Hogyan készítsünk szuperkondenzátor töltő áramkört

A szuperkondenzátorok kifejezést és annak esetleges használatát az elektromos járművekben, az okostelefonokban és az IoT készülékekben az utóbbi időben széles körben fontolgatják, de maga a szuperkondenzátor ötlete még 1957-re nyúlik vissza, amikor a General Electric először kísérletezett azzal, hogy növelje az akkumulátorok kapacitását. kondenzátorok. Az évek során a szuper kondenzátor-technológia jelentősen javult, mivel ma akkumulátor-tartalékként, napenergia-bankként és más olyan alkalmazásokként használják, ahol rövid energiára van szükség. Sokaknak téves elképzelése, hogy a szuperkapszulákat hosszú távon az akkumulátor cseréjének tekintik, de legalábbis a mai technológiával a szuperkondenzátorok nem mások, mint a nagy töltőkapacitású kondenzátorok, a szuperkondenzátorokról többet tudhat meg korábbi cikkeinkből.

Ebben a cikkben megtudhatjuk, hogyan lehet ilyen szuper kondenzátorokat biztonságosan feltölteni egy egyszerű töltőáramkör megtervezésével, majd a szuper kondenzátorunk feltöltésével ellenőrizni tudjuk, mennyire jó az energia megtartása. Az akkumulátor cellákhoz hasonlóan a szuper kondenzátor is kombinálható kondenzátor-energia bankok létrehozására, a kondenzátor-bank feltöltésének módszere más és kívül esik a cikk hatályán. Itt egy egyszerű és általánosan elérhető 5,5 V-os 1F Coin Super-kondenzátort fogunk használni, amely hasonlít egy érme cellához. Megtanuljuk, hogyan kell feltölteni egy érme típusú szuperkondenzátort, és hogyan kell használni a megfelelő alkalmazásokban.

Szuper-kondenzátor töltése

A szuper kondenzátorokat homályosan összehasonlítva egy akkumulátorral, a szuper kondenzátorok alacsony töltéssűrűséggel és rosszabb önkisülési jellemzőkkel bírnak, de a töltési idő, az eltarthatóság és a töltési ciklus szempontjából a szuper kondenzátorok felülmúlják az akkumulátorokat. A töltési áram rendelkezésre állása alapján a szuper kondenzátorok kevesebb, mint egy perc alatt tölthetők fel, és megfelelő kezelés esetén több mint egy évtizedig is eltarthatnak.

Az akkumulátorokhoz képest a szuper kondenzátorok nagyon alacsony ESR (egyenértékű sorozatellenállás) értékkel rendelkeznek, ez lehetővé teszi az áram nagyobb értékének be- vagy kifolyását a kondenzátorba, lehetővé téve a gyorsabb feltöltést vagy a nagy áramú kisütést. Mivel azonban képes a nagy áram kezelésére, a szuper kondenzátort biztonságosan kell tölteni és kisütni, hogy megakadályozzák a termikus elszökést. A szuperkondenzátor töltésének két aranyszabálya van: a kondenzátort helyes polaritással és a teljes feszültség kapacitásának 90% -át meg nem haladó feszültséggel kell feltölteni.

A piacon lévő szuperkondenzátorok általában 2,5 V, 2,7 V vagy 5,5 V névleges értékűek. Csakúgy, mint egy lítium cellát, ezeket a kondenzátorokat is sorban és párhuzamosan kell összekapcsolni a nagyfeszültségű akkumulátorok kialakításához. Az akkumulátorokkal ellentétben a kondenzátor, ha sorba van kapcsolva, kölcsönösen összeadja teljes feszültségét, ezért több kondenzátort kell hozzáadni, hogy megfelelő értékű akkumulátorokat alkossanak. Esetünkben van egy 5.5V 1F kondenzátor, így a töltési feszültségnek az 5.5% 90% -ának kell lennie, ami valahol 4.95V közelében van.

Szuper kondenzátorban tárolt energia

Amikor kondenzátorokat energiatároló elemként használunk készülékeink táplálásához, fontos meghatározni a kondenzátorban tárolt energiát, hogy megjósoljuk, hogy az eszköz mennyi ideig működhet. A kondenzátorban tárolt energia kiszámítására szolgáló képleteket E = 1 / 2CV ² segítségével adhatjuk meg . Tehát a mi esetünkben egy 5,5 V-os 1F-os kondenzátor esetén, amikor teljesen feltöltődik, a tárolt energia lesz

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 joule

Most ennek az értéknek a felhasználásával kiszámíthatjuk, hogy a kondenzátor mennyi ideig képes energiát szolgáltatni, mondjuk például, ha 500 mA-re van szükségünk 5 V feszültségen 10 másodpercig. Ekkor az eszközhöz szükséges energia kiszámítható az energia = teljesítmény x idő képletekkel. Itt a teljesítményt P = VI számítja ki , így 500mA és 5V esetén 2,5 W a teljesítmény.

Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 Wattóra vagy 25 Joule

Ebből arra következtethetünk, hogy legalább két ilyen kondenzátorra lesz szükségünk párhuzamosan (15 + 15 = 30), hogy 30 Joule-os tápegységet kapjunk, amely elegendő ahhoz, hogy 10 másodpercig működtessük készülékünket.

Polaritás azonosítása a szuper kondenzátoron

A kondenzátorral és az akkumulátorokkal kapcsolatban nagyon óvatosnak kell lennünk a polaritásával. Az inverz polaritású kondenzátor nagy valószínűséggel felmelegszik és megolvad, és a legrosszabb esetekben néha megreped. A rendelkezésünkre álló kondenzátor érme típusú, amelynek polaritását kis fehér nyíllal jelezzük az alábbiak szerint.

Feltételezem, hogy a nyíl iránya az áram irányát jelzi. Úgy gondolhat rá, hogy az áram mindig pozitívról negatívra áramlik, ezért a nyíl pozitív oldalról indul és a negatív oldal felé mutat. Ha ismeri a polaritást, és ha kíváncsi a töltésre, akkor akár egy RPS-t is használhat, amely 5,5 V-ra (vagy 4,95 V-ra a biztonság kedvéért) állítja be, majd az RPS pozitív vezetékét pozitív érintkezőhöz és negatív vezetést negatív tűhöz kötheti. látnia kell a kondenzátor töltését.

Az RPS aktuális besorolása alapján megjegyezheti, hogy a kondenzátor másodpercek alatt töltődik, és miután eléri az 5,5 V-ot, leállítja az áram felvételét. Ez a teljesen feltöltött kondenzátor most már megfelelő alkalmazásban használható, mielőtt önkisülne.

Ahelyett, hogy ebben az oktatóanyagban RPS-t használnánk, építünk egy töltőt, amely szabályozza az 5.5 V-ot egy 12 V-os adapterből, és arra használja a szuper kondenzátor töltését. A kondenzátor feszültségét op-amp komparátorral figyeljük, és miután a kondenzátor feltöltődött, az áramkör automatikusan leválasztja a szuperkondenzátort a feszültségforrásról. Érdekesen hangzik, így kezdjük.

Szükséges anyagok

• 12V-os adapter
• LM317 feszültségszabályozó IC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP tranzisztor
• VEZETTE
• Ellenállás
• Kondenzátor

Kördiagramm

Ennek a szuperkondenzátor töltő áramkörnek a teljes kapcsolási rajza az alábbiakban látható. Az áramkört Proteus szoftver segítségével rajzoltuk meg, ennek szimulációját később mutatjuk be.

Az áramkört 12 V-os adapter táplálja; ezután egy LM317 segítségével szabályozzuk az 5,5 V-ot a kondenzátorunk feltöltéséhez. De ezt az 5,5 V-ot egy kapcsolóként működő MOSFET biztosítja a kondenzátor számára. Ez a kapcsoló csak akkor zár le, ha a kondenzátor feszültsége kisebb, mint 4,86 ​​V, mivel a kondenzátor feltöltődik és a feszültség növekszik. A kapcsoló kinyílik, és megakadályozza az akkumulátor további feltöltését. Ez a feszültség-összehasonlítás op-amp segítségével történik, és BC557 PNP tranzisztort is használunk egy LED világítására, amikor a töltési folyamat befejeződött. A fent bemutatott kapcsolási rajz az alábbiak szerint tagolódik szakaszokra.

LM317 feszültségszabályozás:

Az R1 és R2 ellenállást használják az LM317 szabályozó kimeneti feszültségének eldöntésére a Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1) képletek alapján. Itt 1k és 3,3k értéket használtunk az 5,3 V kimeneti feszültség szabályozásához, amely elég közel van az 5,5 V-hoz. Online kalkulátorunk segítségével kiszámíthatja a kívánt kimeneti feszültséget a nálunk kapható ellenállás értéke alapján.

