Супер конденсатор UPS: 6 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Төслийн хувьд микро алдагдсанаас хойш 10 секундын дараа микроконтроллерыг ажиллуулж чадах нөөц тэжээлийн системийг төлөвлөхийг надаас хүссэн. Энэхүү санаа нь эдгээр 10 секундын дотор хянагч хангалттай цаг гаргахад оршино

• Юу хийж байгааг нь зогсоо
• Одоогийн байдлыг санах ойд хадгална уу
• Цахилгаан алдагдах тухай мессеж илгээх (IoT)
• Өөрийгөө зогсолтын горимд шилжүүлж, цахилгаан тасрахыг хүлээнэ

Дахин эхлүүлсний дараа ердийн ажиллагаа эхэлдэг. Энэ 10 секундын дотор хүч нь эргэж ирвэл ямар арга хэмжээ авах ёстойг төлөвлөх шаардлагатай хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч миний үүрэг бол цахилгаан хангамжид анхаарлаа төвлөрүүлэх явдал байв.

Хамгийн энгийн шийдэл бол гадаад UPS эсвэл үүнтэй төстэй зүйл ашиглах явдал юм. Мэдээжийн хэрэг, энэ нь тийм биш бөгөөд бидэнд хамаагүй хямд, жижиг зүйл хэрэгтэй байсан. Үлдсэн шийдэл нь батерей эсвэл супер конденсаторыг ашиглах явдал юм. Яг үнэлгээ хийх явцад би ижил төстэй сэдвээр YouTube -ийн сайхан видеог үзсэн.

Супер конденсаторын хэлхээ нь бидний хувьд хамгийн сайн шийдэл болсон юм. Энэ нь батерейгаас арай бага хэмжээтэй (бид маш өргөн хэрэглэгддэг бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ашиглахыг хүсч байгаа боловч хэмжээ нь үнэн эсэхийг би сайн мэдэхгүй байна) бага бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг шаарддаг (энэ нь хямд гэсэн үг), хамгийн чухал нь илүү сайн сонсогдож байна. батерейгаас илүү (инженер бус хүмүүстэй ажиллах үр дагавар).

Онолыг туршиж үзэх, супер конденсаторын цэнэглэх системүүд зохих ёсоор ажиллаж байгаа эсэхийг шалгахын тулд туршилтын тохиргоог хийсэн.

Энэхүү зааварчилгаа нь хэрхэн яаж хийхийг тайлбарлахаас илүү юу хийснийг харуулдаг.

Алхам 1: Системийн тодорхойлолт

Системийн бүтцийг зураг дээрээс харж болно. Нэгдүгээрт, 230VAC -ийг 24VDC болгон 5VDC болгон хөрвүүлдэг бөгөөд эцэст нь микроконтроллерийн хэлхээ 3.3V дээр ажилладаг. Хамгийн тохиромжтой тохиолдолд сүлжээний түвшинд (230VAC) аль хэдийн цахилгаан тасарсныг илрүүлж болно. Харамсалтай нь бид үүнийг хийж чадахгүй байна. Тиймээс бид 24VDC дээр цахилгаан хэвээр байгаа эсэхийг шалгах ёстой. Үүнтэй адил AC/DC тэжээлийн хангамжийн конденсаторыг ашиглах боломжгүй. Микроконтроллер болон бусад бүх чухал электрон төхөөрөмжүүд 3.3V хүчдэлд байдаг. Бидний хувьд 5V төмөр зам нь супер конденсаторыг нэмэх хамгийн тохиромжтой газар гэж шийдсэн. Конденсаторын хүчдэл аажмаар буурч байх үед микроконтроллер нь 3.3 В -т ажиллах боломжтой хэвээр байна.

Шаардлага:

• Тогтмол гүйдэл - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Хамгийн бага хүчдэл (мин. Зөвшөөрөгдсөн хүчдэл @ 5V төмөр зам) - Vend = 3.0V
• Конденсаторыг хамрах хамгийн бага хугацаа - T = 10 сек

Конденсаторыг маш хурдан цэнэглэх боломжтой хэд хэдэн тусгай супер конденсатор цэнэглэгч IC байдаг. Манай тохиолдолд цэнэглэх хугацаа тийм ч чухал биш юм. Тиймээс хамгийн энгийн диод-резисторын хэлхээ хангалттай. Энэ схем нь энгийн бөгөөд хямд бөгөөд зарим сул талуудтай. Цэнэглэх цагийн асуудлыг аль хэдийн дурдсан байсан. Гэсэн хэдий ч гол дутагдал нь конденсаторыг бүрэн хүчдэлээр цэнэглэдэггүй (диодын хүчдэлийн уналт) юм. Гэсэн хэдий ч бага хүчдэл нь бидэнд эерэг талыг авчирч чадна.

