Sådan oprettes et supercapacitor-opladerkredsløb

Udtrykket superkapacitorer og dets mulige anvendelse i elektriske køretøjer, smartphones og IoT-enheder overvejes i den seneste tid, men ideen om superkondensator selv går tilbage til 1957, da den første gang blev eksperimenteret af General Electric for at øge lagerkapaciteten på dens kondensatorer. I årenes løb er superkondensatorteknologien forbedret betydeligt, idet den i dag bruges som backup af batterier, solenergibanker og andre applikationer, hvor kort strømforøgelse er påkrævet. Mange har en misforståelse for at betragte superhætter som erstatning for batteri i det lange løb, men i det mindste med nutidens teknologi er superkondensatorer ikke andet end kondensatorer med høj opladningskapacitet, du kan vide mere om superkondensatorer fra vores tidligere artikler.

I denne artikel lærer vi, hvordan man oplader sådanne superkondensatorer sikkert ved at designe et simpelt opladerkredsløb og derefter bruge det til at oplade vores superkondensator for at kontrollere, hvor godt det er at holde energi. I lighed med battericeller kan superkondensator også kombineres til at danne kondensatorstrømbanker, tilgangen til at oplade en kondensatorstrømbank er forskellig og ligger uden for anvendelsesområdet for denne artikel. Her skal du bruge den enkle og almindeligt tilgængelige 5.5V 1F Coin Super-kondensator, der ligner en møntcelle. Vi lærer, hvordan man oplader mønttype-superkapacitor og bruger den i egnede applikationer.

Opladning af en superkondensator

Sammenligning af en superkondensator vagt med et batteri har superkondensatorer lav opladningstæthed og dårligere selvafladningsegenskaber, men alligevel med hensyn til opladningstid, holdbarhed og opladningscyklus overgår superkondensatorer batterier. Baseret på opladningens nuværende tilgængelighed kan superkondensatorer oplades på mindre end et minut, og hvis de håndteres korrekt, kan de vare i mere end et årti.

Sammenlignet med batterier har superkondensatorerne en meget lav ESR-værdi (Equivalent series resistance) -værdi, hvilket giver højere strømværdi til at strømme ind eller ud af kondensatoren, så den kan oplades hurtigere eller aflades med høj strøm. Men på grund af denne evne til at håndtere høj strøm, bør en superkondensator oplades og aflades sikkert for at forhindre termisk løb. Når det kommer til opladning af en superkondensator, er der to gyldne regler, kondensatoren skal oplades med korrekt polaritet og med en spænding, der ikke overstiger 90% af dens samlede spændingskapacitet.

Superkondensatorer på markedet i dag er normalt klassificeret til 2,5V, 2,7V eller 5,5V. Ligesom en lithiumcelle skal disse kondensatorer tilsluttes i serie og parallel kombination for at danne højspændingsbatteripakker. I modsætning til batterier vil en kondensator, når den er tilsluttet i serie, gensidigt opsummere den samlede spænding, hvilket gør det nødvendigt at tilføje flere kondensatorer til at danne batteripakker af anstændig værdi. I vores tilfælde har vi en 5,5V 1F kondensator, så opladningsspændingen skal være 90% af 5,5, der er et sted nær 4,95V.

Energi gemt i en super kondensator

Når du bruger kondensatorer som energilagringselementer til at drive vores enheder, er det vigtigt at bestemme den energi, der er lagret i en kondensator, for at forudsige, hvor længe enheden kan få strøm. Formlerne til beregning af den energi, der er lagret i kondensatoren, kan gives ved E = 1 / 2CV ². Så i vores tilfælde for en 5,5V 1F kondensator, når den er fuldt opladet, vil den lagrede energi være

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Nu ved hjælp af denne værdi kan vi beregne, hvor længe kondensatoren kan drive ting, f.eks. Hvis vi har brug for 500mA ved 5V i 10 sekunder. Derefter kan den krævede energi til denne enhed beregnes ved hjælp af formler Energi = Effekt x tid. Her beregnes effekt af P = VI, så for 500mA og 5V er effekten 2,5 watt.

Energi = 2,5 x (10/60 * 60) Energi = 0,00694 Watt-time eller 25 Joule

Ud fra dette kan vi konkludere, at vi har brug for mindst to af disse kondensatorer parallelt (15 + 15 = 30) for at få en strømforsyning på 30 Joule, som vil være nok til at drive vores enhed i 10 sekunder.

Identificering af polaritet på superkondensator

Når det kommer til kondensator og batterier, skal vi være meget forsigtige med dens polaritet. En kondensator med omvendt polaritet vil sandsynligvis varme og smelte og undertiden briste i værste tilfælde. Kondensatoren, som vi har, er af mønttype, hvis polaritet er angivet med en lille hvid pil som vist nedenfor.

Jeg antager, at pilens retning angiver strømretningen. Du kan tænke på det som, strømmen flyder altid fra positiv til negativ, og derfor starter pilen fra den positive side og peger mod den negative side. Når du først kender polariteten, og hvis du er nysgerrig efter at oplade den, kan du endda bruge en RPS til at indstille den til 5,5 V (eller 4,95 V for sikkerhed) og derefter forbinde den positive ledning af RPS til den positive pin og den negative ledning til den negative pin og du skulle se kondensatoren blive opladet.

Baseret på den aktuelle vurdering af RPS kan du bemærke, at kondensatoren oplades inden for få sekunder, og når den når 5.5V, stopper den med at trække mere strøm. Denne fuldt opladede kondensator kan nu bruges i passende applikationer, før den selvaflades.

