- Super kondensatoriaus įkrovimas
- Energija kaupiama super kondensatoriuje
- Superio kondensatoriaus poliškumo nustatymas
- Reikalingos medžiagos
- Grandinės schema
- Superkondensatoriaus įkroviklio grandinės modeliavimas
- „Supercapacitor“ įkroviklis aparatinėje įrangoje
- Dizaino patobulinimai
Pastaruoju metu plačiai svarstomas terminas „ superkondensatoriai“ ir galimas jo naudojimas elektrinėse transporto priemonėse, išmaniųjų telefonų ir daiktų interneto įrenginiuose, tačiau pati super kondensatoriaus idėja atsirado dar 1957 m., Kai „General Electric“ ją pirmą kartą eksperimentavo norėdama padidinti savo talpos talpumą kondensatoriai. Per daugelį metų „Super“ kondensatorių technologija iš esmės patobulėjo, nes šiandien ji naudojama kaip atsarginės baterijos, saulės energijos bankai ir kitos programos, kur reikia trumpai padidinti energiją. Daugelis klaidingai mano, kad ilgainiui super dangteliai yra baterijos pakaitalas, tačiau bent jau naudojant šiuolaikines technologijas, superkondensatoriai yra ne kas kita, kaip kondensatoriai su dideliu įkrovimo pajėgumu, apie superkondensatorius galite sužinoti daugiau iš ankstesnių mūsų straipsnių.
Šiame straipsnyje mes sužinosime, kaip saugiai įkrauti tokius super kondensatorius, suprojektuojant paprastą įkroviklio grandinę ir tada jį naudojant įkraunant mūsų super kondensatorių, kad patikrintume, ar gerai jis laiko energiją. Panašus į akumuliatoriaus elementus, super kondensatorius taip pat gali būti sujungtas į kondensatoriaus energijos bankus, požiūris į kondensatoriaus maitinimo banko įkrovimą yra kitoks ir nepatenka į šio straipsnio taikymo sritį. Čia bus naudojamas paprastas ir dažniausiai prieinamas 5,5 V 1F „Coin Super“ kondensatorius, kuris atrodo panašus į monetos elementą. Sužinosime, kaip įkrauti monetos tipo superkondensatorių ir naudoti jį tinkamose programose.
Super kondensatoriaus įkrovimas
Lyginant neaiškiai super kondensatorių su akumuliatoriumi, super kondensatoriai turi mažą įkrovimo tankį ir blogesnes savaiminio išsikrovimo charakteristikas, tačiau pagal įkrovimo laiką, galiojimo laiką ir įkrovimo ciklą super kondensatoriai lenkia baterijas. Remiantis įkrovimo srovės prieinamumu, super kondensatoriai gali būti įkraunami greičiau nei per minutę, o tinkamai naudojant - jie gali trukti ilgiau nei dešimtmetį.
Palyginti su baterijomis, super kondensatorių ESR (ekvivalentinės serijos varžos) vertė yra labai maža, tai leidžia didesnei srovės vertei tekėti į kondensatorių arba išeiti iš jo, leidžiantį greičiau įkrauti arba iškrauti esant didelei srovei. Tačiau dėl šios galimybės valdyti didelę srovę super kondensatorius turėtų būti saugiai įkrautas ir iškrautas, kad būtų išvengta terminio pabėgimo. Kalbant apie superkondensatoriaus įkrovimą, yra dvi auksinės taisyklės: kondensatorius turėtų būti įkrautas teisingu poliškumu ir įtampa neviršija 90% visos jo įtampos.
Šiandien rinkoje esantys superkondensatoriai paprastai vertinami 2,5 V, 2,7 V arba 5,5 V. Kaip ir ličio elementai, šie kondensatoriai turi būti jungiami nuosekliai ir lygiagrečiai, kad būtų suformuoti aukštos įtampos akumuliatoriai. Skirtingai nei baterijos, kondensatorius, sujungtas nuosekliai, abipusiai susumuos jo bendrą įtampą, todėl reikia pridėti daugiau kondensatorių, kad susidarytų tinkamos vertės akumuliatorių paketai. Mūsų atveju turime 5.5V 1F kondensatorių, todėl įkrovimo įtampa turėtų būti 90% nuo 5.5, kuri yra kažkur netoli 4.95V.
