Супер конденсатор UPS: 6 кадам (сүрөттөр менен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Долбоор үчүн, мен микроконтроллерди электр энергиясын жоготкондон кийин 10 секунддай иштеп туруучу резервдик энергия системасын пландаштырууну суранышты. Бул 10 секунддун ичинде контролер жетиштүү убакытка ээ

• Эмне кылса да токтоткула
• Эстутумга учурдагы абалды сактоо
• Электр энергиясын жоготуу билдирүүсүн жөнөтүңүз (IoT)
• Өзүн күтүү режимине которот жана электр энергиясын жоготууну күтөт

Кадимки иш кайра башталгандан кийин гана башталат. Күч ушул 10 секунддун ичинде кайтып келсе, анда кандай жол -жоболор болушу керек, дагы эле пландаштыруу керек. Бирок, менин милдетим электр энергиясына басым жасоо болчу.

Эң жөнөкөй чечим тышкы UPSти же ушул сыяктуу нерселерди колдонуу болушу мүмкүн. Албетте, андай эмес жана бизге алда канча арзан жана кичине нерсе керек болчу. Калган чечимдер батарейканы же супер конденсаторду колдонууда. Так баалоо процессинде мен ушул сыяктуу темадагы жакшы YouTube видеосун көрдүм: Шилтеме.

Кээ бир ойлордон кийин, супер конденсатор схемасы биз үчүн эң жакшы чечим болуп чыкты. Бул батарейкадан бир аз кичине (биз абдан кеңири колдонулган компоненттерди колдонууну каалайбыз, бирок мен анын себеби чындыгында чынбы же жокпу, так билбейм), азыраак компоненттерди талап кылат (мааниси- арзан) жана эң негизгиси- бул алда канча жакшы угулат батарейкага караганда (инженер эмес адамдар менен иштөөнүн кесепети).

Тест теориясын текшерүү жана супер конденсатордун кубаттоо системалары керек болгондой иштешин көзөмөлдөө үчүн тест орнотулган.

Бул Нускамада аны кантип жасоо керектигин түшүндүрүүдөн көрө, эмне жасалганын көбүрөөк көрсөтөт.

1 -кадам: Системанын сыпаттамасы

Системанын архитектурасын сүрөттөн көрүүгө болот. Биринчиден, 230VAC 24VDCге 5VDCге айландырылган жана акырында микроконтроллердин схемасы 3.3Vда иштеп жатат. Идеалдуу учурда, тармактын деңгээлинде (230VAC) электр энергиясынын үзгүлтүккө учуроосун аныктоого болот. Тилекке каршы, биз андай кыла албайбыз. Ошондуктан, биз 24VDCде дагы деле күч бар -жогун текшеришибиз керек. Ушул сыяктуу, AC/DC электр менен камсыздоочу конденсаторлорду колдонууга болбойт. Микроконтроллер жана башка бардык маанилүү электроника 3.3Vда. Биздин учурда 5V рельс супер конденсаторду кошуу үчүн эң жакшы жер экени чечилди. Конденсатордун чыңалуусу акырындык менен начарлап баратканда, микроконтроллер дагы эле 3.3Вда иштей алат.

Талаптар:

• Туруктуу ток - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Минималдуу чыңалуу (мин. Уруксат берилген чыңалуу @ 5V темир жол) - Vend = 3.0V
• Конденсатор жабууга тийиш болгон минималдуу убакыт - T = 10 сек

Конденсаторду абдан тез заряддай ала турган бир нече атайын супер конденсатор бар. Биздин учурда, кубаттоо убактысы анча маанилүү эмес. Ошентип, эң жөнөкөй диод-резистордук схема жетиштүү. Бул схема кээ бир кемчиликтери менен жөнөкөй жана арзан. Кубаттоо убактысы маселеси буга чейин айтылган. Бирок, негизги кемчилик конденсатор толук чыңалууга чейин заряддалбайт (диоддун чыңалуусунун төмөндөшү). Ошентсе да, төмөнкү чыңалуу бизге оң жактарын да алып келиши мүмкүн.

