- Superkondensaattorin lataaminen
- Energia varastoidaan superkondensaattoriin
- Polariteetin tunnistaminen superkondensaattorista
- Tarvittavat materiaalit
- Piirikaavio
- Superkondensaattorin laturipiirin simulointi
- Superkondensaattorin laturi laitteistossa
- Suunnittelun parannukset
Termiä Superkondensaattorit ja sen mahdollista käyttöä sähköajoneuvoissa, Älypuhelimissa ja IoT-laitteissa pidetään viime aikoina laajasti, mutta itse superkondensaattorin ajatus juontaa juurensa vuoteen 1957, jolloin General Electric kokeili sitä ensimmäisen kerran parantaakseen kapasiteettiaan. kondensaattorit. Vuosien varrella superkondensaattoriteknologia on parantunut huomattavasti, että nykyään sitä käytetään akun varmuuskopioina, aurinkovoimapankkeina ja muina sovelluksina, joissa tarvitaan lyhyttä tehostusta. Monilla on väärinkäsitys pitää superkorkkeja akun korvikkeena pitkällä aikavälillä, mutta ainakaan nykypäivän tekniikan mukaan superkondensaattorit ovat vain kondensaattoreita, joilla on suuri latauskapasiteetti, voit tietää enemmän superkondensaattoreista edellisistä artikkeleistamme.
Tässä artikkelissa opitaan kuinka ladata tällaisia superkondensaattoreita turvallisesti suunnittelemalla yksinkertainen laturipiiri ja käyttämällä sitä sitten lataamaan superkondensaattorimme tarkistaaksemme kuinka hyvä se on energian pitämisessä. Samanlainen kuin akkukennot, superkondensaattori voidaan myös yhdistää kondensaattorin tehopankkien muodostamiseksi, lähestymistapa kondensaattorin tehopankin lataamiseen on erilainen ja on tämän artikkelin ulkopuolella. Tässä käytetään yksinkertaista ja yleisesti saatavilla olevaa 5,5 V 1F Coin Super -kondensaattoria, joka näyttää samanlaiselta kuin kolikkokenno. Opimme kuinka ladata kolikkotyyppinen superkondensaattori ja käyttää sitä sopivissa sovelluksissa.
Superkondensaattorin lataaminen
Verrattaessa superkondensaattoria epämääräisesti akun kanssa, superkondensaattoreilla on alhainen lataustiheys ja huonommat itsepurkautumisominaisuudet, mutta silti latausaika, säilyvyys ja latausjakso superkondensaattorit ylittävät akut. Latausvirran saatavuuden perusteella superkondensaattorit voidaan ladata alle minuutissa ja asianmukaisella käsittelyllä ne voivat kestää yli vuosikymmenen.
Akkuihin verrattuna superkondensaattoreilla on erittäin matala ESR-arvo (vastaava sarjaresistanssi), mikä sallii suuremman virran arvon virrata kondensaattoriin sisään tai ulos, jolloin se voi ladata nopeammin tai purkaa suurella virralla. Mutta koska tämä kyky käsitellä suurta virtaa, superkondensaattori tulisi ladata ja purkaa turvallisesti termisen pakenemisen estämiseksi. Superkondensaattorin lataamisen suhteen on kaksi kultaista sääntöä, kondensaattori tulisi ladata oikealla napaisuudella ja jännitteellä, joka ei ylitä 90% sen kokonaisjännitekapasiteetista.
Nykyisin markkinoilla olevien superkondensaattoreiden nimellisarvot ovat yleensä 2,5 V, 2,7 V tai 5,5 V. Aivan kuten litiumkenno, nämä kondensaattorit on kytkettävä sarjaan ja rinnakkain yhdistelmänä korkeajänniteakkujen muodostamiseksi. Toisin kuin paristot, sarjaan kytketty kondensaattori laskee vastavuoroisesti sen kokonaisjänniteluokituksen, jolloin on tarpeen lisätä kondensaattoreita kohtuullisen arvoisten akkujen muodostamiseksi. Meidän tapauksessamme meillä on 5.5V 1F kondensaattori, joten latausjännitteen tulisi olla 90% 5.5: stä, joka on lähellä 4.95V.
