Cum se face un circuit de încărcare a supercapacitorului

Termenul de supercondensatori și posibila sa utilizare în vehiculele electrice, dispozitivele Smartphone și IoT sunt luate în considerare pe larg în ultima vreme, însă ideea supercondensatorului datează din 1957, când a fost experimentat de General Electric pentru a crește capacitatea de stocare a acestuia. condensatoare. De-a lungul anilor, tehnologia supercondensatorului s-a îmbunătățit substanțial, deoarece astăzi este utilizată ca rezervă a bateriei, bănci de energie solară și alte aplicații în care este necesară o creștere scurtă a puterii. Mulți au o concepție greșită de a considera super capacele ca înlocuitoare pentru baterie pe termen lung, dar cel puțin cu tehnologia actuală supercondensatorii nu sunt altceva decât condensatori cu capacitate mare de încărcare, puteți afla mai multe despre supercondensatori din articolele noastre anterioare.

În acest articol vom învăța cum să încărcăm în siguranță astfel de supercondensatoare prin proiectarea unui circuit simplu de încărcare și apoi să-l folosim pentru a încărca supercondensatorul nostru pentru a verifica cât de bun este să rețină energia. Similar cu celulele bateriei, supercapacitorul poate fi, de asemenea, combinat pentru a forma bănci de putere ale condensatorului, abordarea de a încărca o baterie de putere a condensatorului este diferită și se află în afara scopului acestui articol. Aici se va folosi super-condensatorul de monede de 5,5V 1F, simplu și disponibil în mod obișnuit, care arată similar cu o celulă monedă. Vom învăța cum să încărcăm supercapacitor de tip monedă și să-l folosim în aplicații adecvate.

Încărcarea unui super-condensator

Comparând vag un supercondensator cu o baterie, supercondensatorii au densitate de încărcare redusă și caracteristici de auto-descărcare mai slabe, dar totuși în ceea ce privește timpul de încărcare, durata de valabilitate și supercondensatorii din ciclul de încărcare depășesc bateriile. Pe baza disponibilității curente de încărcare, supercondensatorii pot fi încărcați în mai puțin de un minut și, dacă sunt manipulați corect, pot dura mai mult de un deceniu.

Comparativ cu bateriile, supercondensatorii au o valoare ESR (rezistență serie echivalentă) foarte scăzută, aceasta permite o valoare mai mare a curentului să circule sau să iasă din condensator, permițându-i să se încarce mai repede sau să se descarce cu curent mare. Dar, datorită acestei capacități de manipulare a curentului ridicat, un supercondensator ar trebui să fie încărcat și descărcat în siguranță pentru a preveni fuga termică. Când vine vorba de încărcarea unui super-condensator, există două reguli de aur, condensatorul trebuie încărcat cu polaritate corectă și cu o tensiune care nu depășește 90% din capacitatea sa totală de tensiune.

În prezent, supercondensatorii de pe piață sunt nominalizați la 2,5V, 2,7V sau 5,5V. La fel ca o celulă de litiu, aceste condensatoare trebuie conectate în serie și în combinație paralelă pentru a forma pachete de baterii de înaltă tensiune. Spre deosebire de baterii, un condensator conectat în serie va suma reciprocă a tensiunii totale, ceea ce face necesară adăugarea mai multor condensatori pentru a forma pachete de baterii de valoare decentă. În cazul nostru avem un condensator 5,5V 1F, astfel încât tensiunea de încărcare ar trebui să fie de 90% de 5,5, adică undeva aproape de 4,95V.

Energie stocată într-un super condensator

Când folosiți condensatori ca elemente de stocare a energiei pentru a alimenta dispozitivele noastre, este important să determinați energia stocată într-un condensator pentru a prezice cât timp ar putea fi alimentat dispozitivul. Formulele pentru calcularea energiei stocate în condensator pot fi date de E = 1 / 2CV ². Deci, în cazul nostru, pentru un condensator 5,5V 1F, atunci când este încărcat complet, energia stocată va fi

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Acum, folosind această valoare putem calcula cât timp condensatorul poate alimenta lucrurile, să spunem de exemplu dacă avem nevoie de 500mA la 5V timp de 10 secunde. Apoi, energia necesară pentru acest dispozitiv poate fi calculată folosind formulele Energie = Putere x timp. Aici puterea este calculată de P = VI, deci pentru 500mA și 5V puterea este de 2,5 wați.

