Як зробити схему зарядного пристрою суперконденсатора

Термін Суперконденсатори та його можливе використання в електричних транспортних засобах, смартфонах та пристроях IoT широко розглядаються останнім часом, але сама ідея суперконденсатора бере свій початок з 1957 року, коли компанія General Electric вперше експериментувала з метою збільшення ємності своїх накопичувачів. конденсатори. Протягом багатьох років технологія суперконденсаторів істотно вдосконалилася, і сьогодні вона використовується як резервна батарея, сонячна енергія та інші програми, де потрібен короткий приріст потужності. У багатьох існує помилкова думка, що розглядати супер-ковпачки як заміну батареї в довгостроковій перспективі, але принаймні за сучасних технологій суперконденсатори - це не що інше, як конденсатори з високою ємністю заряду, ви можете дізнатись більше про суперконденсатори з наших попередніх статей.

У цій статті ми дізнаємося, як безпечно заряджати такі суперконденсатори, спроектувавши просту схему зарядного пристрою, а потім використовувати її для зарядки нашого суперконденсатора, щоб перевірити, наскільки добре він тримає енергію. Подібно до елементів акумуляторних батарей, суперконденсатор також можна комбінувати для формування акумуляторних батарей конденсаторів; підхід до заряджання акумуляторної батареї є іншим і виходить за рамки цієї статті. Тут буде використаний простий і загальнодоступний монетний суперконденсатор 5,5 В 1F, який схожий на монетну комірку. Ми дізнаємось, як заряджати суперконденсатор типу монети та використовувати його у відповідних додатках.

Зарядка суперконденсатора

Порівнюючи суперконденсатор неясно з акумулятором, суперконденсатори мають низьку щільність заряду і гірші характеристики саморозряду, але тим не менше за часом зарядки, терміну придатності та циклу заряду суперконденсатори перевершують батареї. Залежно від наявності струму зарядки суперконденсатори можна зарядити менш ніж за хвилину, і при правильному поводженні вони можуть прослужити більше десяти років.

Порівняно з батареями, суперконденсатори мають дуже низьке значення ESR (еквівалентний послідовний опір), що дозволяє вищому значенню струму протікати в конденсаторі чи виходити з нього, що дозволяє йому швидше заряджатися або розряджатися сильним струмом. Але завдяки цій здатності справлятися з великим струмом, суперконденсатор слід заряджати і розряджати безпечно, щоб запобігти тепловому втечі. Що стосується зарядки суперконденсатора, є два золотих правила: конденсатор повинен заряджатися з правильною полярністю і напругою не більше 90% від його загальної ємності напруги.

Суперконденсатори, які сьогодні продаються, зазвичай розраховані на 2,5 В, 2,7 В або 5,5 В. Так само, як літієвий елемент, ці конденсатори повинні бути з'єднані послідовно і паралельно, щоб утворити акумуляторні батареї високої напруги. На відміну від батарей, конденсатор при послідовному підключенні буде взаємно підсумовувати загальну номінальну напругу, внаслідок чого необхідно додати більше конденсаторів, щоб сформувати акумуляторні батареї гідної вартості. У нашому випадку ми маємо конденсатор 5,5 В 1F, тому напруга зарядки повинна становити 90% від 5,5, тобто десь близько 4,95 В.

Енергія, що зберігається в суперконденсаторі

Використовуючи конденсатори як елементи накопичення енергії для живлення наших пристроїв, важливо визначити енергію, що зберігається в конденсаторі, щоб передбачити, як довго пристрій може живитись. Формули для розрахунку енергії, що зберігається в конденсаторі, можуть бути задані E = 1 / 2CV ². Отже, у нашому випадку для конденсатора 5,5 В 1F при повному заряді накопичена енергія буде

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Джоулів

Тепер, використовуючи це значення, ми можемо підрахувати, як довго конденсатор може живити речі, скажімо, наприклад, якщо нам потрібно 500 мА при 5 В протягом 10 секунд. Тоді енергію, необхідну для цього пристрою, можна розрахувати за формулами Енергія = Потужність х час. Тут потужність розраховується за P = VI, отже, для 500 мА та 5 В потужність становить 2,5 Вт.