Супер конденсатордун AVX SCM сериясындагы маалымат барагынан күтүлгөн өмүрдүн ийри сызыгында (шилтеме) сүрөттөн күтүлгөн өмүрдү иштөө температурасына жана колдонулган чыңалууга карата көрүүгө болот. Эгерде конденсатор төмөнкү чыңалууга ээ болсо, күтүлгөн жашоо мөөнөтү жогорулайт. Бул пайдалуу болушу мүмкүн, анткени төмөнкү чыңалуудагы конденсатор колдонулушу мүмкүн. Муну дагы тактоо керек.

Өлчөөлөрдө көрүнүп тургандай, конденсатордун иштөө чыңалуусу болжол менен 4.6V-4.7V-80% Vrated болот.

2 -кадам: Test Circuit

Бир аз баалоодон кийин AVX супер конденсаторлору тестирлөө үчүн тандалып алынган. Сыналгандар 6V үчүн бааланат. Бул биз колдонууну пландап жаткан наркка өтө жакын. Ошентсе да, тестирлөө үчүн бул жетиштүү. Үч түрдүү сыйымдуулук баалуулуктары сыналган: 1F, 2.5F жана 5F (2x 2.5F параллелдүү). Конденсаторлордун рейтинги төмөнкүчө

• Потенциалдын тактыгы - 0% +100%
• Номиналдык чыңалуу - 6V

• Өндүрүүчү бөлүгү nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Өмүр бою - 2000 Hrs @ 65 ° C

Чыгуу чыңалуусун конденсатордун чыңалуусуна дал келтирүү үчүн минималдуу алдыга чыңалуу диоддору колдонулат. Сыноодо VdiodeF2 = 0.22V диоддор VdiodeF1 = 0.5V жогорку ток менен бирге ишке ашырылат.

Жөнөкөй LM2596 DC-DC алмаштыргыч IC колдонулат. Бул абдан күчтүү IC жана ийкемдүүлүккө мүмкүнчүлүк берет. Сыноо үчүн ар кандай жүктөр пландаштырылган: негизинен ар кандай каршылыктуу жүк.

Чыңалуунун туруктуулугу үчүн супер конденсаторго параллель болгон эки параллель 3.09kΩ резистор керек. Сыноо схемасында супер конденсаторлор коммутаторлор аркылуу туташат, эгер конденсаторлордун бири да туташпаса, чыңалуу өтө жогору болушу мүмкүн. Конденсаторлорду коргоо үчүн 5.1V Zener диоду аларга параллель жайгаштырылган.

Жүк үчүн 8.1kΩ каршылыгы жана LED кээ бир жүктү камсыздайт. Жүктөлбөгөн шартта чыңалуу каалагандан да жогору кетиши мүмкүн экени байкалды. Диоддор күтүлбөгөн жүрүм -турумга алып келиши мүмкүн.

3 -кадам: Теориялык эсептөөлөр

Болжолдоолор:

• Туруктуу ток - Iconst = 0.5A
• Vout @ электрдин өчүшү - Vout = 5.0V
• Конденсатор диоддорго чейин кубатталууда - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Баштоо чыңалуусу (Vcap @ электр өчүүсү) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Электр жарыгынын өчүшү - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Минималдуу Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Конденсатор жабууга тийиш болгон минималдуу убакыт - T = 10 сек

Конденсаторду заряддоого убакыт (теориялык): Заряддоо = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F конденсатор үчүн бул R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 Ом

Эгерде C = 1.0F, Tcharging = 135 сек = 2.5 minuntes

C = 2.5F болсо, Tcharging = 337 сек = 5.7 minuntes

C = 5.0F болсо, Tcharging = 675 сек = 11 minuntes

Божомолдордон, биз туруктуу кубаттуулуктун рейтинги болжол менен болжолдонот: W = I * V = 2.5W

Конденсатордо белгилүү бир энергияны сактоого болот: W = 0.5 * C * V^2

Бул формуладан сыйымдуулукту эсептөөгө болот:

• Мен x Ваттты секундага тарткым келет, мага канча сыйымдуулук керек (Ссылка) C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Мен x секунданын ичинде амперди тарткым келет, мага канча сыйымдуулук керек? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Эгер конденсатордун маанисин 5F деп тандап алсак:

• Туруктуу ток менен бул конденсаторду заряддоо/чыгаруу канча убакытты алат (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 сек
• Бул конденсатордун кубаттуулугу (Вт) менен заряддоо/чыгаруу үчүн канча убакыт керек? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 сек

Эгерде Rcharge = 25ohm колдонсоңуз, кубаттоочу ток болмок

Ал эми заряддоо убактысы болжол менен: Заряддоо = 625 сек = 10,5 мүнөт

4 -кадам: Практикалык өлчөөлөр

Ар кандай конфигурациялар жана сыйымдуулук баалуулуктары сыналды. Сыноону жөнөкөйлөтүү үчүн Arduino көзөмөлдөгөн тест орнотуусу курулган. Схемалар мурунку сүрөттөрдө көрсөтүлгөн.