Op-Amp összehasonlító:

Az LM311 komparátor IC-vel összehasonlítottuk a szuper kondenzátor feszültségértékét egy fix feszültséggel. Ezt a rögzített feszültséget egy feszültségosztó áramkör segítségével juttatják el a 2. számú csaphoz. Az 2.2k és 1.5k ellenállások 4,86 ​​V feszültséget esnek le 12 V-ból. Ezt a 4,86 ​​voltot hasonlítják a ref. Feszültséghez (a kondenzátor feszültségéhez), amely a 3. érintkezőhöz van csatlakoztatva. Ha a ref. Feszültség kisebb, mint 4.86V, a 7 kimeneti tű magas lesz 12V-val a felhúzható 10k ellenállással. Ezt a feszültséget fogják használni a MOSFET meghajtására.

MOSFET és BC557:

Az IRFZ44N MOSFET a szuper kondenzátor töltési feszültséghez való csatlakoztatására szolgál, az op-erősítő jele alapján. Amikor az op-amp magasra megy, 12V-ot ad ki a 7-es érintkezőből, amely hasonlóan bekapcsolja a MOSFET-et az alapcsapján keresztül, amikor az op-amp alacsonyra megy (0V), a MOSFET megnyílik. Van egy BC557 PNP tranzisztorunk is, amely bekapcsolja a LED-t, amikor a MOSFET ki van kapcsolva, jelezve, hogy a kondenzátor feszültsége meghaladja a 4,8 V-ot.

Szuperkondenzátor töltő áramkör szimulációja

Az áramkör szimulációjához cseréltem az akkumulátort egy változó ellenállásra, hogy változó feszültséget biztosítsak az op-amp. A Super kondenzátort LED-re cserélik, hogy megmutassa, működik-e vagy sem. A szimulációs eredmény az alábbiakban található.

Mint látható a feszültségmérők használatakor, amikor az invertáló csap feszültsége alacsony, mint a nem invertáló tűnél, az op-amp erősen felmegy 12 V-val a 7-es érintkezőre, amely bekapcsolja a MOSFET-et, és így feltölti a kondenzátort (sárga LED). Ez a 12 V a BC557 tranzisztort is kikapcsolja a zöld LED kikapcsolásával. Amint a kondenzátor (potenciométer) feszültsége növekszik, a zöld LED kigyullad, mivel az op-amp 0V-ot ad ki a fentiek szerint.

Szuperkondenzátor töltő hardveren

Az áramkör meglehetősen egyszerű és kenyérlemezre építhető, de úgy döntöttem, hogy egy Perf kártyát használok, hogy a jövőben újból felhasználhassam az áramkört minden kísérletem során, amikor feltöltöm a szuper kondenzátort. Szintén a napelemekkel együtt kívánom használni hordozható projekteknél, ezért megpróbáltam a lehető legkisebbre és merevebbre építeni. Az alábbiakban látható a teljes áramköröm, amelyet egy pontozott táblára forrasztottam.

A két női bergapálcát az aligátor csapok segítségével meg lehet csapolni a kondenzátor feltöltéséhez. A sárga LED a modul áramellátását jelzi, a kék pedig a töltés állapotát. Miután a töltési folyamat befejeződött, a LED kigyullad, és továbbra is kikapcsol. Miután az áramkör készen áll, egyszerűen csatlakoztassa a kondenzátort, és látnia kell, hogy a kék LED kialszik, és valamikor újra felmegy, jelezve, hogy a töltési folyamat befejeződött. A táblát alább láthatja töltés és töltés állapotában.

A teljes munka megtalálható az oldal alján található videóban, ha bármilyen problémája van, hogy ezt működjön, tegye közzé a megjegyzés részben, vagy használja fórumunkat egyéb technikai kérdésekre.

Tervezési fejlesztések

Az itt megadott áramköri kivitel nyers és céljainak megfelelően működik; néhány kötelező fejlesztést, amelyet a build után észleltem, itt tárgyalunk. A BC557 az alapján és az emitterén lévő 12 V miatt forróvá válik, ezért nagyfeszültségű diódát kell használni a BC557 helyett.

Másodszor, mivel a kondenzátortöltők a feszültség-összehasonlító méri a feszültség változását, de amikor a MOSFET a töltés után kikapcsol, az op-amp érzékeli az alacsony feszültségerősítést és újra bekapcsolja a FET-et, ezt a folyamatot néhányszor megismételjük, mielőtt az op-amp teljesen kikapcsol. Az op-amp kimenet reteszelő áramköre megoldja a problémát.