Super kondansatör UPS: 6 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:25

Loyiha uchun, men mikrokontrollerni quvvat yo'qolganidan taxminan 10 soniya keyin ishlay oladigan zaxira quvvat tizimini rejalashtirishimni so'rashdi. Fikr shundan iboratki, bu 10 soniya mobaynida kontrollerda etarli vaqt bor

• Nima qilayotganini to'xtating
• Hozirgi holatni xotiraga saqlang
• Quvvatni yo'qotish xabarini yuboring (IoT)
• U o'zini kutish rejimiga o'tkazadi va quvvat yo'qolishini kutadi

Oddiy operatsiya faqat qayta ishga tushirilgandan so'ng boshlanadi. Hali rejalashtirish kerak, agar bu 10 soniya ichida quvvat qaytsa, protsedura qanday bo'lishi mumkin. Biroq, mening vazifam elektr ta'minotiga e'tibor qaratish edi.

Eng oddiy echim tashqi UPS yoki shunga o'xshash narsalardan foydalanish bo'lishi mumkin. Shubhasiz, bunday emas va bizga ancha arzon va kichikroq narsa kerak edi. Qolgan echimlar - batareya yoki super kondansatör. To'liq baholash jarayonida men shunga o'xshash mavzu bo'yicha YouTube -da yaxshi videoni ko'rdim: havola.

Ba'zi mulohazalardan so'ng, super kondansatör davri biz uchun eng yaxshi echim bo'lib tuyuldi. Bu batareyadan bir oz kichikroq (biz juda ko'p ishlatiladigan komponentlardan foydalanmoqchimiz, garchi o'lchamining sababi haqiqatmi yoki yo'qmi, men shaxsan amin emasman), kamroq komponentlarni talab qiladi (ma'nosi- arzonroq) va eng muhimi- bu ancha yaxshi eshitiladi batareyadan ko'ra (muhandis bo'lmaganlar bilan ishlashning oqibatlari).

Sinov sozlamalari nazariyani sinab ko'rish va super kondansatkichli zaryadlovchi tizimlar kerak bo'lganda ishlashini nazorat qilish uchun qurilgan.

Bu ko'rsatma buni qanday qilishni tushuntirishdan ko'ra, nima qilinganini ko'rsatadi.

1 -qadam: tizim tavsifi

Tizim arxitekturasini rasmda ko'rish mumkin. Birinchidan, 230VAC 24VDC ga 5VDC ga aylanadi va oxirida mikrokontroller sxemasi 3.3Vda ishlaydi. Ideal holda, elektr uzilishlarini tarmoq darajasida (230VAC) aniqlash mumkin. Afsuski, biz bunga qodir emasmiz. Shuning uchun, biz 24VDCda quvvat hali ham mavjudligini tekshirishimiz kerak. Shunga o'xshab, AC/DC quvvat manbai saqlash kondensatorlaridan foydalana olmaysiz. Mikrokontroller va boshqa barcha muhim elektronika 3.3V kuchlanishli. Bizning holatda 5V temir yo'l super kondansatör qo'shish uchun eng yaxshi joy deb qaror qilindi. Kondensatorning kuchlanishi asta -sekin pasayganda, mikrokontroller hali ham 3,3 V da ishlashi mumkin.

Talablar:

• Doimiy oqim - Iconst = 0,5 A (@ 5.0V)
• Minimal kuchlanish (min. Ruxsat etilgan kuchlanish 5V temir yo'lda) - Vend = 3.0V
• Kondansatör yopishi kerak bo'lgan minimal vaqt - T = 10 sek

Kondensatorni juda tez zaryad qila oladigan bir nechta maxsus superkondensatorli zaryadlovchi IC-lar mavjud. Bizning holatda, zaryadlash vaqti muhim emas. Shunday qilib, eng oddiy diodli qarshilik sxemasi etarli. Ushbu sxema oddiy va arzon, ba'zi kamchiliklarga ega. Zaryadlash vaqti muammosi allaqachon aytib o'tilgan. Biroq, asosiy kamchilik shundaki, kondansatör to'liq voltajga zaryadlanmaydi (diodli kuchlanish pasayishi). Shunga qaramay, past kuchlanish bizga ijobiy tomonlarini ham keltirishi mumkin.