Супер конденсаторын AVX SCM серийн өгөгдлийн хүснэгтийн (холбоос) зураг дээрх хүлээгдэж буй ашиглалтын хугацааны муруйг ашиглалтын температур ба хэрэглэсэн хүчдэлтэй харьцуулж үзвэл хүлээгдэж буй ашиглалтын хугацааг харж болно. Хэрэв конденсатор нь бага хүчдэлтэй бол хүлээгдэж буй ашиглалтын хугацаа нэмэгддэг. Бага хүчдэлийн конденсаторыг ашиглах нь ашигтай байх болно. Үүнийг тодруулах шаардлагатай хэвээр байна.

Хэмжилтэд харуулснаар конденсаторын ажиллах хүчдэл 4.6V-4.7V-80% Vrated байх болно.

Алхам 2: Туршилтын хэлхээ

Зарим үнэлгээ хийсний дараа AVX супер конденсаторыг туршихаар сонгосон болно. Туршилтыг 6V хүчдэлээр үнэлдэг. Энэ нь бидний ашиглахаар төлөвлөж буй үнэ цэнэд хэт ойрхон байна. Гэсэн хэдий ч туршилтын зорилгоор энэ нь хангалттай юм. 1F, 2.5F ба 5F (зэрэгцээ 2x 2.5F) багтаамжийн гурван өөр утгыг туршиж үзсэн. Конденсаторын үнэлгээ дараах байдалтай байна

• Багтаамжийн нарийвчлал - 0% +100%
• Нэрлэсэн хүчдэл - 6V

• Үйлдвэрлэгчийн хэсэг nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Ашиглалтын хугацаа - 65 ° C -д 2000 цаг

Гаралтын хүчдэлийг конденсаторын хүчдэлтэй тохируулахын тулд хамгийн бага дамжуулах хүчдэлийн диодыг ашигладаг. Туршилтанд VdiodeF2 = 0.22V диодыг өндөр гүйдэлтэй VdiodeF1 = 0.5V -тэй хамт хэрэгжүүлдэг.

Энгийн LM2596 DC-DC хөрвүүлэгч IC ашигладаг. Энэ бол маш бат бөх IC бөгөөд уян хатан байдлыг хангадаг. Туршилтын хувьд өөр өөр ачааллыг төлөвлөсөн: ихэвчлэн өөр өөр эсэргүүцэлтэй ачаалал.

Хүчдэлийн тогтвортой байдлыг хангахын тулд супер конденсатортой параллель 3.09 кОм хэмжээтэй хоёр зэрэгцээ резистор шаардлагатай болно. Туршилтын хэлхээнд супер конденсаторыг унтраалгаар холбодог бөгөөд хэрэв конденсаторын аль нь ч холбогдоогүй бол хүчдэл хэт өндөр байж болно. Конденсаторыг хамгаалахын тулд 5.1V Zener диодыг зэрэгцээ байрлуулна.

Ачааллын хувьд 8.1 кОм эсэргүүцэл ба LED нь тодорхой ачаалал өгдөг. Ачаалалгүй нөхцөлд хүчдэл хүссэн хэмжээнээсээ илүү өндөрт хүрч болохыг анзаарсан. Диод нь гэнэтийн зан авирыг өдөөж болно.

Алхам 3: Онолын тооцоо

Таамаглал:

• Тогтмол гүйдэл - Iconst = 0.5А
• Vout @ цахилгаан тасрах - Vout = 5.0V
• Диодын өмнө конденсатор цэнэглэх хүчдэл - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Эхлэх хүчдэл (Vcap @ цахилгаан тасарсан) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Цахилгаан тасрах үед Vout - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Хамгийн бага Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Конденсаторыг хамрах хамгийн бага хугацаа - T = 10 сек

Конденсатор цэнэглэх хугацаа (онолын хувьд): Цэнэглэх = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F конденсаторын хувьд энэ нь R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 Ом

Хэрэв C = 1.0F бол цэнэглэх = 135 сек = 2.5 мин

Хэрэв C = 2.5F бол цэнэглэх = 337 сек = 5.7 мин

Хэрэв C = 5.0F бол цэнэглэх = 675 сек = 11 минут

Таамаглалаас үзэхэд тогтмол хүчдэлийг ойролцоогоор: W = I * V = 2.5W гэж тооцож болно

Конденсатор дээр тодорхой хэмжээний энергийг хадгалах боломжтой: W = 0.5 * C * V^2

Энэхүү томъёогоор багтаамжийг дараахь томъёогоор тооцоолж болно.