Үч башка чыңалуу өлчөнүп, натыйжалар теорияга салыштырмалуу жакшы дал келет. Жүк агымдары диоддун рейтингинен алда канча төмөн болгондуктан, алдыга чыңалуунун төмөндөшү бир аз төмөн. Ошентсе да, көрүнүп тургандай, өлчөнгөн супер конденсатор чыңалуусу теориялык эсептөөлөргө дал келет.

Төмөндөгү сүрөттө 2.5F конденсатор менен типтүү өлчөөнү көрө аласыз. Заряддоо убактысы теориялык мааниси 340секке туура келет. 100 кошумча секунддан кийин конденсатордун чыңалуусу кошумча 0,03В гана жогорулап жатат, бул айырмачылык анча чоң эмес жана өлчөө каталарынын диапазонунда.

Отехр фигурасында электр жарыгы үзүлгөндөн кийин Vout чыгыш чыңалуусу VdiodeF2 конденсатордук чыңалуу Vcapтан кичине экенин көрүүгө болот. Айырмасы dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Ченелген убакыттын жыйынтыгын тиркелген таблицадан көрүүгө болот. Көрүнүп тургандай, натыйжалар теориялык эсептөөлөргө дал келбейт. Ченелген убакыттар негизинен эсептелгендерден жакшыраак, башкача айтканда, кээ бир мите курттар эсептөөлөрдө эске алынган эмес. Курулган схеманы карап жатканда, бир нече так аныкталбаган туташуу түйүндөрү бар экенин байкаса болот. Кошумча катары, эсептөөлөр жүктүн жүрүм -турумун жакшы карабайт - чыңалуу төмөндөгөндө ток төмөндөйт. Ошого карабастан, жыйынтыктар келечектүү жана күтүлгөн диапазондо.

5 -кадам: Кээ бир жакшыртуу мүмкүнчүлүктөрү

Супер конденсатордон кийин диоддун ордуна күчөткүч алмаштыргыч колдонулса, иштөө убактысын жакшыртууга болот. Биз карап чыктык, ошентсе да баасы жөнөкөй диодго караганда жогору.

Супер конденсаторду диод аркылуу кубаттоо (менин учурда эки диод) чыңалуунун төмөндөшүн билдирет жана эгер атайын заряддоочу IC колдонулса, аны алып салса болот. Дагы, баа негизги тынчсыздануу болуп саналат.

Же болбосо, жогорку капталдагы которгучтар PNP которгуч менен бирге колдонулушу мүмкүн. Тез ойлонулуучу чечимди төмөндө көрүүгө болот. Бардык өчүргүчтөр 24V кирүүсүнөн иштетилген zener диод аркылуу башкарылат. Эгерде киргизүү чыңалуусу диоддун зенеринин чыңалуусунан төмөн түшсө, PNP которгуч күйгүзүлөт жана башка жогорку капталдагы өчүргүчтөр өчүрүлөт. Бул схема сыналган эмес жана, балким, кээ бир кошумча (пассивдүү) компоненттерди талап кылат.

6 -кадам: Жыйынтык

Ченөөлөр эсептөөлөргө абдан туура келет. Теориялык эсептөөлөр колдонулушу мүмкүн экенин көрсөтүү-сюрприз-сюрприз. Биздин өзгөчө учурда, берилген убакыт аралыгында энергияны жетиштүү көлөмдө камсыз кылуу үчүн 2.5Fтан бир аз көбүрөөк конденсатор керектелет.

Баарынан маанилүүсү, конденсатордун заряддоо схемасы күтүлгөндөй иштейт. Район жөнөкөй, арзан жана жетиштүү. Кээ бир айтылган кемчиликтер бар, бирок төмөн баа жана жөнөкөйлүк муну ордун толтурат.

Бул кичинекей корутунду кимдир бирөө үчүн пайдалуу болот деп үмүттөнөбүз.