Super Capacitor UPS: 6 Hatua (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:51

Kwa mradi, niliulizwa kupanga mfumo wa nguvu ya kuhifadhi ambayo inaweza kuweka mdhibiti mdogo akiendesha sekunde 10 baada ya upotezaji wa umeme. Wazo ni kwamba wakati wa sekunde hizi 10 mtawala ana muda wa kutosha

• Acha chochote kinachofanya
• Hifadhi hali ya sasa kwenye kumbukumbu
• Tuma ujumbe wa kupoteza nguvu (IoT)
• Hugeukia hali ya kusubiri na inasubiri upotezaji wa nguvu

Operesheni ya kawaida huanza tu baada ya kuanza upya. Bado kuna mipango inayohitajika ambayo inaweza kuwa utaratibu ikiwa umeme unarudi wakati wa sekunde hizi 10. Walakini, jukumu langu lilikuwa kuzingatia usambazaji wa umeme.

Suluhisho rahisi zaidi inaweza kuwa kutumia UPS ya nje au kitu kama hicho. Kwa wazi, sivyo ilivyo na tulihitaji kitu cha bei rahisi na kidogo. Suluhisho zilizobaki zinatumia betri au super capacitor. Hasa wakati wa mchakato wa tathmini, niliona video nzuri ya YouTube kuhusu mada kama hiyo: Kiungo.

Baada ya mazingatio kadhaa, mzunguko wa super capacitor ulisikika kama suluhisho bora kwetu. Ni ndogo kidogo kuliko betri (tunataka kutumia vifaa vilivyotumiwa sana, ingawa mimi binafsi sina hakika ikiwa sababu ya saizi ni kweli), inahitaji vifaa kidogo (maana - ni ya bei rahisi) na muhimu zaidi - inasikika bora zaidi kuliko betri (matokeo ya kufanya kazi na wasio wahandisi).

Usanidi wa jaribio ulijengwa ili kujaribu nadharia na kudhibiti ikiwa mifumo ya kuchaji ya capacitor kubwa hufanya kazi kama inavyopaswa.

Agizo hili linaonyesha zaidi kile kilichofanyika badala ya kuelezea jinsi ya kufanya hivyo.

Hatua ya 1: Maelezo ya Mfumo

Usanifu wa mfumo unaweza kuonekana kwenye takwimu. Kwanza, 230VAC inabadilishwa kuwa 24VDC hiyo kuwa 5VDC na mwishowe mzunguko wa microcontroller unaendesha saa 3.3V. Katika hali nzuri, mtu anaweza kugundua umeme umeshindwa tayari kwenye kiwango cha gridi ya taifa (230VAC). Kwa bahati mbaya, hatuwezi kufanya hivyo. Kwa hivyo, lazima tuangalie ikiwa nguvu bado iko kwenye 24VDC. Kama hii, mtu hawezi kutumia vifaa vya kuhifadhi umeme vya AC / DC. Mdhibiti mdogo na umeme mwingine wote muhimu uko kwenye 3.3V. Imeamuliwa kuwa kwa upande wetu reli ya 5V ndio mahali pazuri pa kuongeza super capacitor. Wakati voltage ya capacitor inaoza polepole, mdhibiti mdogo bado anaweza kufanya kazi kwa 3.3V.

Mahitaji:

• Mara kwa mara ya sasa - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Kiwango cha chini cha voltage (min. Kuruhusiwa voltage @ 5V reli) - Vend = 3.0V
• Wakati mdogo ambayo capacitor inapaswa kufunika - T = 10 sec

Kuna anuwai kadhaa maalum ya kuchaji IC-IC ambayo inaweza kuchaji capacitor haraka sana. Kwa upande wetu, wakati wa kuchaji sio muhimu. Kwa hivyo, mzunguko rahisi wa kupinga diode ni wa kutosha. Mzunguko huu ni rahisi na wa bei rahisi na shida kadhaa. Suala la wakati wa kuchaji lilikuwa limetajwa tayari. Walakini, kikwazo kuu ni kwamba capacitor haishtakiwa kwa voltage yake kamili (diode voltage tone). Walakini, voltage ya chini inaweza kutuletea pande nzuri pia.