Енергія = 2,5 х (10/60 * 60) Енергія = 0,00694 Вт-години або 25 Джоулів

З цього можна зробити висновок, що нам знадобиться принаймні два з цих конденсаторів паралельно (15 + 15 = 30), щоб отримати блок живлення на 30 Джоулів, якого буде достатньо для живлення нашого пристрою протягом 10 секунд.

Визначення полярності суперконденсатора

Що стосується конденсатора та акумуляторів, ми повинні бути дуже обережними з його полярністю. Конденсатор з оберненою полярністю, швидше за все, буде нагріватися і плавитися, а іноді і лопнути в гірших випадках. У нас є конденсатор монетного типу, полярність якого позначена маленькою білою стрілкою, як показано нижче.

Я припускаю, що напрямок стрілки вказує напрямок струму. Ви можете думати про це як про те, що струм завжди тече від позитивного до негативного, а отже, стрілка починається з позитивної сторони і вказує на негативну сторону. Як тільки ви дізнаєтеся про полярність, і якщо вам цікаво її заряджати, ви навіть можете використовувати RPS, встановивши її на 5,5 В (або 4,95 В для безпеки), а потім підключити позитивний відвід RPS до позитивного виводу, а негативний відвід до негативного виводу і ви повинні побачити, як конденсатор заряджається.

Виходячи з поточного рейтингу RPS, ви можете зауважити, що конденсатор заряджається протягом декількох секунд, і як тільки він досягне 5,5 В, він перестане тягнути струм. Цей повністю заряджений конденсатор тепер можна використовувати у відповідному застосуванні, перш ніж він самостійно розрядиться.

Замість того, щоб використовувати RPS у цьому підручнику, ми створимо зарядний пристрій, який регулює 5,5 В від адаптера 12 В, і використовуватимемо його для зарядки суперконденсатора. Напруга конденсатора контролюватиметься за допомогою компаратора операційного підсилювача, і як тільки конденсатор зарядиться, схема автоматично від'єднає суперконденсатор від джерела напруги. Звучить цікаво правильно, так що давайте почнемо.

Необхідні матеріали

• Адаптер 12 В
• LM317 IC регулятор напруги
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 Транзистор PNP
• СВІТЛОДІОДНИЙ
• Резистор
• Конденсатор

Кругова діаграма

Повна електрична схема цієї схеми зарядного пристрою суперконденсатора наведена нижче. Схема була намальована за допомогою програмного забезпечення Proteus, моделювання того ж буде показано далі.

Схема живиться від адаптера 12 В; тоді ми використовуємо LM317 для регулювання 5,5 В для заряджання нашого конденсатора. Але цей 5,5 В буде подаватися на конденсатор через MOSFET, що діє як перемикач. Цей перемикач замикається лише в тому випадку, якщо напруга конденсатора менше 4,86 ​​В, оскільки конденсатор отримує заряди, а при збільшенні напруги перемикач відкриється і запобігає подальшому заряду акумулятора Це порівняння напруги проводиться за допомогою операційного підсилювача, і ми також використовуємо транзистор BC557 PNP, щоб засвітити світлодіод, коли процес зарядки завершено. Наведена вище електрична схема розбита на сегменти нижче для пояснення.

LM317 Регулювання напруги:

Резистори R1 і R2 використовуються для визначення вихідної напруги регулятора LM317 на основі формул Vout = 1,25 х (1 + R2 / R1). Тут ми використовували значення 1k та 3.3k для регулювання вихідної напруги 5,3 В, що досить близько до 5,5 В. Ви можете використовувати наш онлайн-калькулятор для розрахунку бажаної вихідної напруги на основі наявного у вас значення резистора.

