Jak vyrobit nabíjecí obvod superkondenzátoru

Termín Superkondenzátory a jeho možné použití v elektrických vozidlech, smartphonech a zařízeních IoT se v poslední době značně zvažuje, ale samotná myšlenka super kondenzátoru sahá až do roku 1957, kdy byl společností General Electric poprvé experimentován za účelem zvýšení úložné kapacity jeho kondenzátory. V průběhu let se technologie Super kondenzátorů podstatně zlepšila v tom, že se dnes používá jako záložní baterie, solární elektrárny a další aplikace, kde je vyžadováno krátké zvýšení výkonu. Mnoho lidí má mylnou představu, že superkondenzátory považují z dlouhodobého hlediska za náhradu baterie, ale přinejmenším u dnešních technologií nejsou superkondenzátory ničím jiným než kondenzátory s vysokou nabíjecí kapacitou, o superkondenzátorech můžete vědět více z našich předchozích článků.

V tomto článku se naučíme, jak bezpečně nabíjet tyto super kondenzátory vytvořením jednoduchého nabíjecího obvodu a poté jej použít k nabití našeho super kondenzátoru, abychom zkontrolovali, jak dobrý je v držení energie. Podobně jako u bateriových článků lze superkondenzátor také kombinovat za účelem vytvoření energetických bank kondenzátoru, přístup k nabíjení energetické banky kondenzátoru je odlišný a je mimo rozsah tohoto článku. Zde bude použit jednoduchý a běžně dostupný 5,5V 1F Coin Superkondenzátor, který vypadá podobně jako knoflíková buňka. Naučíme se, jak nabíjet superkondenzátor typu mince a používat jej ve vhodných aplikacích.

Nabíjení superkondenzátoru

Při neurčitém srovnání superkondenzátoru s baterií mají superkondenzátory nízkou hustotu nabití a horší vlastnosti při samém vybíjení, ale přesto superkondenzátory z hlediska doby nabíjení, trvanlivosti a nabíjecího cyklu překonávají baterie. Na základě dostupnosti nabíjecího proudu lze superkondenzátory nabít za méně než minutu a při správném zacházení vydrží déle než deset let.

Ve srovnání s bateriemi mají super kondenzátory velmi nízkou hodnotu ESR (ekvivalentní sériový odpor), což umožňuje proudit vyšší hodnotu proudu dovnitř nebo ven z kondenzátoru, což mu umožňuje rychlejší nabíjení nebo vybíjení vysokým proudem. Ale kvůli této schopnosti manipulace s vysokým proudem by měl být super kondenzátor bezpečně nabit a vybit, aby se zabránilo tepelnému úniku. Pokud jde o nabíjení superkondenzátoru, existují dvě zlatá pravidla, kondenzátor by měl být nabíjen se správnou polaritou a s napětím nepřesahujícím 90% jeho celkové kapacity napětí.

Superkondenzátory, které jsou dnes na trhu, jsou běžně dimenzovány na 2,5 V, 2,7 V nebo 5,5 V. Stejně jako lithiový článek musí být tyto kondenzátory zapojeny do série a paralelně, aby vznikly vysokonapěťové akumulátory. Na rozdíl od baterií kondenzátor při sériovém zapojení vzájemně sčítá jeho celkové jmenovité napětí, takže je nutné přidat další kondenzátory, aby se vytvořily sady baterií slušné hodnoty. V našem případě máme 5,5V 1F kondenzátor, takže nabíjecí napětí by mělo být 90% z 5,5, což je někde blízko 4,95V.

Energie uložená v super kondenzátoru

Při použití kondenzátorů jako prvků pro ukládání energie k napájení našich zařízení je důležité určit energii uloženou v kondenzátoru, aby bylo možné předpovědět, jak dlouho může být zařízení napájeno. Vzorce pro výpočet energie uložené v kondenzátoru mohou být dány E = 1 / 2CV ². V našem případě tedy pro kondenzátor 5,5 V 1 F při plném nabití bude uložená energie

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 joulů

Nyní pomocí této hodnoty můžeme vypočítat, jak dlouho může kondenzátor napájet věci, například když potřebujeme 500 mA při 5 V po dobu 10 sekund. Poté lze energii potřebnou pro toto zařízení vypočítat pomocí vzorců Energie = Výkon x čas. Zde se výkon počítá P = VI, takže pro 500 mA a 5 V je výkon 2,5 Wattu.