Energija kaupiama super kondensatoriuje
Naudojant kondensatorius kaip energijos kaupimo elementus mūsų prietaisams maitinti, svarbu nustatyti kondensatoriuje sukauptą energiją, kad būtų galima numatyti, kiek laiko prietaisas gali būti maitinamas. Kondensatoriuje sukauptos energijos apskaičiavimo formules galima pateikti E = 1 / 2CV 2. Taigi, esant 5,5 V 1F kondensatoriui, kai jis bus visiškai įkrautas, sukaupta energija bus
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 džaulių
Dabar, naudodami šią vertę , galime apskaičiuoti, kiek laiko kondensatorius gali maitinti daiktus, tarkime, pavyzdžiui, jei mums reikia 500 mA 5 V įtampai 10 sekundžių. Tada šiam įrenginiui reikalingą energiją galima apskaičiuoti pagal formules Energija = Galia x laikas. Čia galia apskaičiuojama pagal P = VI, taigi 500mA ir 5V galia yra 2,5 W.
Energija = 2,5 x (10/60 * 60) Energija = 0,00694 vatvalandė arba 25 džauliai
Iš to galime daryti išvadą, kad mums reikės bent dviejų šių kondensatorių lygiagrečiai (15 + 15 = 30), kad gautume 30 džaulių maitinimo bloką, kurio pakaks 10 sekundžių įjungti mūsų prietaisą.
Superio kondensatoriaus poliškumo nustatymas
Kalbant apie kondensatorių ir baterijas, turėtume būti labai atsargūs dėl jo poliškumo. Kondensatorius, turintis atvirkštinį poliškumą, greičiausiai kaitins ir išsilydys, o blogiausiu atveju kartais sprogs. Turimas kondensatorius yra monetų tipo, kurio poliškumas nurodytas maža balta rodykle, kaip parodyta žemiau.
Manau, kad rodyklės kryptis rodo srovės kryptį. Galite galvoti apie tai, kad srovė visada teka iš teigiamos į neigiamą, taigi rodyklė prasideda nuo teigiamos pusės ir nukreipta į neigiamą pusę. Sužinoję poliškumą ir norėdami jį įkrauti, netgi galite naudoti RPS, nustatydami jį į 5,5 V (arba 4,95 V saugumui), tada prijunkite teigiamą RPS laidą prie teigiamo kaiščio, o neigiamą - prie neigiamo kaiščio ir turėtumėte pamatyti įkraunamą kondensatorių.
Remiantis dabartiniu RPS įvertinimu, galite pastebėti, kad kondensatorius įkraunamas per kelias sekundes, o pasiekęs 5,5 V jis nustos traukti srovę. Šį visiškai įkrautą kondensatorių dabar galima naudoti tinkamoje programoje, kol jis savaime išsikrauna.
Užuot naudoję RPS šioje instrukcijoje, sukursime įkroviklį, kuris reguliuoja 5,5 V įtampą iš 12 V adapterio, ir naudosime jį super kondensatoriaus įkrovimui. Kondensatoriaus įtampa bus kontroliuojama naudojant op-amp palygintuvą, o įkraunant kondensatorių, grandinė automatiškai atjungs superkondensatorių nuo įtampos šaltinio. Skamba įdomiai, todėl pradėkime.
Reikalingos medžiagos
- 12 V adapteris
- LM317 įtampos reguliatoriaus IC
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP tranzistorius
- LED
- Rezistorius
- Kondensatorius
Grandinės schema
Visa šios superkondensatoriaus įkroviklio grandinės schema pateikta žemiau. Grandinė buvo nubrėžta naudojant „Proteus“ programinę įrangą, kurios modeliavimas bus parodytas vėliau.
Grandinę maitina 12 V adapteris; tada mes naudojame LM317 reguliuoti 5,5 V, kad įkrautume savo kondensatorių. Bet šis 5,5 V bus tiekiamas kondensatoriui per MOSFET, veikiantį kaip jungiklis. Šis jungiklis užsidarys tik tuo atveju, jei kondensatoriaus įtampa yra mažesnė nei 4,86 V, nes kondensatorius ima krūvį ir padidėja įtampa. Jungiklis atsidarys ir neleis baterijai toliau įkrauti. Šis įtampos palyginimas atliekamas naudojant op-amp, o mes taip pat naudojame BC557 PNP tranzistorių, kad švytėtų šviesos diodas, kai įkrovimo procesas bus baigtas. Aukščiau parodyta grandinės schema paaiškinimams suskaidyta į toliau pateiktus segmentus.
LM317 įtampos reguliavimas:
Rezistorius R1 ir R2 yra naudojamas norint nustatyti LM317 reguliatoriaus išėjimo įtampą remiantis formulėmis Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Čia mes naudojome 1k ir 3.3k vertę, kad reguliuotume 5,3 V išėjimo įtampą, kuri yra pakankamai artima 5,5 V. Norėdami naudoti norimą išėjimo įtampą, galite apskaičiuoti norimą išėjimo įtampą pagal turimą rezistoriaus vertę.