AVX SCM seriyali ma'lumotlar varag'i (havola) rasmidagi Super kondansatör kutilgan umr egri chizig'ida kutilgan xizmat muddati va ish harorati va qo'llaniladigan kuchlanishni ko'rish mumkin. Agar kondansatör past kuchlanish qiymatiga ega bo'lsa, kutilgan xizmat muddati oshadi. Bu foydali bo'lishi mumkin, chunki past kuchlanishli kondansatör ishlatilishi mumkin. Bunga hali aniqlik kiritish kerak.

O'lchovlarda ko'rsatilgandek, kondansatkichning ishchi kuchlanishi 4,6 V-4,7 V-80% Vt atrofida bo'ladi.

2 -qadam: sinov davri

Ba'zi baholashlardan so'ng, AVX super kondansatörleri sinov uchun tanlangan. Sinovlar 6V uchun baholanadi. Bu biz foydalanmoqchi bo'lgan qiymatga juda yaqin. Shunga qaramay, sinov uchun bu etarli. Uch xil sig'im qiymatlari sinovdan o'tkazildi: 1F, 2.5F va 5F (parallel ravishda 2x 2.5F). Kondensatorlarning reytingi quyidagicha

• Imkoniyatlar aniqligi - 0% +100%
• Nominal kuchlanish - 6V

• Ishlab chiqaruvchi qismi raqami -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Foydalanish muddati - 2000 soat @ 65 ° C

Chiqish kuchlanishining kondansatör voltajiga mos kelishi uchun minimal oldinga kuchlanishli diodlar ishlatiladi. Sinovda VdiodeF2 = 0,22V diodlari VdiodeF1 = 0,5V bo'lgan yuqori oqim bilan birgalikda amalga oshiriladi.

Oddiy LM2596 DC-DC konvertori IC ishlatiladi. Bu juda mustahkam IC va moslashuvchanlikni ta'minlaydi. Sinov uchun har xil yuklar rejalashtirilgan: asosan har xil rezistiv yuk.

Supero'tkazgichga parallel bo'lgan 3.09 kΩ parallel ikkita rezistor kuchlanish barqarorligi uchun kerak. Sinov pallasida super kondansatörler kalitlar orqali ulanadi va agar kondansatkichlarning hech biri ulanmagan bo'lsa, kuchlanish juda yuqori bo'lishi mumkin. Kondensatorlarni himoya qilish uchun ularga parallel 5,1 V zener diodi joylashtirilgan.

Yuklanish uchun 8,1 kΩ qarshilik va LED biroz yuk beradi. Ko'rinib turibdiki, yuklanmagan sharoitda kuchlanish kerakli darajadan oshib ketishi mumkin. Diyotlar kutilmagan xatti -harakatlarga olib kelishi mumkin.

3 -qadam: nazariy hisoblar

Taxminlar:

• Doimiy oqim - Iconst = 0,5A
• Vout @ elektr uzilishi - Vout = 5.0V
• Diodlardan oldin kondansatör zaryadlanish kuchlanishi - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Boshlanish kuchlanishi (Vcap @ elektr uzilishi) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ elektr uzilishi - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Minimal Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Kondansatör yopishi kerak bo'lgan minimal vaqt - T = 10 sek

Kondensatorni zaryad qilish vaqti (nazariy): Zaryadlash = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Ulanishlar

1F kondansatör uchun bu R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohm

Agar C = 1.0F bo'lsa, zaryadlash = 135 sek = 2,5 minut

Agar C = 2.5F bo'lsa, zaryadlash = 337 soniya = 5.7 minut

Agar C = 5.0F bo'lsa, zaryadlash = 675 sek = 11 minut

Taxminlarga ko'ra, doimiy quvvat ko'rsatkichi taxminan: V = I * V = 2,5W

Kondensatorda ma'lum miqdorda energiya to'planishi mumkin: V = 0,5 * C * V^2

Ushbu formuladan foydalanib, sig'imni hisoblash mumkin:

• Men x vattni bir soniya davomida chizmoqchiman, menga qancha sig'im kerak (havola) C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Men t soniya uchun x Amper chizmoqchiman, menga qancha sig'im kerak? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Agar biz kondansatör qiymatini 5F deb tanlasak:

• Bu kondansatkichni doimiy oqim bilan zaryadlash/tushirish uchun qancha vaqt kerak bo'ladi?
• Bu kondansatkichni doimiy quvvat (Vt) bilan zaryad qilish/tushirish uchun qancha vaqt kerak bo'ladi?

