanapun, tugas saya adalah untuk memberi tumpuan kepada bekalan elektrik.

Penyelesaian paling mudah ialah menggunakan UPS luaran atau seumpamanya. Jelas, itu tidak berlaku dan kami memerlukan sesuatu yang jauh lebih murah dan lebih kecil. Penyelesaian yang tinggal adalah menggunakan bateri atau kapasitor super. Tepat semasa proses penilaian, saya melihat video YouTube yang bagus mengenai topik serupa: Pautan.

Selepas beberapa pertimbangan, litar kapasitor super menjadi penyelesaian terbaik bagi kami. Ia sedikit lebih kecil daripada bateri (kami ingin menggunakan komponen yang sangat banyak digunakan, walaupun saya secara peribadi tidak pasti sama ada alasan ukurannya benar), memerlukan komponen yang lebih sedikit (bererti - lebih murah) dan yang paling penting - kedengarannya jauh lebih baik daripada bateri (akibat bekerja dengan bukan jurutera).

Persediaan ujian dibina untuk menguji teori dan untuk mengawal apakah sistem pengisian kapasitor super berfungsi sebagaimana mestinya.

Instructable ini menunjukkan lebih banyak perkara yang telah dilakukan daripada menjelaskan cara melakukannya.

Langkah 1: Penerangan Sistem

Senibina sistem dapat dilihat pada gambar. Pertama, 230VAC ditukar menjadi 24VDC yang menjadi 5VDC dan pada akhirnya litar mikrokontroler berjalan pada 3.3V. Dalam kes yang ideal, seseorang dapat mengesan kegagalan daya yang sudah berada di tahap grid (230VAC). Malangnya, kami tidak dapat melakukannya. Oleh itu, kita harus memeriksa sama ada kuasa masih ada di 24VDC. Seperti ini, seseorang tidak boleh menggunakan kapasitor penyimpanan bekalan kuasa AC / DC. Mikrokontroler dan semua elektronik penting lain berada pada 3.3V. Telah diputuskan bahawa dalam kes kita rel 5V adalah tempat terbaik untuk menambahkan kapasitor super. Apabila voltan kapasitor perlahan-lahan merosot, mikrokontroler masih dapat berfungsi pada 3.3V.

Keperluan:

• Arus malar - Ikon = 0.5 A (@ 5.0V)
• Voltan minimum (voltan minimum yang dibenarkan @ rel 5V) - Vend = 3.0V
• Masa minimum yang perlu diliputi oleh kapasitor - T = 10 saat

Terdapat beberapa kapasitor super pengecas khas IC yang tersedia yang dapat mengecas kapasitor dengan cepat. Dalam kes kami, masa pengecasan tidak kritikal. Oleh itu, litar perintang diod termudah adalah mencukupi. Litar ini ringkas dan murah dengan beberapa kekurangan. Masalah masa pengecasan sudah disebutkan. Walau bagaimanapun, kelemahan utama adalah bahawa kapasitor tidak dikenakan ke voltan penuh (penurunan voltan diod). Walaupun begitu, voltan yang lebih rendah juga dapat memberi kita sisi positif.

Dalam kurva jangka hayat jangka panjang kapasitor Super dari lembar data (pautan) Siri AVX SCM, seseorang dapat melihat jangka hayat yang diharapkan berbanding suhu operasi dan voltan yang dikenakan. Sekiranya kapasitor mempunyai nilai voltan yang lebih rendah, jangka hayat meningkat. Itu boleh bermanfaat kerana kapasitor voltan rendah dapat digunakan. Itu masih perlu dijelaskan.

Seperti yang akan ditunjukkan dalam pengukuran, voltan operasi kapasitor akan berada di sekitar 4.6V-4.7V - 80% Vrate.

Langkah 2: Litar Ujian

Selepas beberapa penilaian, kapasitor super AVX telah dipilih untuk diuji. Yang diuji dinilai untuk 6V. Itu sebenarnya terlalu dekat dengan nilai yang ingin kita gunakan. Walaupun begitu, untuk tujuan pengujian sudah memadai. Tiga nilai kapasitansi yang berbeza diuji: 1F, 2.5F dan 5F (2x 2.5F secara selari). Peringkat kapasitor mengikuti

• Ketepatan kapasiti - 0% + 100%
• Voltan dinilai - 6V

• Bahagian pengeluar nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Sepanjang Hayat - 2000 Jam @ 65 ° C

Untuk memadankan voltan output dengan voltan kapasitor, diod voltan hadapan minimum digunakan. Dalam ujian VdiodeF2 = 0.22V dioda dilaksanakan bersama dengan arus tinggi dengan VdiodeF1 = 0.5V.

IC penukar DC-DC LM2596 sederhana digunakan. Itu IC yang sangat mantap dan membolehkan fleksibiliti. Untuk menguji beban yang berbeza dirancang: beban resistif terutamanya berbeza.

Dua perintang 3.09kΩ selari dengan kapasitor super diperlukan untuk kestabilan voltan. Dalam litar ujian kapasitor super dihubungkan melalui suis dan jika tidak ada kapasitor yang disambungkan voltan boleh menjadi terlalu tinggi. Untuk melindungi kapasitor, dioda Zener 5.1V diletakkan selari dengannya.

Untuk beban, perintang 8.1kΩ dan LED memberikan sedikit beban. Telah diperhatikan bahawa keadaan tanpa beban voltan boleh naik lebih tinggi daripada yang dikehendaki. Diod boleh menyebabkan beberapa tingkah laku yang tidak dijangka.

