Superkondenzátor UPS: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Pro projekt jsem byl požádán, abych naplánoval záložní napájecí systém, který by mohl udržet mikrokontrolér v chodu asi 10 sekund po ztrátě napájení. Myšlenka je, že během těchto 10 sekund má ovladač dostatek času

• Přestaňte s tím, co dělá
• Uložte aktuální stav do paměti
• Odeslat zprávu o ztrátě napájení (IoT)
• Přepne se do pohotovostního režimu a čeká na ztrátu napájení

Normální provoz se spustí až po restartu. Stále je potřeba nějaké plánování, jaký by mohl být postup, pokud se během těchto 10 sekund napájení vrátí. Mým úkolem však bylo soustředit se na napájení.

Nejjednodušším řešením by mohlo být použití externího UPS nebo něco podobného. Očividně tomu tak není a potřebovali jsme něco mnohem levnějšího a menšího. Zbývající řešení používají baterii nebo superkondenzátor. Přesně během procesu hodnocení jsem viděl pěkné video z YouTube na podobné téma: Odkaz.

Po několika úvahách obvod super kondenzátoru zněl jako nejlepší řešení pro nás. Je o něco menší než baterie (chceme používat velmi široce používané komponenty, i když si osobně nejsem jistý, zda je důvod velikosti skutečně pravdivý), vyžaduje méně komponent (což znamená- je levnější) a hlavně- zní mnohem lépe než baterie (důsledky práce s neinženýry).

Bylo vytvořeno testovací zařízení, které testovalo teorii a kontrolovalo, zda nabíjecí systémy superkondenzátorů fungují tak, jak mají.

Tento Instructable ukazuje spíše to, co bylo provedeno, než vysvětluje, jak to udělat.

Krok 1: Popis systému

Architekturu systému lze vidět na obrázku. Nejprve se 230VAC převede na 24VDC, které na 5VDC a nakonec obvod mikrokontroléru běží na 3,3V. V ideálním případě lze výpadek napájení detekovat již na úrovni sítě (230 VAC). Bohužel toho nejsme schopni. Proto musíme zkontrolovat, zda je na 24VDC stále napájení. Takto nelze používat skladovací kondenzátory napájecího zdroje AC/DC. Mikrokontrolér a veškerá další důležitá elektronika jsou na 3,3V. Bylo rozhodnuto, že v našem případě je 5V kolejnice nejlepším místem pro přidání super kondenzátoru. Když se napětí kondenzátoru pomalu rozpadá, mikrokontrolér může stále pracovat na 3,3 V.

Požadavky:

• Konstantní proud - Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimální napětí (min. Povolené napětí na kolejnici 5V) - Vend = 3,0V
• Minimální čas, který musí kondenzátor pokrýt - T = 10 s

K dispozici je několik speciálních integrovaných obvodů pro nabíjení superkondenzátorů, které mohou kondenzátor nabíjet velmi rychle. V našem případě není doba nabíjení kritická. Stačí tedy nejjednodušší obvod s diodovým rezistorem. Tento obvod je jednoduchý a levný s některými nevýhodami. Problém s dobou nabíjení již byl zmíněn. Hlavní nevýhodou však je, že kondenzátor není nabitý na plné napětí (pokles napětí diody). Nicméně nižší napětí nám může přinést také některé pozitivní stránky.

Na křivce očekávané životnosti kondenzátoru Super z datového listu řady AVX SCM (odkaz) je vidět očekávaná životnost v závislosti na provozní teplotě a použitém napětí. Pokud má kondenzátor nižší hodnotu napětí, předpokládaná životnost se prodlouží. To by mohlo být výhodné, protože by mohl být použit kondenzátor nižšího napětí. To je ještě třeba vyjasnit.

Jak bude ukázáno na měření, provozní napětí kondenzátoru bude kolem 4,6 V-4,7 V-80% Vrated.

Krok 2: Test obvodu

Po určitém vyhodnocení byly pro testování vybrány super kondenzátory AVX. Testované jsou dimenzovány na 6V. To je ve skutečnosti příliš blízko hodnotě, kterou plánujeme použít. Nicméně pro účely testování je to dostačující. Byly testovány tři různé hodnoty kapacity: 1F, 2,5F a 5F (2x 2,5F paralelně). Hodnocení kondenzátorů je následující

• Přesnost kapacity - 0% +100%
• Jmenovité napětí - 6V

• Číslo dílu výrobce -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2,5F - SCMS22H255PRBB0
• Životnost - 2 000 hodin při 65 ° C

Aby bylo možné sladit výstupní napětí s napětím kondenzátoru, používají se minimální diody dopředného napětí. V testu jsou implementovány diody VdiodeF2 = 0,22V společně s vysoce proudovými s VdiodeF1 = 0,5V.

Používá se jednoduchý IC převodník DC-DC LM2596. To je velmi robustní IC a umožňuje flexibilitu. Pro testování byly plánovány různé zátěže: hlavně různé odporové zátěže.

Dva paralelní odpory 3,09 kΩ paralelně k super kondenzátoru jsou potřebné pro stabilitu napětí. V testovacím obvodu jsou superkondenzátory připojeny pomocí spínačů a pokud není připojen žádný z kondenzátorů, napětí může být příliš vysoké. K ochraně kondenzátorů je Zenerova dioda 5,1 V umístěna rovnoběžně s nimi.

