Super kondensator UPS: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Til et projekt blev jeg bedt om at planlægge et backup -strømsystem, der kunne holde mikrokontrolleren kørende cirka 10 sekunder efter strømtabet. Ideen er, at controlleren i løbet af disse 10 sekunder har tid nok til

• Stop hvad det end gør
• Gem den aktuelle tilstand i hukommelsen
• Send besked om strømtab (IoT)
• Skifter til standbytilstand og venter på strømtabet

Den normale drift starter først efter en genstart. Der er stadig en vis planlægning nødvendig, hvad proceduren kan være, hvis strømmen vender tilbage i løbet af disse 10 sekunder. Min opgave var imidlertid at fokusere på strømforsyningen.

Den enkleste løsning kunne være at bruge en ekstern UPS eller sådan noget. Det er naturligvis ikke tilfældet, og vi havde brug for noget meget billigere og mindre. De resterende løsninger bruger et batteri eller en superkondensator. Lige præcist under evalueringsprocessen så jeg en dejlig YouTube -video om lignende emne: Link.

Efter nogle overvejelser lød superkondensator kredsløbet som den bedste løsning for os. Det er lidt mindre end batteriet (vi vil bruge meget udbredte komponenter, selvom jeg personligt ikke er sikker på, om størrelsesårsagen faktisk er sand), kræver færre komponenter (hvilket betyder- det er billigere) og vigtigst- det lyder meget bedre end et batteri (konsekvenser af at arbejde med ikke-ingeniører).

Et testopsætning blev bygget til at teste teorien og kontrollere, om superkondensatorens opladningssystemer fungerer som de skal.

Denne instruks viser mere, hvad der er blevet gjort i stedet for at forklare, hvordan man gør det.

Trin 1: Systembeskrivelsen

Systemarkitekturen kan ses på figuren. For det første konverteres 230VAC til 24VDC det til 5VDC, og i sidste ende kører mikrokontroller kredsløbet ved 3,3V. I det ideelle tilfælde kunne man registrere strømsvigt allerede på netniveau (230VAC). Det er vi desværre ikke i stand til. Derfor skal vi kontrollere, om strømmen stadig er der ved 24VDC. På denne måde kan man ikke bruge AC/DC strømforsyningens lagerkondensatorer. Mikrocontrolleren og al anden vigtig elektronik er på 3,3V. Det er blevet besluttet, at 5V -skinnen i vores tilfælde er det bedste sted at tilføje superkondensatoren. Når kondensatorspændingen langsomt falder, kan mikrokontrolleren stadig arbejde ved 3,3V.

Krav:

• Konstant strøm - Ikon = 0,5 A (@ 5,0V)
• Minimumsspænding (min. Tilladt spænding @ 5V skinne) - Levering = 3,0V
• Minimumstid, som kondensatoren skal dække - T = 10 sek

Der er flere specielle super kondensatorer, der oplader IC-er, der kan oplade kondensatoren meget hurtigt. I vores tilfælde er opladningstiden ikke kritisk. Således er et enklest diode-modstandskredsløb tilstrækkeligt. Dette kredsløb er enkelt og billigt med nogle ulemper. Problemet med opladningstid blev allerede nævnt. Den største ulempe er imidlertid, at kondensatoren ikke oplades til sin fulde spænding (diodespændingsfald). Ikke desto mindre kan den lavere spænding også bringe os nogle positive sider.

I Super -kondensatorens forventede levetidskurve fra figuren i AVX SCM -serien (link) kan man se den forventede levetid versus driftstemperatur og den påførte spænding. Hvis kondensatoren har en lavere spændingsværdi, øges den forventede levetid. Det kan være fordelagtigt, da kondensator med lavere spænding kan bruges. Det mangler stadig at blive afklaret.

Som det vil blive vist i målingerne, vil kondensatorens driftsspænding være omkring 4,6V-4,7V-80% nominel.

Trin 2: Testkredsløb

Efter en vis evaluering er AVX super kondensatorer blevet valgt til test. De testede er vurderet til 6V. Det er faktisk for tæt på den værdi, vi planlægger at bruge. Ikke desto mindre er det til testformål tilstrækkeligt. Tre forskellige kapacitansværdier blev testet: 1F, 2,5F og 5F (2x 2,5F parallelt). Bedømmelsen af kondensatorerne følger

• Kapacitansnøjagtighed - 0% +100%
• Nominel spænding - 6V

• Producent del nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Levetid - 2000 timer @ 65 ° C

For at matche udgangsspændingen med kondensatorspændingen bruges minimale fremspændingsdioder. I testen implementeres VdiodeF2 = 0,22V dioder sammen med høje strømdioder med VdiodeF1 = 0,5V.

Enkel LM2596 DC-DC converter IC bruges. Det er meget robust IC og giver fleksibilitet. Til test blev forskellige belastninger planlagt: hovedsageligt forskellige resistive belastninger.

De to parallelle 3.09kΩ modstande parallelle med superkondensatoren er nødvendige for spændingsstabiliteten. I testkredsløbet er superkondensatorerne forbundet via switches, og hvis ingen af kondensatorerne er tilsluttet, kan spændingen være for høj. For at beskytte kondensatorerne er en 5.1V Zener -diode placeret parallelt med dem.