Langkah 3: Pengiraan Teoritis

Andaian:

• Arus malar - Ikon = 0.5A
• Kegagalan Vout @ power - Vout = 5.0V
• Voltan pengisian kapasitor sebelum dioda - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Voltan permulaan (Vcap @ kegagalan kuasa) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Kegagalan kuasa Vout @ - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Minimum Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Masa minimum yang perlu diliputi oleh kapasitor - T = 10 saat

Masa untuk mengecas kapasitor (teoritis): Pengisian = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Untuk kapasitor 1F ialah R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27ohm

Sekiranya C = 1.0F, Pengisian = 135 saat = 2.5 min

Sekiranya C = 2.5F, Pengisian = 337 saat = 5.7 minuntes

Sekiranya C = 5.0F, Pengisian = 675 saat = 11 minunt

Dari anggapan tersebut, kita dapat menganggap bahawa penarafan daya berterusan adalah lebih kurang.: W = I * V = 2.5W

Dalam kapasitor, seseorang dapat menyimpan sejumlah tenaga: W = 0.5 * C * V ^ 2

Dari formula ini, kapasitansi dapat dikira:

• Saya mahu menarik x Watt untuk t Detik, berapa kapasitansi yang saya perlukan (Pautan)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Saya mahu melukis x Amps untuk t Detik, berapa kapasitansi yang saya perlukan? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Sekiranya kita memilih nilai kapasitor menjadi 5F:

• Berapa lama masa yang diperlukan untuk mengecas / melepaskan kapasitor ini dengan arus tetap (Link)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11.0 saat
• Berapa lama masa yang diperlukan untuk mengecas / melepaskan kapasitor ini dengan kuasa berterusan (W)? Tdischarge = 0.5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8.47 saat

Sekiranya menggunakan Rcharge = 25ohm arus pengecasan adalah

Dan masa pengecasan lebih kurang: Pengisian = 625 saat = 10.5 minit

Langkah 4: Pengukuran Praktikal

Nilai konfigurasi dan kapasitansi yang berbeza diuji. Untuk mempermudah pengujian, persediaan ujian terkawal Arduino telah dibina. Skema ditunjukkan dalam angka sebelumnya.

Tiga voltan berbeza diukur dan hasilnya sesuai dengan teori. Oleh kerana arus beban jauh lebih rendah daripada peringkat diod, penurunan voltan hadapan sedikit lebih rendah. Walaupun begitu, seperti yang dapat dilihat voltan kapasitor super yang diukur sesuai dengan pengiraan teori.

Dalam gambar berikut, seseorang dapat melihat ukuran khas dengan kapasitor 2.5F. Masa pengecasan sangat sesuai dengan nilai teori 340sec. Selepas 100 saat tambahan voltan kapasitor meningkat hanya 0,03V tambahan, yang bermaksud perbezaannya dapat diabaikan dan dalam rentang kesalahan pengukuran.

Pada gambar otehr, seseorang dapat melihat bahawa setelah kegagalan kuasa voltan output Vout adalah VdiodeF2 lebih kecil daripada voltan kapasitor Vcap. Perbezaannya adalah dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Ringkasan masa yang diukur dapat dilihat pada jadual yang dilampirkan. Seperti yang dapat dilihat hasilnya tidak sesuai dengan pengiraan teori. Masa yang diukur kebanyakannya lebih baik daripada yang dihitung, yang bermaksud bahawa beberapa parasit yang dihasilkan tidak dipertimbangkan dalam pengiraan. Apabila melihat litar terbina, seseorang dapat melihat bahawa terdapat beberapa titik sambungan yang tidak ditentukan dengan baik. Selain itu, pengiraan tidak dapat dianggap baik dengan tingkah laku beban - apabila voltan turun, arus turun. Walaupun begitu, hasilnya menjanjikan dan berada dalam jangkaan yang diharapkan.

Langkah 5: Beberapa Kemungkinan Penambahbaikan

Seseorang dapat meningkatkan waktu operasi jika seseorang menggunakan penukar penguat dan bukannya dioda setelah kapasitor super. Kami telah mempertimbangkan bahawa, namun harganya lebih tinggi daripada diod sederhana.

Mengisi kapasitor super melalui diod (dalam kes saya dua dioda) bermaksud penurunan voltan dan itu dapat dikeluarkan jika IC pengisian kapasitor khas digunakan. Sekali lagi, harga menjadi perhatian utama.

Sebagai alternatif, suis sisi tinggi dapat digunakan bersama dengan suis PNP. Penyelesaian yang mungkin difikirkan pantas dapat dilihat pada yang berikut. Semua suis dikendalikan melalui diod zener yang dikuasakan dari input 24V. Sekiranya voltan masukan turun di bawah voltan diod zener, suis PNP akan AKTIF dan suis sisi tinggi yang lain mati. Litar ini tidak diuji dan kemungkinan besar memerlukan beberapa komponen tambahan (pasif).

Langkah 6: Kesimpulannya

Pengukuran sesuai dengan pengiraan. Menunjukkan bahawa pengiraan teoritis dapat digunakan - kejutan-kejutan. Dalam kes khas kami, sedikit lebih daripada kapasitor 2.5F diperlukan untuk menyediakan jumlah tenaga yang mencukupi untuk jangka masa yang ditentukan.

Paling penting, litar pengisian kapasitor berfungsi seperti yang diharapkan. Litarnya ringkas, murah dan mencukupi. Terdapat beberapa kelemahan yang disebutkan, bagaimanapun, harga rendah dan kesederhanaan mengimbangi itu.

Semoga ringkasan kecil ini dapat bermanfaat bagi seseorang.