Порівняльний апарат

Ми використали мікросхему порівняння LM311 для порівняння величини напруги суперконденсатора з фіксованою напругою. Ця фіксована напруга подається на контакт 2 з використанням схеми дільника напруги. Резистори 2,2k та 1,5k падають напругою 4,86V до 12V. Це 4,86 ​​вольта порівнюється з напругою відновлення (напруга конденсатора), яка підключена до виводу 3. Коли напруга відновлення менше, ніж 4,86 ​​В, вихідний висновок 7 підніметься на 12 В з підтягуючим резистором 10 кВ. Потім ця напруга буде використовуватися для приводу MOSFET.

MOSFET і BC557:

IRFZ44N МОП - транзистор використовується для підключення супер конденсатора для зарядного напруги на основі сигналу від операційного підсилювача. Коли операційний підсилювач стає високим, він виводить 12 В на штифт 7, який включає MOSFET через базовий штифт, аналогічно, коли ОУ стає низьким (0 В), MOSFET буде відкрито. У нас також є транзистор PNP BC557, який увімкне світлодіод, коли MOSFET вимкнений, вказуючи, що напруга конденсатора перевищує 4,8 В.

Моделювання схеми зарядного пристрою суперконденсатора

Для імітації схеми я замінив батарею змінним резистором, щоб забезпечити змінну напругу на виводі 3 оп-підсилювача. Супер конденсатор замінюють світлодіодом, щоб показати, живився він чи ні. Результат моделювання можна знайти нижче.

Як ви можете бачити, як при використанні зондів напруги, коли напруга на інвертуючому штифті є низьким, ніж неінвертуючий штифт, підсилювач піднімається на 12 В на штифті 7, який вмикає MOSFET і, таким чином, заряджає конденсатор (жовтий світлодіод). Цей 12 В також запускає транзистор BC557, щоб вимкнути зелений світлодіод. Зі збільшенням напруги на конденсаторі (потенціометрі) зелений світлодіод увімкнеться, оскільки операційний підсилювач виведе 0 В, як показано вище.

Зарядний пристрій суперконденсатора на обладнанні

Схема досить проста і може бути побудована на макетній панелі, але я вирішив використати плату Perf, щоб я міг повторно використовувати схему в майбутньому при кожній спробі зарядити суперконденсатор. Я також маю намір використовувати його разом із сонячною панеллю для портативних проектів, отже, намагався побудувати її якомога менше і жорсткіше. Моя повна схема, припаяна на пунктирній дошці, показана нижче.

Дві жіночі палички Берга можна постукати за допомогою штифтів алігатора для зарядки конденсатора. Жовтий світлодіод вказує на живлення модуля, а синій - на стан зарядки. Після завершення процесу зарядки світлодіод загориться, інакше залишатиметься вимкненим. Після того, як схема готова, просто підключіть конденсатор, і ви побачите, як синій світлодіод згасне, а через деякий час він знову підніметься високо, що означає, що процес зарядки закінчений. Ви можете побачити плату в зарядженому та зарядженому стані нижче.

Повну роботу можна знайти у відео, поданому внизу цієї сторінки, якщо у вас виникли проблеми з цим, опублікуйте їх у розділі коментарів або використовуйте наші форуми для інших технічних питань.

Покращення дизайну

Наведена тут схема схеми необроблена і працює за призначенням; тут обговорюється кілька обов'язкових удосконалень, які я помітив після збірки. BC557 нагрівається через 12 В на його основі і випромінювачі, тому замість BC557 слід використовувати високовольтний діод.

По-друге, коли конденсаторні зарядні пристрої компаратор напруги вимірює зміну напруги, але коли МОП-транзистор вимикається після зарядки, операційний підсилювач відчуває посилення низької напруги і знову вмикає полевий транзистор, цей процес повторюється кілька разів, перш ніж операційний підсилювач повністю вимкнеться. Схема фіксації на виході операційного підсилювача вирішить проблему.