Energia varastoidaan superkondensaattoriin
Kun kondensaattoreita käytetään energian varastointielementteinä laitteidemme virtalähteeksi, on tärkeää määrittää kondensaattoriin varastoitu energia sen ennustamiseksi, kuinka kauan laitetta voidaan käyttää. Kaavat kondensaattoriin tallennetun energian laskemiseksi voidaan antaa E = 1 / 2CV 2. Joten meidän tapauksessamme 5,5 V 1 F-kondensaattori, kun se on ladattu täysin, varastoitu energia tulee olemaan
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 joulea
Tämän arvon avulla voimme nyt laskea, kuinka kauan kondensaattori voi virrata asioita, esimerkiksi jos tarvitsemme 500 mA: n jännitettä 5 V: lla 10 sekunnin ajan. Sitten tälle laitteelle tarvittava energia voidaan laskea kaavoilla Energia = Teho x aika. Tässä teho lasketaan P = VI, joten 500 mA: n ja 5 V: n teho on 2,5 wattia.
Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 wattituntia tai 25 joulea
Tästä voimme päätellä, että tarvitsemme vähintään kahta näistä kondensaattoreista rinnakkain (15 + 15 = 30) saadaksemme 30 joulen tehopakkauksen, joka riittää virran saamiseen laitteellemme 10 sekunnin ajan.
Polariteetin tunnistaminen superkondensaattorista
Kondensaattorin ja paristojen suhteen meidän on oltava hyvin varovaisia napaisuuden suhteen. Käänteisen napaisuuden kondensaattori todennäköisesti kuumenee ja sulaa ja joskus rikkoutuu pahimmassa tapauksessa. Kondensaattorimme on kolikkotyyppiä, jonka napaisuus on merkitty pienellä valkoisella nuolella alla olevan kuvan mukaisesti.
Oletan, että nuolen suunta osoittaa virran suunnan. Voit ajatella sitä, virta kulkee aina positiivisesta negatiiviseksi ja siten nuoli alkaa positiiviselta puolelta ja osoittaa kohti negatiivista puolta. Kun tiedät napaisuuden ja jos olet utelias lataamaan sitä, voit jopa käyttää RPS: ää asettamalla sen arvoon 5,5 V (tai 4,95 V turvallisuuden vuoksi) ja kytkemällä sitten RPS: n positiivisen johdon positiiviseen napaan ja negatiivisen johdon negatiiviseen napaan ja sinun pitäisi nähdä kondensaattori latautumassa.
RPS: n nykyisen luokituksen perusteella voit huomata, että kondensaattori latautuu sekunneissa ja kun se saavuttaa 5,5 V, se lopettaa virran ottamisen. Tätä täysin ladattua kondensaattoria voidaan nyt käyttää sopivassa sovelluksessa ennen kuin se purkautuu itsestään.
RPS: n käyttämisen sijaan tässä opetusohjelmassa rakennamme laturin, joka säätelee 5,5 V: n muodostaen 12 V: n sovittimen, ja käytämme sitä superkondensaattorin lataamiseen. Kondensaattorin jännitettä tarkkaillaan op-amp-komparaattorilla ja kun kondensaattori on ladattu, piiri katkaisee superkondensaattorin automaattisesti jännitelähteestä. Kuulostaa mielenkiintoiselta, joten aloitetaan.
Tarvittavat materiaalit
- 12 V: n sovitin
- LM317 Jännitteen säätimen IC
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP -transistori
- LED
- Vastus
- Kondensaattori
Piirikaavio
Tämän superkondensaattorin laturipiirin täydellinen piirikaavio on annettu alla. Piiri piirrettiin Proteus-ohjelmistolla, jonka simulointi näytetään myöhemmin.Piiri saa virtansa 12 V: n adapterista; Sitten käytämme LM317: ää säätämään 5,5 V: n lataamaan kondensaattoriamme. Mutta tämä 5,5 V toimitetaan kondensaattoriin kytkimenä toimivan MOSFETin kautta. Tämä kytkin sulkeutuu vain, jos kondensaattorin jännitteellä on alle 4,86 V, kun kondensaattori saa varauksia ja jännitteen lisäys, kytkin avautuu ja estää akkua latautumasta edelleen. Tämä jännitevertailu tehdään op-amp: lla ja käytämme myös BC557 PNP -transistoria LEDin hehkuttamiseen, kun lataus on valmis. Yllä oleva piirikaavio on jaettu alla oleviin segmentteihin selityksen vuoksi.
LM317 Jännitteen säätö:
Vastusta R1 ja R2 käytetään päättämään LM317-säätimen lähtöjännite kaavojen Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1) perusteella. Tässä olemme käyttäneet arvoa 1k ja 3.3k säätämään 5,3 V: n lähtöjännitettä, joka on riittävän lähellä 5,5 V: ta. Voit laskea halutun lähtöjännitteen online-laskimellamme käytettävissä olevan vastuksen arvon perusteella.