Katika kitengo cha maisha cha Super capacitor kinachotarajiwa kutoka kwa hati ya safu ya safu ya AVX SCM (kiunga) mtu anaweza kuona wakati wa maisha unaotarajiwa dhidi ya joto la utendaji na voltage iliyotumika. Ikiwa capacitor ina thamani ya chini ya voltage, maisha yanayotarajiwa huongezeka. Hiyo inaweza kuwa na faida kwa kuwa chini capacitor voltage inaweza kutumika. Hiyo inahitaji bado kufafanuliwa.

Kama inavyoonyeshwa katika vipimo voltage ya uendeshaji ya capacitor itakuwa karibu 4.6V-4.7V - 80% Iliyopimwa.

Hatua ya 2: Mzunguko wa Mtihani

Baada ya tathmini kadhaa, capacitors bora za AVX zimechaguliwa kwa majaribio. Wale waliopimwa wamepimwa kwa 6V. Hiyo ni karibu sana na thamani tunayopanga kutumia. Walakini, kwa kusudi la kujaribu inatosha. Thamani tatu tofauti za uwezo wa kujaribiwa zilijaribiwa: 1F, 2.5F na 5F (2x 2.5F sambamba). Ukadiriaji wa capacitors unafuata

• Usahihi wa uwezo - 0% + 100%
• Imepimwa voltage - 6V

• Sehemu ya mtengenezaji nr -

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

Ili kulinganisha voltage ya pato na dioksidi ya capacitor diode ndogo za mbele hutumiwa. Katika mtihani VdiodeF2 = 0.22V diode zinatekelezwa pamoja na zile za juu za sasa na VdiodeF1 = 0.5V.

Rahisi LM2596 DC-DC kubadilisha fedha IC hutumiwa. Hiyo ni IC imara sana na inaruhusu kubadilika. Kwa kupima mizigo tofauti ilipangwa: mzigo tofauti wa upingaji.

Vipinga viwili vinavyofanana vya 3.09kΩ vinavyolingana na capacitor kubwa vinahitajika kwa utulivu wa voltage. Katika mzunguko wa jaribio super capacitors imeunganishwa kupitia swichi na ikiwa hakuna moja ya capacitors imeunganishwa voltage inaweza kuwa kubwa sana. Ili kulinda capacitors diode ya Zener 5.1V imewekwa sawa nao.

Kwa mzigo, kipinga cha 8.1kΩ na LED hutoa mzigo. Ilibainika kuwa hakuna hali ya mzigo voltage inaweza kwenda juu kuliko inavyotakiwa. Diode zinaweza kusababisha tabia isiyotarajiwa.

Hatua ya 3: Mahesabu ya Kinadharia

Mawazo:

• Mara kwa mara ya sasa - Iconst = 0.5A
• Piga @ umeme kushindwa - Vout = 5.0V
• Capacitor kuchaji voltage kabla ya diode - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Anza voltage (Vcap @ kushindwa kwa nguvu) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Piga @ umeme kushindwa - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Kiwango cha chini Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Wakati mdogo ambayo capacitor inapaswa kufunika - T = 10 sec

Wakati wa kuchaji capacitor (kinadharia): Kuchoma = 5 * R * C

R = Malipo + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiode + Uunganisho

Kwa capacitor 1F ni R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27ohm

Ikiwa C = 1.0F, Kubadilisha = 135 sec = 2.5 minuntes

Ikiwa C = 2.5F, Kuchoma = 337 sec = 5.7 minuntes

Ikiwa C = 5.0F, Kubadilisha = sekunde 675 = min mines 11

Kutoka kwa mawazo, tunaweza kudhani kuwa kiwango cha nguvu cha kila wakati ni takriban. W = I * V = 2.5W

Katika capacitor, mtu anaweza kuhifadhi kiasi fulani cha nishati: W = 0.5 * C * V ^ 2

Kutoka kwa fomula hii, uwezo unaweza kuhesabiwa:

• Nataka kuchora x Watts kwa sekunde t, ninahitaji uwezo gani (Kiungo)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Nataka kuchora x Amps kwa sekunde t, ninahitaji uwezo gani? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Ikiwa tunachagua thamani ya capacitor kuwa 5F:

• Itachukua muda gani kuchaji / kutekeleza capacitor hii kwa sasa ya kila wakati (Kiungo)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = sekunde 11.0
• Itachukua muda gani kuchaji / kutekeleza capacitor hii na nguvu ya kila wakati (W)? Tdischarge = 0.5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = sekunde 8.47

Ikiwa unatumia Rcharge = 25ohm sasa ya kuchaji itakuwa

Na wakati wa kuchaji takriban: Kuchoma = 625 sec = dakika 10.5

Hatua ya 4: Vipimo vya Vitendo

Mipangilio tofauti na maadili ya uwezo yalikuwa mtihani. Ili kurahisisha upimaji usanidi wa mtihani uliodhibitiwa wa Arduino ulijengwa. Hesabu zinaonyeshwa kwenye takwimu zilizopita.