I stedet for at bruge en RPS i denne vejledning bygger vi en oplader, der regulerer 5.5V fra en 12V adapter og bruger den til at oplade superkondensatoren. Kondensatorens spænding overvåges ved hjælp af en op-amp-komparator, og når kondensatoren er opladet, kobler kredsløbet automatisk superkondensatoren fra spændingskilden. Lyder interessant lige så lad os komme i gang.

Nødvendige materialer

12V adapter
LM317 Spændingsregulator IC
LM311
IRFZ44N
BC557 PNP Transistor
LED
Modstand
Kondensator

Kredsløbsdiagram

Det komplette kredsløbsdiagram for dette Supercapacitor Charger Circuit er angivet nedenfor. Kredsløbet blev tegnet ved hjælp af Proteus-software, simuleringen af det samme vil blive vist senere.

Kredsløbet drives af en 12V adapter; derefter bruger vi en LM317 til at regulere 5,5 V for at oplade vores kondensator. Men denne 5.5V vil blive leveret til kondensator gennem en MOSFET, der fungerer som en switch. Denne switch lukker kun, hvis kondensatorens spænding har mindre end 4,86 V, da kondensatoren får opladninger og spændingsforøgelse, åbnes kontakten og forhindrer, at batteriet oplades yderligere. Denne spændingssammenligning udføres ved hjælp af en op-amp, og vi bruger også en BC557 PNP-transistor til at tænde en LED, når opladningsprocessen er afsluttet. Kredsløbsdiagrammet vist ovenfor er opdelt i segmenter nedenfor til forklaring.

LM317 Spændingsregulering:

Modstanden R1 og R2 bruges til at bestemme udgangsspændingen for LM317-regulatoren baseret på formlerne Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Her har vi brugt en værdi på 1k og 3,3k til at regulere en udgangsspænding på 5,3V, som er tæt nok på 5,5V. Du kan bruge vores online lommeregner til at beregne den ønskede udgangsspænding baseret på den modstandsværdi, der er tilgængelig hos dig.

Op-Amp-komparator:

Vi har brugt LM311-komparator IC til at sammenligne spændingsværdien af superkondensatoren med en fast spænding. Denne faste spænding leveres til pin nummer 2 ved hjælp af et spændingsdelerkredsløb. Modstandene 2,2k og 1,5k falder en spænding på 4,86V fra 12V. Denne 4,86 volt sammenlignes med ref-spænding (kondensatorens spænding), som er forbundet til pin 3. Når ref-spændingen er mindre end 4,86V, vil output pin 7 gå højt med 12V med pull-up 10k modstanden. Denne spænding vil derefter blive brugt til at drive MOSFET.

MOSFET og BC557:

Den IRFZ44N MOSFET bruges til at forbinde den super kondensator til ladespænding baseret på signalet fra op-amp. Når op-forstærkeren går højt, udsender den 12V på pin 7, som tænder MOSFET gennem basestiften på samme måde, når op-amp bliver lav (0V), åbnes MOSFET. Vi har også en PNP-transistor BC557, som tænder lysdioden, når MOSFET er slukket, hvilket indikerer, at kondensatorspændingen er mere end 4,8 V.

Simulering af Supercapacitor Charger Circuit

For at simulere kredsløbet har jeg udskiftet batteriet med en variabel modstand for at give en variabel spænding til pin 3 af op-amp. Superkondensatoren udskiftes med en LED for at vise, om den er tændt eller ej. Simuleringsresultatet kan findes nedenfor.

Som du kan se som at bruge spændingsproberne, når spændingen på inverterende pin er lav end ikke-inverterende pin, går op-amp'en højt med 12V på pin 7, der tænder MOSFET og dermed oplader kondensatoren (gul LED). Denne 12V udløser også BC557-transistoren for at slukke for den grønne LED. Efterhånden som kondensatorens (potentiometer) spænding øges, tændes den grønne LED, da op-forstærkeren afgiver 0V som vist ovenfor.

Supercapacitor-oplader på hardware

Kredsløbet er ret simpelt og kan konstrueres på et brødbræt, men jeg besluttede at bruge et Perf-kort, så jeg i fremtiden kan genbruge kredsløbet i hvert forsøg på at oplade min superkondensator. Jeg har også til hensigt at bruge det sammen med solpanel til bærbare projekter, og derfor prøvede at bygge det så lille og stift som muligt. Mit komplette kredsløb, når det først er loddet på et prikket bord, er vist nedenfor.

De to kvindelige bergstænger kan tappes ved hjælp af alligatorstifter til at oplade kondensatoren. Den gule LED indikerer strømmen til modulet, og den blå LED indikerer status for opladning. Når opladningsprocessen er afsluttet, lyser LED'en ellers forbliver slukket. Når kredsløbet er klar, skal du blot tilslutte kondensatoren, og du skal se den blå LED slukke, og efter en gang vil den gå højt igen for at indikere, at opladningsprocessen er afsluttet. Du kan se tavlen i opladet og opladet tilstand nedenfor.

Det komplette arbejde kan findes i videoen, der er vist nederst på denne side, hvis du har problemer med at få dette til at fungere, skal du poste dem i kommentarsektionen eller bruge vores fora til andre tekniske spørgsmål.

Designforbedringer

Det kredsløbsdesign, der er angivet her, er groft og fungerer til sit formål; nogle få obligatoriske forbedringer, jeg bemærkede efter bygningen, diskuteres her. BC557 bliver varm på grund af 12V på tværs af basen og emitteren, så der skal bruges en højspændingsdiode i stedet for BC557.

For det andet, da kondensatoren oplader, måler spændingskomparatoren ændringen i spænding, men når MOSFET slukkes efter opladning, registrerer op-forstærkeren lav spændingsforstærkning og tænder FET igen, gentages denne proces nogle gange, før op-forstærkeren slukkes helt. Et låsekredsløb på op-amp output vil løse problemet.