- Polnjenje superkondenzatorja
- Energija shranjena v super kondenzatorju
- Prepoznavanje polarnosti na super kondenzatorju
- Potrebni materiali
- Shema vezja
- Simulacija vezja polnilnika superkondenzatorja
- Supercapacitor polnilnik na strojni opremi
- Izboljšave oblikovanja
Izraz superkondenzatorji in njegova možna uporaba v električnih vozilih, pametnih telefonih in napravah IoT se v zadnjem času obsežno obravnavajo, vendar ideja o samem super kondenzatorju sega v leto 1957, ko ga je General Electric prvič eksperimentiral za povečanje zmogljivosti shranjevanja kondenzatorji. Z leti se je tehnologija super kondenzatorjev bistveno izboljšala, tako da se danes uporablja kot rezervna baterija, sončna energija in druge aplikacije, kjer je potrebno kratko povečanje moči. Mnogi imajo napačno predstavo, da bi super kape dolgoročno lahko zamenjali kot baterijo, toda vsaj z današnjo tehnologijo superkondenzatorji niso nič drugega kot kondenzatorji z visoko zmogljivostjo polnjenja, o superkondenzatorjih lahko veste več iz naših prejšnjih člankov.
V tem članku se bomo naučili varnega polnjenja takšnih super kondenzatorjev z načrtovanjem preprostega vezja polnilnika in nato z njim napolnili naš super kondenzator, da preverimo, kako dobro zadržuje energijo. Podobno kot pri akumulatorskih celicah lahko tudi super kondenzator kombiniramo v kondenzatorske napajalne banke, je pristop za polnjenje kondenzatorske napajalne banke drugačen in je zunaj področja uporabe tega članka. Tukaj bomo uporabili preprost in splošno dostopen kondenzator kovancev 5,5 V 1F, ki je podoben kovanski celici. Naučili se bomo, kako napolniti superkondenzator tipa kovanca in ga uporabiti v ustreznih aplikacijah.
Polnjenje superkondenzatorja
Če primerjamo super kondenzator nejasno z baterijo, imajo super kondenzatorji nizko gostoto naboja in slabše lastnosti samopraznjenja, vendar pa glede na čas polnjenja, rok uporabnosti in polnilnega cikla super kondenzatorji prekašajo baterije. Glede na razpoložljivost polnilnega trenutka je super kondenzatorje mogoče napolniti v manj kot minuti in ob pravilnem ravnanju lahko zdrži več kot desetletje.
V primerjavi z baterijami imajo super kondenzatorji zelo nizko vrednost ESR (ekvivalentna serijska upornost), kar omogoča, da večja vrednost toka teče v ali iz kondenzatorja, kar mu omogoča hitrejše polnjenje ali praznjenje z velikim tokom. Toda zaradi te sposobnosti obvladovanja visokega toka je treba super kondenzator napolniti in varno izprazniti, da se prepreči toplotni uhajanje. Ko gre za polnjenje super-kondenzatorja, obstajata dve zlati pravili: kondenzator je treba polniti s pravilno polariteto in z napetostjo, ki ne presega 90% celotne napetosti.
Superkondenzatorji, ki so danes na trgu, so običajno ocenjeni na 2,5 V, 2,7 V ali 5,5 V. Tako kot litijeve celice je treba tudi te kondenzatorje povezati zaporedno in vzporedno, da tvorijo visokonapetostne baterije. Za razliko od baterij bo kondenzator, ko bo priključen zaporedno, vzajemno povzel svojo skupno napetost, zato bo treba dodati več kondenzatorjev, da bodo tvorili akumulatorje dostojne vrednosti. V našem primeru imamo 5,5V 1F kondenzator, zato mora biti polnilna napetost 90% od 5,5, kar je nekje blizu 4,95V.
Energija shranjena v super kondenzatorju
Ko uporabljamo kondenzatorje kot elemente za shranjevanje energije za napajanje naših naprav, je pomembno določiti energijo, shranjeno v kondenzatorju, da predvidimo, kako dolgo se naprava lahko napaja. Formule za izračun energije, shranjene v kondenzatorju, lahko dobimo z E = 1 / 2CV 2. Tako bo v našem primeru za kondenzator 5,5 V 1F, ko bo popolnoma napolnjen, shranjena energija
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 džuljev
Zdaj lahko s pomočjo te vrednosti izračunamo, kako dolgo lahko kondenzator napaja stvari, na primer, če potrebujemo 500 mA pri 5V 10 sekund. Nato lahko energijo, potrebno za to napravo, izračunamo s formulo Energija = Moč x čas. Tu se moč izračuna s P = VI, tako da je za 500mA in 5V moč 2,5 W.
Energija = 2,5 x (10/60 * 60) Energija = 0,00694 vatne ure ali 25 Joulov
Iz tega lahko sklepamo, da bomo potrebovali vsaj dva od teh kondenzatorjev vzporedno (15 + 15 = 30), da dobimo napajalnik 30 Joulov, kar bo dovolj za napajanje naše naprave 10 sekund.