Agar Rcharge = 25ohm ishlatilsa, zaryad oqimi bo'ladi

Va taxminan zaryad vaqti: Zaryadlash = 625 sek = 10,5 daqiqa

4 -qadam: Amaliy o'lchovlar

Turli xil konfiguratsiyalar va sig'im qiymatlari sinovdan o'tkazildi. Sinovni soddalashtirish uchun Arduino tomonidan boshqariladigan testlar o'rnatildi. Sxemalar oldingi rasmlarda ko'rsatilgan.

Uch xil kuchlanish o'lchandi va natijalar nazariyaga juda mos keladi. Yuk oqimlari diod ko'rsatkichidan ancha past bo'lgani uchun, oldingi kuchlanish pasayishi biroz pastroq bo'ladi. Shunga qaramay, ko'rinib turganidek, o'lchangan super kondansatör voltaji nazariy hisob -kitoblarga to'liq mos keladi.

Quyidagi rasmda 2,5F kondansatör bilan odatdagi o'lchovni ko'rish mumkin. Zaryadlash vaqti nazariy qiymati 340 sekundga to'g'ri keladi. 100 soniyadan so'ng, kondansatör voltaji faqat 0,03V ga oshadi, bu farqning ahamiyatsizligini va o'lchov xatolar diapazonida.

Boshqa rasmda, elektr uzilishidan so'ng Vout chiqish voltaji Vcap kondansatör voltajidan kichikroq VdiodeF2 ekanligini ko'rish mumkin. Farqi dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

O'lchangan vaqtlarning xulosasini biriktirilgan jadvalda ko'rish mumkin. Ko'rinib turibdiki, natijalar nazariy hisob -kitoblarga to'liq mos kelmaydi. O'lchangan vaqtlar asosan hisoblangan vaqtlardan yaxshiroqdir, ya'ni ba'zi parazitlar hisob -kitoblarda hisobga olinmagan. O'rnatilgan sxemani ko'rib chiqayotganda, bir nechta aniq bo'lmagan ulanish nuqtalari borligini ko'rish mumkin. Bundan tashqari, hisob -kitoblar yukning xatti -harakatlarini yaxshi hisobga olmaydi - kuchlanish pasayganda oqim pasayadi. Shunga qaramay, natijalar umid baxsh etadi va kutilgan diapazonda.

5 -qadam: Ba'zi takomillashtirish imkoniyatlari

Supero'tkazgichdan keyin diod o'rniga kuchaytirgich ishlatilsa, ish vaqtini yaxshilash mumkin. Biz buni ko'rib chiqdik, shunga qaramay, narx oddiy diodaga qaraganda ancha yuqori.

Supero'tkazgichni diod orqali zaryadlash (mening holimda ikkita diod) kuchlanish pasayishini bildiradi va agar maxsus zaryadlovchi IC ishlatilsa, uni olib tashlash mumkin. Shunga qaramay, narx asosiy tashvishdir.

Shu bilan bir qatorda, PNP kaliti bilan birga yuqori yon kalitlardan foydalanish mumkin. Tez o'ylash mumkin bo'lgan echimni quyida ko'rish mumkin. Barcha kalitlar 24V kuchlanishli zener diodi orqali boshqariladi. Agar kirish voltaji diod zener kuchlanishidan pastga tushib qolsa, PNP tugmasi yoqiladi va boshqa yuqori yon kalitlari o'chadi. Bu sxema sinovdan o'tkazilmagan va, ehtimol, ba'zi qo'shimcha (passiv) komponentlarni talab qiladi.

6 -qadam: Xulosa

O'lchovlar hisob -kitoblarga juda mos keladi. Nazariy hisob-kitoblardan foydalanish mumkinligini ko'rsatish-ajablanib-ajablanib. Bizning alohida holatimizda, ma'lum vaqt davomida etarli miqdorda energiya bilan ta'minlash uchun 2,5F dan ortiq kondansatör kerak bo'ladi.

Eng muhimi, kondansatör zaryadlash davri kutilganidek ishlaydi. O'chirish oddiy, arzon va etarli. Yuqorida aytib o'tilgan kamchiliklar mavjud, ammo past narx va soddaligi buning o'rnini bosadi.

Umid qilamanki, bu kichik xulosa kimdir uchun foydali bo'ladi.