For belastningen giver 8.1kΩ modstanden og LED'en en vis belastning. Det blev bemærket, at spændingen uden belastning kunne gå højere end ønsket. Dioderne kan forårsage uventet adfærd.

Trin 3: Teoretiske beregninger

Forudsætninger:

• Konstant strøm - Ikon = 0,5A
• Vout @ strømsvigt - Vout = 5,0V
• Kondensator opladningsspænding før dioder - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Startspænding (Vcap @ strømsvigt) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ strømsvigt - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minimum Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3V
• Minimumstid, som kondensatoren skal dække - T = 10 sek

Tid til at oplade en kondensator (teoretisk): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

For 1F kondensator er det R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Hvis C = 1.0F, Tcharging = 135 sek = 2,5 minutter

Hvis C = 2,5F, Tcharging = 337 sek = 5,7 minutter

Hvis C = 5.0F, Tcharging = 675 sek = 11 minutter

Ud fra antagelserne kan vi antage, at konstant effektværdi er ca.: W = I * V = 2,5W

I en kondensator kan man lagre en vis mængde energi: W = 0,5 * C * V^2

Ud fra denne formel kunne kapacitansen beregnes:

• Jeg vil tegne x Watt i t sekunder, hvor meget kapacitans har jeg brug for (Link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• Jeg vil tegne x ampere i t sekunder, hvor meget kapacitans har jeg brug for? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Hvis vi vælger kondensatorværdien til 5F:

• Hvor lang tid tager det at oplade/aflade denne kondensator med en konstant strøm (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sek
• Hvor lang tid tager det at oplade/aflade denne kondensator med en konstant effekt (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sek

Hvis du bruger en Rcharge = 25ohm, ville ladestrømmen være

Og opladningstiden cirka: Opladning = 625 sek = 10,5 minutter

Trin 4: Praktiske målinger

Forskellige konfigurationer og kapacitansværdier blev testet. For at forenkle testen blev der bygget en Arduino -kontrolleret testopsætning. Skemaerne er vist i de foregående figurer.

Tre forskellige spændinger blev målt, og resultaterne passede relativt godt med teorien. Da belastningsstrømmene er meget lavere end diodeværdien, er fremspændingsfaldet lidt lavere. Ikke desto mindre matcher den målte superkondensatorspænding nøjagtigt med de teoretiske beregninger.

I den følgende figur kan man se en typisk måling med 2,5F kondensator. Opladningstiden passer godt til den teoretiske værdi på 340 sek. Efter 100 ekstra sekunder er kondensatorspændingen kun steget yderligere 0,03V, hvilket betyder, at forskellen er ubetydelig og inden for målefejlområdet.

På otter -figuren kan man se, at udgangsspændingen Vout er efter strømafbrydelsen VdiodeF2 mindre end kondensatorspændingen Vcap. Forskellen er dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

En oversigt over de målte tider kan ses i den vedlagte tabel. Som det ses, passer resultaterne ikke nøjagtigt med de teoretiske beregninger. De målte tider er for det meste bedre end de beregnede, hvilket betyder, at nogle resulterende parasitter ikke blev taget i betragtning i beregningerne. Når man kigger på det indbyggede kredsløb, kan man bemærke, at der er flere ikke veldefinerede forbindelsespunkter. Derudover overvejer beregningerne ikke godt belastningsadfærden - når spændingen falder, går strømmen ned. Ikke desto mindre er resultaterne lovende og ligger i det forventede område.

Trin 5: Nogle forbedringsmuligheder

Man kunne forbedre driftstiden, hvis man bruger en boost -konverter i stedet for dioden efter superkondensatoren. Vi har overvejet det, ikke desto mindre er prisen højere end en simpel diode har.

Opladning af superkondensatoren gennem en diode (i mit tilfælde to dioder) betyder spændingsfald, og det kan fjernes, hvis der bruges en speciel kondensatoropladnings -IC. Igen er prisen den største bekymring.

Alternativt kan en højsidekontakt bruges sammen med en PNP -switch. En hurtigt tænkt mulig løsning kunne ses i det følgende. Alle kontakterne styres via en zenerdiode, der drives fra 24V input. Hvis indgangsspændingen falder til under dioden zenerspændingen, tænder PNP -kontakten, og de andre kontakter på den høje side slukker. Dette kredsløb er ikke testet og kræver sandsynligvis nogle ekstra (passive) komponenter.

Trin 6: Konklusion

Målingerne passer ganske godt til beregningerne. Viser, at de teoretiske beregninger kan bruges-overraskelse-overraskelse. I vores særlige tilfælde er lidt mere end 2,5F kondensator nødvendig for at levere tilstrækkelig mængde energi i den givne tidsperiode.

Vigtigst af alt fungerer kondensatorens opladningskredsløb som forventet. Kredsløbet er enkelt, billigt og tilstrækkeligt. Der er nogle nævnte ulemper, men den lave pris og enkelhed kompenserer det.

Forhåbentlig kan denne lille opsummering være nyttig for nogen.