Energie = 2,5 x (10/60 * 60) Energie = 0,00694 Watt-hodin nebo 25 Joulů

Z toho můžeme vyvodit závěr, že budeme potřebovat alespoň dva z těchto kondenzátorů paralelně (15 + 15 = 30), abychom získali napájecí zdroj 30 J, který bude stačit k napájení našeho zařízení po dobu 10 sekund.

Identifikace polarity na super kondenzátoru

Pokud jde o kondenzátor a baterie, měli bychom být velmi opatrní s jeho polaritou. Kondenzátor s inverzní polaritou se s největší pravděpodobností zahřeje a roztaví a v nejhorších případech někdy praskne. Kondenzátor, který máme, je typu mince, jehož polarita je označena malou bílou šipkou, jak je znázorněno níže.

Předpokládám, že směr šipky označuje směr proudu. Můžete na to myslet jako, proud vždy proudí z kladné do záporné, a proto šipka začíná od kladné strany a směřuje k záporné straně. Jakmile znáte polaritu a pokud jste zvědaví na nabití, můžete dokonce použít RPS nastavit na 5,5 V (nebo 4,95 V pro bezpečnost) a poté připojit kladný vodič RPS ke kladnému kolíku a záporný vodič k zápornému kolíku a měli byste vidět, že se kondenzátor nabíjí.

Na základě aktuálního hodnocení RPS si můžete všimnout, že kondenzátor se nabije během několika sekund a jakmile dosáhne 5,5 V, přestane odebírat proud. Tento plně nabitý kondenzátor lze nyní použít ve vhodné aplikaci před samovybíjením.

Namísto použití RPS v tomto tutoriálu postavíme nabíječku, která reguluje 5,5 V z 12V adaptéru a použijeme ji k nabíjení super kondenzátoru. Napětí kondenzátoru bude monitorováno pomocí komparátoru op-amp a po nabití kondenzátoru obvod automaticky odpojí superkondenzátor od zdroje napětí. Zní to zajímavě, takže pojďme začít.

Potřebné materiály

• 12V adaptér
• Integrovaný obvod regulátoru napětí LM317
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP tranzistor
• VEDENÝ
• Rezistor
• Kondenzátor

Kruhový diagram

Kompletní schéma zapojení pro tento nabíjecí obvod Supercapacitor je uvedeno níže. Obvod byl nakreslen pomocí softwaru Proteus, jeho simulace bude ukázána později.

Obvod je napájen 12V adaptérem; pak použijeme LM317 k regulaci 5,5 V pro nabití našeho kondenzátoru. Ale toto 5,5 V bude dodáváno kondenzátoru přes MOSFET fungující jako přepínač. Tento spínač se sepne, pouze pokud má napětí kondenzátoru méně než 4,86 ​​V, protože kondenzátor se nabíjí a zvyšuje se napětí, spínač se otevře a zabrání dalšímu nabíjení baterie. Toto srovnání napětí se provádí pomocí operačního zesilovače a také používáme tranzistor PNP BC557 k rozsvícení LED po dokončení procesu nabíjení. Schéma zapojení zobrazené výše je pro vysvětlení rozděleno na níže uvedené segmenty.

Regulace napětí LM317:

Odpor R1 a R2 se používá k rozhodnutí výstupního napětí regulátoru LM317 na základě vzorců Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Zde jsme použili hodnotu 1k a 3,3k k regulaci výstupního napětí 5,3V, které je dostatečně blízké 5,5V. Pomocí naší online kalkulačky můžete vypočítat požadované výstupní napětí na základě hodnoty rezistoru, kterou máte k dispozici.