• Би x секундэд ватт зурахыг хүсч байна, надад хэр их багтаамж хэрэгтэй вэ? (C) 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Би x секундын турш x Amps зурахыг хүсч байна, надад хэр их багтаамж хэрэгтэй вэ? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Хэрэв бид конденсаторын утгыг 5F гэж сонговол:

• Энэ конденсаторыг тогтмол гүйдэлтэй (холбоосоор) цэнэглэх/цэнэглэхэд хэр хугацаа шаардагдах вэ? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 сек
• Энэ конденсаторыг тогтмол хүчээр (W) цэнэглэх/цэнэглэхэд хэр хугацаа шаардагдах вэ? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 сек

Хэрэв цэнэглэх = 25 Ом бол цэнэглэх гүйдэл байх болно

Цэнэглэх хугацаа ойролцоогоор: Цэнэглэх = 625 сек = 10.5 минут

Алхам 4: Практик хэмжилт

Өөр өөр тохиргоо, багтаамжийн утгыг туршиж үзсэн. Туршилтыг хялбарчлахын тулд Arduino удирдлагатай туршилтын тохиргоог бүтээсэн. Схемийг өмнөх зургуудад үзүүлэв.

Гурван өөр хүчдэлийг хэмжсэн бөгөөд үр дүн нь онолын хувьд харьцангуй таарч байна. Ачааллын гүйдэл нь диодын үзүүлэлтээс хамаагүй бага тул урагшлах хүчдэлийн уналт арай бага байна. Гэсэн хэдий ч хэмжсэн супер конденсаторын хүчдэл нь онолын тооцоололтой яг таарч байгааг харж болно.

Дараах зураг дээр 2.5F конденсатор бүхий ердийн хэмжилтийг харж болно. Цэнэглэх хугацаа нь онолын хувьд 340 сек байна. 100 секундын дараа конденсаторын хүчдэл ердөө 0.03 В нэмэгддэг бөгөөд энэ нь ялгаа нь ач холбогдолгүй бөгөөд хэмжилтийн алдааны хүрээнд байна.

Бусад зураг дээр цахилгаан тасалсны дараа Vout гаралтын хүчдэл Vcio конденсаторын хүчдэлээс VdiodeF2 бага байгааг харж болно. Ялгаа нь dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V байна.

Хэмжсэн хугацааны тоймыг хавсаргасан хүснэгтээс харж болно. Эндээс харахад үр дүн нь онолын тооцоололд яг таарахгүй байна. Хэмжсэн хугацаа нь тооцоолсон хугацаанаас илүү сайн байдаг бөгөөд энэ нь зарим шимэгч хорхойг тооцоонд тооцдоггүй гэсэн үг юм. Баригдсан хэлхээг харахад хэд хэдэн тодорхой бус холболтын цэгүүд байгааг анзаарч болно. Нэмж дурдахад, тооцоолол нь ачааллын төлөв байдлыг сайн тооцдоггүй - хүчдэл буурахад гүйдэл буурдаг. Гэсэн хэдий ч үр дүн нь ирээдүйтэй бөгөөд хүлээгдэж буй хэмжээнд байна.

Алхам 5: Сайжруулах зарим боломжууд

Супер конденсаторын дараа диодын оронд өргөлтийн хөрвүүлэгч ашигладаг бол ажиллах хугацааг сайжруулах боломжтой. Гэсэн хэдий ч үнэ нь энгийн диодоос хамаагүй өндөр гэж бид үзсэн.

Супер конденсаторыг диодоор цэнэглэх (миний хувьд хоёр диод) нь хүчдэлийн уналтыг илэрхийлдэг бөгөөд хэрэв тусгай конденсатор цэнэглэгч IC ашигладаг бол үүнийг арилгаж болно. Дахин хэлэхэд, гол асуудал бол үнэ юм.

Эсвэл өндөр хажуугийн унтраалгыг PNP унтраалгатай хамт ашиглаж болно. Шуурхай бодож олох боломжтой шийдлийг дараахаас харж болно. Бүх унтраалга нь 24V оролтоор тэжээгддэг zener диодоор хянагддаг. Хэрэв оролтын хүчдэл диод zener хүчдэлээс доогуур байвал PNP унтраалга асаж, нөгөө талын хажуугийн унтраалга унтрах болно. Энэ хэлхээг туршиж үзээгүй бөгөөд зарим нэмэлт (идэвхгүй) бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг шаарддаг.

Алхам 6: Дүгнэлт

Хэмжилт нь тооцоололд маш сайн нийцдэг. Онолын тооцооллыг ашиглаж болохыг харуулж байна-гэнэтийн зүйл. Бидний онцгой тохиолдолд 2.5F -ээс бага багтаамжтай конденсаторыг тухайн хугацаанд хангалттай хэмжээний эрчим хүчээр хангах шаардлагатай байдаг.

Хамгийн чухал нь конденсаторын цэнэглэх хэлхээ нь хүлээгдэж буй байдлаар ажилладаг. Хэлхээ нь энгийн, хямд, хангалттай. Дээр дурдсан зарим сул талууд байдаг боловч хямд үнэ, энгийн байдал нь үүнийг нөхдөг.

Энэхүү жижигхэн тойм нь хэн нэгэнд хэрэг болно гэж найдаж байна.