Energie = 2,5 x (10/60 * 60) Energie = 0,00694 Watt-oră sau 25 Jouli

Din aceasta putem concluziona că vom avea nevoie de cel puțin doi dintre acești condensatori în paralel (15 + 15 = 30) pentru a obține un pachet de putere de 30 Jouli, care va fi suficient pentru a alimenta dispozitivul nostru timp de 10 secunde.

Identificarea polarității pe super condensator

Când vine vorba de condensator și baterii, ar trebui să fim foarte precauți în ceea ce privește polaritatea acestuia. Un condensator cu polaritate inversă se va încălzi și se va topi cel mai probabil și, uneori, va exploda în scenariile cele mai grave. Condensatorul pe care îl avem este de tip monedă, a cărui polaritate este indicată cu o săgeată albă mică, așa cum se arată mai jos.

Presupun că direcția săgeții indică direcția curentului. Vă puteți gândi la asta, curentul curge întotdeauna de la pozitiv la negativ și, prin urmare, săgeata începe din partea pozitivă și indică partea negativă. După ce cunoașteți polaritatea și dacă sunteți curioși să o încărcați, puteți folosi chiar un RPS, setați-l la 5,5 V (sau 4,95 V pentru siguranță) și apoi conectați cablul pozitiv al RPS la pinul pozitiv și negativ la pinul negativ și ar trebui să vedeți condensatorul încărcat.

Pe baza valorii actuale a RPS, puteți observa că condensatorul se încarcă în câteva secunde și, odată ce ajunge la 5,5V, nu va mai trage curent. Acest condensator complet încărcat poate fi utilizat acum în aplicații adecvate înainte de a se descărca singur.

În loc să folosim un RPS în acest tutorial, vom construi un încărcător care reglează 5.5V formează un adaptor de 12V și îl vom folosi pentru a încărca supercondensatorul. Tensiunea condensatorului va fi monitorizată folosind un comparator op-amp și odată ce condensatorul este încărcat, circuitul va deconecta automat super-condensatorul de la sursa de tensiune. Sună interesant, așa că hai să începem.

Materiale necesare

• Adaptor 12V
• IC regulator de tensiune LM317
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP tranzistor
• LED
• Rezistor
• Condensator

Diagrama circuitului

Schema completă a circuitului pentru acest circuit de încărcare a supercapacitorului este prezentată mai jos. Circuitul a fost desenat folosind software-ul Proteus, simularea acestuia va fi prezentată mai târziu.

Circuitul este alimentat de un adaptor de 12V; apoi folosim un LM317 pentru a regla 5.5V pentru a ne încărca condensatorul. Dar acest 5.5V va fi furnizat condensatorului printr-un MOSFET care acționează ca un comutator. Acest comutator se va închide numai dacă tensiunea condensatorului are mai puțin de 4,86 ​​V, deoarece condensatorul se încarcă și crește tensiunea, comutatorul se va deschide și va împiedica încărcarea bateriei în continuare. Această comparație de tensiune se face folosind un amplificator opțional și folosim, de asemenea, un tranzistor BC557 PNP pentru a aprinde un LED atunci când procesul de încărcare este finalizat. Schema de circuit prezentată mai sus este împărțită în segmente de mai jos pentru explicații.

Reglarea tensiunii LM317:

Rezistorul R1 și R2 este utilizat pentru a decide tensiunea de ieșire a regulatorului LM317 pe baza formulelor Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Aici am folosit o valoare de 1k și 3.3k pentru a regla o tensiune de ieșire de 5.3V suficient de aproape de 5.5V. Puteți utiliza calculatorul nostru online pentru a calcula tensiunea de ieșire dorită pe baza valorii rezistorului disponibile la dumneavoastră.