Op-Amp-vertailija:
Olemme käyttäneet LM311-komparaattori-IC: tä vertaamaan superkondensaattorin jännitteen arvoa kiinteään jännitteeseen. Tämä kiinteä jännite syötetään tapiin numero 2 käyttämällä jännitteenjakajan piiriä. Vastukset 2,2 k ja 1,5 k pudottavat 4,86 V: n jännitteen muodostaen 12 V: n. Tätä 4,86 volttia verrataan nastaan 3 liitettyyn ref-jännitteeseen (kondensaattorin jännite).Jos ref-jännite on pienempi kuin 4,86 V, lähtötappi 7 nousee korkealle 12 V: n kanssa vedettävällä 10 k-vastuksella. Tätä jännitettä käytetään sitten MOSFETin ohjaamiseen.
MOSFET ja BC557:
IRFZ44N MOSFET käytetään yhdistämään super kondensaattori latausjännite perustuen signaalin op-amp. Kun op-vahvistin nousee korkealle, se antaa 12 V: n napaan 7, joka kytkee MOSFETin päälle tukitapinsa kautta samalla tavalla, kun op-amp menee alhaiseen (0 V), MOSFET avataan. Meillä on myös PNP-transistori BC557, joka sytyttää LED- valon, kun MOSFET on pois päältä, mikä osoittaa, että kondensaattorin jännite on yli 4,8 V.
Superkondensaattorin laturipiirin simulointi
Piirin simuloimiseksi olen korvannut pariston vaihtuvalla vastuksella vaihtelevan jännitteen aikaansaamiseksi op-amp: n nastalle 3. Super-kondensaattori korvataan LEDillä osoittamaan, toimiiko se vai ei. Simulointitulos on alla.
Kuten näette käyttävän jännitemittareita, kun jännite kääntötapissa on matala kuin ei-kääntyvä tappi, op-vahvistin nousee korkealle 12 V: n napalla 7, joka kytkee MOSFETin päälle ja lataa siten kondensaattorin (keltainen LED). Tämä 12 V laukaisee myös BC557-transistorin sammuttamaan vihreän LEDin. Kun kondensaattorin (potentiometrin) jännite kasvaa, vihreä LED syttyy, koska op-vahvistin antaa 0 V: n, kuten yllä on esitetty.
Superkondensaattorin laturi laitteistossa
Piiri on melko yksinkertainen ja se voidaan rakentaa leipälaudalle, mutta päätin käyttää Perf-korttia, jotta voin käyttää piiriä uudelleen tulevaisuudessa joka yritettäessä ladata superkondensaattoriani. Aion myös käyttää sitä yhdessä aurinkopaneelin kanssa kannettavissa projekteissa, joten yritin rakentaa sen mahdollisimman pieneksi ja jäykäksi. Minun täydellinen piiri kerran juotettu pilkullinen aluksella on esitetty alla.
Kaksi naaraspuolista bergitikkua voidaan napauttaa alligaattoritapilla kondensaattorin lataamiseksi. Keltainen LED ilmaisee moduulin virran ja sininen LED ilmaisee latauksen tilan. Kun lataus on valmis, LED-valo syttyy, muuten sammuu. Kun piiri on valmis, kytke vain kondensaattori ja sinun pitäisi nähdä sininen LED sammuu ja jonkin ajan kuluttua se nousee jälleen korkeaksi osoittamaan, että lataus on valmis. Näet taulun lataus- ja lataustilassa alla.
Täydellinen työskentely löytyy tämän sivun alaosassa olevasta videosta, jos sinulla on ongelmia saada tämä toimimaan, lähetä ne kommenttiosioon tai käytä foorumeitamme muihin teknisiin kysymyksiin.
Suunnittelun parannukset
Tässä esitetty piirisuunnittelu on raaka ja toimii tarkoitukseensa; muutama pakollinen parannus, jonka huomasin rakennuksen jälkeen, käsitellään täällä. BC557 kuumenee 12 V: n takia ja emitteristä, joten BC557: n sijasta tulisi käyttää suurjännitediodia.
Toiseksi, kun kondensaattorilataimet, jännitteen vertailija mittaa jännitteen muutoksen, mutta kun MOSFET sammuu latauksen jälkeen, op-amp tunnistaa pienen jännitevahvistuksen ja käynnistää FET: n uudelleen, tämä prosessi toistetaan muutaman kerran ennen kuin op-vahvistin sammuu kokonaan. Op-amp-ulostulon lukituspiiri ratkaisee ongelman.