Voltages tatu tofauti zilipimwa na matokeo yalilingana vizuri na nadharia. Kwa kuwa mikondo ya mzigo iko chini sana kuliko kiwango cha diode kushuka kwa voltage mbele ni chini kidogo. Walakini, kama inavyoonekana kipimo cha voltage kubwa ya capacitor kinalingana sawa na mahesabu ya nadharia.

Katika takwimu ifuatayo, mtu anaweza kuona kipimo cha kawaida na capacitor ya 2.5F. Wakati wa kuchaji unafaa vizuri na thamani ya kinadharia ya 340sec. Baada ya sekunde 100 za nyongeza voltage ya capacitor imekuwa ikiongezeka tu kwa kuongeza 0.03V, ikimaanisha kuwa tofauti ni ndogo na katika anuwai ya makosa ya kipimo.

Kwenye kielelezo cha otehr, mtu anaweza kuona kwamba baada ya kufeli kwa umeme, Vout ya pato ni VdiodeF2 ndogo kuliko voltage ya capacitor Vcap. Tofauti ni dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Muhtasari wa nyakati zilizopimwa unaweza kuonekana kwenye jedwali lililoambatanishwa. Kama inavyoonekana matokeo hayatoshi kabisa na mahesabu ya nadharia. Nyakati zilizopimwa ni bora zaidi kuliko zile zilizohesabiwa, ikimaanisha kuwa vimelea vingine vilivyosababishwa havikuzingatiwa katika mahesabu. Wakati wa kuangalia mzunguko uliojengwa mtu anaweza kugundua kuwa kuna sehemu kadhaa za unganisho ambazo hazijafafanuliwa vizuri. Kwa kuongezea, mahesabu hayazingatii vizuri tabia ya mzigo - wakati voltage inashuka sasa inakwenda chini. Walakini, matokeo yanaahidi na yapo katika anuwai inayotarajiwa.

Hatua ya 5: Uwezekano wa Kuboresha

Mtu anaweza kuboresha wakati wa kufanya kazi ikiwa mtu atatumia kibadilishaji cha kuongeza badala ya diode baada ya capacitor kubwa. Tumezingatia kuwa, hata hivyo bei ni kubwa kuliko diode rahisi inayo.

Kuchaji capacitor kubwa kupitia diode (kwa upande wangu diode mbili) inamaanisha kushuka kwa voltage na ambayo inaweza kuondolewa ikiwa capacitor maalum ya kuchaji IC inatumiwa. Tena, bei ndio wasiwasi kuu.

Vinginevyo, swichi za upande wa juu zinaweza kutumika pamoja na swichi ya PNP. Suluhisho linalowezekana haraka linaweza kuonekana katika yafuatayo. Swichi zote zinadhibitiwa kupitia diode ya zener ambayo inaendeshwa kutoka kwa pembejeo ya 24V. Ikiwa voltage ya pembejeo inashuka chini ya diode zener voltage swichi ya PNP inawasha na swichi zingine za upande wa juu ZIMA. Mzunguko huu haujaribiwa na labda inahitaji vifaa vingine vya ziada (passiv).

Hatua ya 6: Hitimisho

Vipimo vinafaa vizuri na mahesabu. Kuonyesha kuwa mahesabu ya nadharia yanaweza kutumika - mshangao-mshangao. Katika kesi yetu maalum, zaidi ya 2.5F capacitor inahitajika kutoa kiwango cha kutosha cha nishati kwa muda uliopewa.

Jambo muhimu zaidi, mzunguko wa kuchaji capacitor hufanya kazi kama inavyotarajiwa. Mzunguko ni rahisi, wa bei rahisi na wa kutosha. Kuna shida kadhaa zilizotajwa, hata hivyo, bei ya chini na unyenyekevu hulipa fidia hiyo.

Tunatumahi muhtasari huu mdogo unaweza kuwa na faida kwa mtu.