Operační zesilovač:

Použili jsme komparátor IC IC LM311 k porovnání hodnoty napětí super kondenzátoru s pevným napětím. Toto pevné napětí se přivádí na pin číslo 2 pomocí obvodu děliče napětí. Rezistory 2,2k a 1,5k snižují napětí 4,86 ​​V z 12V. Tento 4,86 ​​voltů je srovnáván s ref. Napětím (napětím kondenzátoru), které je připojeno ke kolíku 3. Když je ref. Napětí menší než 4,86 ​​V, výstupní pin 7 bude vysoký s 12 V s pull-up 10k rezistorem. Toto napětí se poté použije k pohonu MOSFET.

MOSFET a BC557:

IRFZ44N MOSFET se používá pro připojení super kondenzátor nabíjí napětí na základě signálu z op-amp. Když operační zesilovač dosáhne vysoké hodnoty, vydá na pin 7 výstup 12V, který zapne MOSFET prostřednictvím základního kolíku podobně, když operační zesilovač poklesne (0V), MOSFET se otevře. Máme také PNP tranzistor BC557, který rozsvítí LED, když je MOSFET vypnutý, což indikuje, že napětí kondenzátoru je vyšší než 4,8V.

Simulace obvodu nabíječky Supercapacitor

Abych simuloval obvod, vyměnil jsem baterii za proměnný rezistor, abych zajistil proměnné napětí na pin 3 op-amp. Super kondenzátor je nahrazen LED, která ukazuje, zda je napájen nebo ne. Výsledek simulace naleznete níže.

Jak vidíte při použití napěťových sond, když je napětí na invertujícím kolíku nízké než neinvertující kolík, operační zesilovač jde vysoko s 12V na kolíku 7, který zapne MOSFET a tím nabije kondenzátor (žlutá LED). Toto 12V také aktivuje tranzistor BC557, aby vypnul zelenou LED. Jak se zvyšuje napětí kondenzátoru (potenciometr), rozsvítí se zelená LED, protože operační zesilovač bude mít výstup 0 V, jak je uvedeno výše.

Superkondenzátorová nabíječka na hardware

Obvod je velmi jednoduchý a lze jej postavit na prkénku, ale rozhodl jsem se použít desku Perf, abych mohl v budoucnu obvod znovu použít při každém pokusu o nabití mého super kondenzátoru. Také jej chci použít společně se solárním panelem pro přenosné projekty, a proto jsem se jej pokusil postavit co nejmenší a nejpevnější. Můj kompletní obvod, který byl jednou připájen na tečkovanou desku, je uveden níže.

K nabíjení kondenzátoru lze pomocí dvou aligátorových kolíků poklepat na dvě samice berg sticků. Žlutá LED indikuje napájení modulu a modrá LED indikuje stav nabíjení. Jakmile je proces nabíjení dokončen, LED dioda se rozsvítí, jinak zůstane zhasnutá. Jakmile je obvod připraven, jednoduše připojte kondenzátor a měli byste vidět, jak modrá LED zhasne a po nějaké době opět zhasne, což znamená, že proces nabíjení je dokončen. Níže vidíte desku v nabitém a nabitém stavu.

Kompletní práci najdete ve videu ve spodní části této stránky, pokud máte nějaký problém s uvedením do práce, uveďte je v sekci komentářů nebo použijte naše fóra pro další technické otázky.

Vylepšení designu

Zde uvedený návrh obvodu je hrubý a funguje pro svůj účel; zde je popsáno několik povinných vylepšení, které jsem si všiml po sestavení. BC557 se zahřívá kvůli 12V na své základně a emitoru, takže místo BC557 by měla být použita vysokonapěťová dioda.

Zadruhé, když kondenzátor nabíjí komparátor napětí, měří změnu napětí, ale když se MOSFET po nabití vypne, operační zesilovač zaznamená nízký zisk napětí a znovu zapne FET, tento proces se několikrát opakuje, než se operační zesilovač úplně vypne. Blokovací obvod na výstupu op-zesilovače problém vyřeší.