„Op-Amp“ lygintuvas:
Mes naudojome LM311 palyginamąjį IC, kad palygintume super kondensatoriaus įtampos vertę su fiksuota įtampa. Ši fiksuota įtampa tiekiama į kaištį Nr. 2, naudojant įtampos skirstytuvo grandinę. Rezistoriai 2,2 k ir 1,5 k sumažina 4,86 V įtampą nuo 12 V įtampos. Ši 4,86 voltų įtampa lyginama su ref įtampa (kondensatoriaus įtampa), kuri yra prijungta prie 3 kaištelio. Kai ref įtampa yra mažesnė nei 4,86 V, išėjimo kaištis 7 pakils aukštai, kai įtampa 12k, kai pakeliamas 10k rezistorius. Tada ši įtampa bus naudojama MOSFET valdyti.
MOSFET ir BC557:
IRFZ44N MOP naudojamas prijungti super kondensatorius įkrovimo įtampa remiantis signalas iš op-amp. Kai operacinis stiprintuvas eina aukštai, jis išleidžia 12 V ant 7 kaiščio, kuris įjungia MOSFET per pagrindinį kaištį panašiai, kai op-amp eina žemai (0 V), MOSFET bus atidarytas. Mes taip pat turime PNP tranzistorių BC557, kuris įjungs šviesos diodą, kai MOSFET bus išjungtas, nurodant, kad kondensatoriaus įtampa yra didesnė nei 4,8 V.
Superkondensatoriaus įkroviklio grandinės modeliavimas
Norėdami imituoti grandinę, aš pakeičiau akumuliatorių kintamu rezistoriumi, kad kintama įtampa būtų 3 op-amp. „Super“ kondensatorius pakeičiamas šviesos diodu, kuris parodo, ar jis maitinamas, ar ne. Modeliavimo rezultatą galite rasti žemiau.
Kaip matote, kaip naudojant įtampos zondus, kai įtampa ant invertuojančio kaiščio yra maža nei ne invertuojančio kaiščio, op-amp padidėja su 12 V ant 7 kaiščio, kuris įjungia MOSFET ir taip įkrauna kondensatorių (geltonas šviesos diodas). Šis 12 V taip pat įjungia tranzistorių BC557, kad jis išjungtų žalią šviesos diodą. Padidėjus kondensatoriaus (potenciometro) įtampai, užsidegs žalias šviesos diodas, nes op-amp bus išvestas 0V, kaip parodyta aukščiau.
„Supercapacitor“ įkroviklis aparatinėje įrangoje
Grandinė yra gana paprasta ir gali būti sukonstruota ant duonos lentos, bet aš nusprendžiau naudoti „Perf“ plokštę, kad ateityje galėčiau pakartotinai naudoti grandinę bandydamas įkrauti savo super kondensatorių. Taip pat ketinu jį naudoti kartu su saulės baterijomis nešiojamiems projektams, todėl bandžiau jį pastatyti kuo mažesnį ir tvirtesnį. Mano visa grandinė, lituota ant punktyrinės lentos, parodyta žemiau.
Dvi moteriškos bergų lazdelės gali būti paspaudžiamos naudojant aligatoriaus kaiščius kondensatoriui įkrauti. Geltonas šviesos diodas rodo modulio maitinimą, o mėlynas - įkrovimo būseną. Kai įkrovimo procesas bus baigtas, šviesos diodas užsidegs, kitas liks išjungtas. Kai grandinė bus paruošta, tiesiog prijunkite kondensatorių ir turėtumėte pamatyti, kad užges mėlynas šviesos diodas, o po kurio laiko jis vėl pakils, nurodydamas, kad įkrovimo procesas baigtas. Žemiau galite pamatyti plokštės įkrovimo ir įkrovimo būseną.
Visą darbą galite rasti vaizdo įraše, pateiktame šio puslapio apačioje, jei turite kokių nors problemų tai padaryti, paskelbkite juos komentarų skiltyje arba naudokitės mūsų forumais dėl kitų techninių klausimų.
Dizaino patobulinimai
Čia pateiktas grandinės dizainas yra neapdorotas ir veikia pagal paskirtį; čia aptariami keli privalomi patobulinimai, kuriuos pastebėjau po sukūrimo. BC557 įkaista dėl 12 V visoje pagrindo dalyje ir spinduolio, todėl vietoje BC557 turėtų būti naudojamas aukštos įtampos diodas.
Antra, kai kondensatoriaus įkrovikliai, įtampos palygintuvas matuoja įtampos pokytį, tačiau kai MOSFET išsijungia po įkrovimo, op-amp pajunta mažą įtampos padidėjimą ir vėl įjungia FET, šis procesas kartojamas keletą kartų, kol op-amp visiškai išsijungs. Užfiksuojanti grandinė op-amp išėjime išspręs problemą.