Pro zátěž poskytuje odpor 8,1 kΩ a LED určité zatížení. Bylo zaznamenáno, že při stavu bez zátěže může napětí jít vyšší, než bylo požadováno. Diody mohou způsobit neočekávané chování.

Krok 3: Teoretické výpočty

Předpoklady:

• Konstantní proud - Iconst = 0,5A
• Vout @ výpadek napájení - Vout = 5,0V
• Nabíjecí napětí kondenzátoru před diodami - Vin55 = Vout + V dioda F1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Počáteční napětí (Vcap @ výpadek napájení) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ výpadek napájení - Vstart = Vcap - VdiodaF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V
• Minimální Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V
• Minimální doba, kterou musí kondenzátor pokrýt - T = 10 s

Doba nabíjení kondenzátoru (teoretická): Nabíjení = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Pro kondenzátor 1F je R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohmů

Pokud C = 1,0 F, Tcharging = 135 s = 2,5 min

Pokud C = 2,5 F, Tcharging = 337 s = 5,7 min

Pokud C = 5,0 F, Tcharging = 675 s = 11 min

Z předpokladů můžeme předpokládat, že konstantní výkon je přibližně: W = I * V = 2,5W

V kondenzátoru lze uložit určité množství energie: W = 0,5 * C * V^2

Z tohoto vzorce by se dala vypočítat kapacita:

• Chci čerpat x wattů po dobu t sekund, kolik kapacity potřebuji (Link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• Chci nakreslit x zesilovač po dobu t sekund, kolik kapacity potřebuji? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Pokud zvolíme hodnotu kondenzátoru 5F:

• Jak dlouho bude trvat nabíjení/vybíjení tohoto kondenzátoru konstantním proudem (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 s
• Jak dlouho bude trvat nabíjení/vybíjení tohoto kondenzátoru s konstantním výkonem (W)? T vybíjení = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 s

Pokud použijete Rcharge = 25 ohmů, bude nabíjecí proud

A doba nabíjení přibližně: Nabíjení = 625 s = 10,5 minuty

Krok 4: Praktická měření

Byly testovány různé konfigurace a hodnoty kapacity. Pro zjednodušení testování bylo vytvořeno nastavení testu řízené Arduinem. Schémata jsou uvedena na předchozích obrázcích.

Byla měřena tři různá napětí a výsledky relativně dobře odpovídaly teorii. Vzhledem k tomu, že zátěžové proudy jsou mnohem nižší než hodnocení diod, je pokles dopředného napětí o něco nižší. Nicméně, jak je vidět, naměřené napětí super kondenzátoru přesně odpovídá teoretickým výpočtům.

Na následujícím obrázku je vidět typické měření s kondenzátorem 2,5F. Doba nabíjení dobře odpovídá teoretické hodnotě 340 s. Po dalších 100 sekundách napětí kondenzátoru stoupá pouze o dalších 0,03 V, což znamená, že rozdíl je zanedbatelný a v rozsahu chyb měření.

Na obrázku otehr je vidět, že po výpadku napájení je výstupní napětí Vout VdiodeF2 menší než napětí kondenzátoru Vcap. Rozdíl je dV = 0,23V = VdiodaF2 = 0,22V.

Souhrn naměřených časů je k vidění v přiložené tabulce. Jak je vidět, výsledky neodpovídají přesně teoretickým výpočtům. Naměřené časy jsou většinou lepší než vypočítané, což znamená, že někteří výslední paraziti nebyli ve výpočtech zohledněni. Při pohledu na vybudovaný obvod si můžete všimnout, že existuje několik špatně definovaných spojovacích bodů. Výpočty navíc nezohledňují chování zátěže - když napětí klesne, proud klesá. Přesto jsou výsledky slibné a pohybují se v očekávaném rozmezí.

Krok 5: Některé možnosti vylepšení

Dalo by se zlepšit provozní dobu, pokud se použije superkonvertor místo diody za superkondenzátorem. Uvažovali jsme o tom, že přesto je cena vyšší, než má jednoduchá dioda.

Nabíjení super kondenzátoru diodou (v mém případě dvěma diodami) znamená pokles napětí, který lze odstranit, pokud je použit speciální IC pro nabíjení kondenzátoru. Opět platí, že hlavní starostí je cena.

Alternativně lze použít přepínače na vysoké straně společně s přepínačem PNP. Rychle uvažované možné řešení lze vidět v následujícím textu. Všechny spínače jsou ovládány zenerovou diodou, která je napájena ze vstupu 24 V. Pokud vstupní napětí klesne pod napětí zenerovy diody, spínač PNP se zapne a ostatní spínače na vysoké straně se vypnou. Tento obvod není testován a pravděpodobně vyžaduje nějaké další (pasivní) komponenty.

Krok 6: Závěr

Měření docela dobře odpovídala výpočtům. Ukazuje, že teoretické výpočty lze použít-překvapení-překvapení. V našem speciálním případě je k zajištění dostatečného množství energie pro dané časové období zapotřebí o něco více než 2,5F kondenzátoru.

Nejdůležitější je, že nabíjecí obvod kondenzátoru funguje podle očekávání. Obvod je jednoduchý, levný a dostačující. Existují některé zmíněné nevýhody, ale nízká cena a jednoduchost to kompenzuje.

Naštěstí může být toto malé shrnutí pro někoho užitečné.