Comparator Op-Amp:

Am folosit IC comparatorul LM311 pentru a compara valoarea tensiunii supercondensatorului cu o tensiune fixă. Această tensiune fixă ​​este furnizată pinului 2 utilizând un circuit divizor de tensiune. Rezistoarele 2.2k și 1.5k scad o tensiune de 4.86V de la 12V. Acest 4,86 ​​volți este comparat cu tensiunea ref (tensiunea condensatorului) care este conectată la pinul 3. Când tensiunea ref este mai mică de 4,86V pinul de ieșire 7 va crește cu 12V cu rezistența de 10k. Această tensiune va fi apoi utilizată pentru a conduce MOSFET-ul.

MOSFET și BC557:

IRFZ44N MOSFET este utilizat pentru a conecta super - condensator la tensiunea de încărcare bazat pe semnalul de la op-AMP. Când op-amp-ul se ridică, acesta scoate 12V pe pinul 7, care pornește MOSFET-ul prin pinul de bază în mod similar atunci când op-amp-ul scade (0V), MOSFET-ul va fi deschis. Avem, de asemenea, un tranzistor PNP BC557 care va porni LED-ul atunci când MOSFET-ul este oprit, indicând faptul că tensiunea condensatorului este mai mare de 4,8V.

Simularea circuitului încărcătorului supercapacitorului

Pentru a simula circuitul, am înlocuit bateria cu un rezistor variabil pentru a oferi o tensiune variabilă la pinul 3 al amplificatorului op. Super condensatorul este înlocuit cu un LED pentru a arăta dacă este alimentat sau nu. Rezultatul simulării poate fi găsit mai jos.

După cum puteți vedea ca folosind sondele de tensiune, atunci când tensiunea pe pinul inversor este scăzută decât pinul neinversibil, op-amplificatorul crește cu 12V pe pinul 7, care pornește MOSFET și astfel încarcă condensatorul (LED galben). Acest 12V declanșează, de asemenea, tranzistorul BC557 pentru a opri LED-ul verde. Pe măsură ce crește tensiunea condensatorului (potențiometrului), LED-ul verde se va aprinde, deoarece amplificatorul operațional va emite 0V după cum se arată mai sus.

Încărcător de supercondensator pe hardware

Circuitul este destul de simplu și poate fi construit pe o placă, dar am decis să folosesc o placă Perf, astfel încât să pot reutiliza circuitul în viitor, la fiecare încercare de a-mi încărca supercondensatorul. De asemenea, intenționez să-l folosesc împreună cu panoul solar pentru proiecte portabile, prin urmare am încercat să-l construiesc cât mai mic și rigid posibil. Circuitul meu complet odată lipit pe o placă punctată este prezentat mai jos.

Cele două bețișoare de sex feminin pot fi lovite cu ajutorul unor pini de aligator pentru a încărca condensatorul. LED-ul galben indică puterea modulului, iar ledul albastru indică starea de încărcare. Odată ce procesul de încărcare este finalizat, LED-ul se va aprinde, altfel va rămâne stins. Odată ce circuitul este gata, conectați pur și simplu condensatorul și ar trebui să vedeți cum LED-ul albastru se stinge și, după ceva timp, se va ridica din nou pentru a indica procesul de încărcare finalizat. Puteți vedea placa în starea de încărcare și încărcare de mai jos.

Funcționarea completă poate fi găsită în videoclipul dat în partea de jos a acestei pagini, dacă aveți vreo problemă pentru ca acest lucru să funcționeze, postați-l în secțiunea de comentarii sau utilizați forumurile noastre pentru alte întrebări tehnice.

Îmbunătățiri de proiectare

Proiectarea circuitului prezentată aici este brută și funcționează în scopul său; câteva îmbunătățiri obligatorii pe care le-am observat după construire sunt discutate aici. BC557 se încălzește din cauza celor 12V pe bază și emițător, astfel încât o diodă de înaltă tensiune ar trebui utilizată în locul BC557.

În al doilea rând, pe măsură ce condensatorul se încarcă, comparatorul de tensiune măsoară schimbarea de tensiune, dar atunci când MOSFET se oprește după încărcare, amplificatorul de operare detectează câștigul de tensiune scăzută și pornește din nou FET-ul, acest proces se repetă de câteva ori înainte ca op-amp-ul să se oprească complet. Un circuit de blocare pe ieșirea op-amp va rezolva problema.