Prepoznavanje polarnosti na super kondenzatorju
Ko gre za kondenzator in baterije, moramo biti zelo previdni pri njegovi polarnosti. Kondenzator z inverzno polarnostjo se bo najverjetneje segrel in stopil, včasih pa tudi počil v najslabšem primeru. Kondenzator, ki ga imamo, je kovanega tipa, katerega polarnost je označena z majhno belo puščico, kot je prikazano spodaj.
Predvidevam, da smer puščice kaže smer toka. Lahko si mislite tako, tok vedno teče iz pozitivnega v negativni, zato se puščica začne s pozitivne strani in kaže proti negativni strani. Ko poznate polarnost in jo želite polniti, lahko celo uporabite RPS, ki ga nastavite na 5,5 V (ali 4,95 V zaradi varnosti), nato pa pozitivni vod RPS povežete s pozitivnim in negativni vodnik na negativni pin videli bi, kako se kondenzator polni.
Glede na trenutno oceno RPS lahko opazite, da se kondenzator polni v nekaj sekundah in ko doseže 5,5 V, preneha vleči več toka. Ta popolnoma napolnjen kondenzator lahko zdaj uporabite v ustrezni aplikaciji, preden se samoprazni.
Namesto da bi v tej vadnici uporabili RPS, bomo zgradili polnilnik, ki uravnava 5,5 V iz 12V adapterja in ga uporabili za polnjenje super kondenzatorja. Napetost kondenzatorja bomo spremljali s primerjalnikom op-amp in ko bo kondenzator napolnjen, bo vezje samodejno odklopilo superkondenzator od napetostnega vira. Sliši se zanimivo, zato začnimo.
Potrebni materiali
- 12V adapter
- LM317 Napetostni regulator IC
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP tranzistor
- LED
- Upor
- Kondenzator
Shema vezja
Celoten diagram vezja za to polnilno vezje Supercapacitor je podan spodaj. Vezje je bilo narisano s pomočjo programske opreme Proteus, simulacija iste pa bo prikazana kasneje.Vezje napaja 12V adapter; nato z LM317 uravnavamo 5,5 V za polnjenje kondenzatorja. Toda ta 5,5 V bo dobavljen kondenzatorju prek MOSFET-a, ki deluje kot stikalo. To stikalo se bo zaprlo le, če ima napetost kondenzatorja manj kot 4,86 V, ko se kondenzator polni in se napetost poveča, stikalo se odpre in prepreči nadaljnje polnjenje akumulatorja. Ta primerjava napetosti je narejena z opcijskim ojačevalnikom, uporabljamo pa tudi tranzistor BC557 PNP, da zasveti LED, ko je postopek polnjenja končan. Zgoraj prikazan diagram vezja je razložen na spodnje segmente za razlago.
LM317 Regulacija napetosti:
Upor R1 in R2 se uporablja za določanje izhodne napetosti regulatorja LM317 na podlagi formul Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Tu smo uporabili vrednost 1k in 3,3k za uravnavanje izhodne napetosti 5,3V, ki je dovolj blizu 5,5V. Z našim spletnim kalkulatorjem lahko izračunate želeno izhodno napetost na podlagi vrednosti upora, ki je na voljo pri vas.
Primerjalnik op-amp:
Za primerjavo napetostne vrednosti super kondenzatorja s fiksno napetostjo smo uporabili primerjalno vezje LM311. Ta fiksna napetost je podana na pin št. 2 z vezjem delilnika napetosti. Upori 2.2k in 1.5k spustijo napetost 4.86V iz 12V. Ta 4,86 volta primerjamo z ref napetostjo (napetostjo kondenzatorja), ki je priključena na zatič 3. Ko je ref napetost manjša od 4,86 V, se bo izhodni zatič 7 z 12 V dvignil z upogljivim 10 k uporom. Ta napetost bo nato uporabljena za pogon MOSFET-a.
MOSFET in BC557:
IRFZ44N MOSFET se uporablja za priključitev super kondenzator za polnjenje napetost, ki temelji na signalu iz op-amp. Ko se op-amp poveča, odda 12V na pin 7, ki vklopi MOSFET skozi osnovni zatič podobno, ko op-amp postane nizek (0V), se MOSFET odpre. Imamo tudi PNP tranzistor BC557, ki bo vklopil LED, ko bo MOSFET izklopljen, kar kaže, da je napetost kondenzatorja večja od 4,8 V.
Simulacija vezja polnilnika superkondenzatorja
Za simulacijo vezja sem baterijo zamenjal s spremenljivim uporom, da sem zagotovil spremenljivo napetost na pin 3 op-ojačevalnika. Super kondenzator je zamenjan z LED, ki prikazuje, ali se napaja ali ne. Rezultat simulacije najdete spodaj.
Kot lahko vidite pri uporabi napetostnih sond, ko je napetost na invertirnem zatiču nizka kot pri neinvertirnem zatiču, se ojačevalnik poveča na 12 V na zatiču 7, ki vklopi MOSFET in tako napolni kondenzator (rumena LED). Ta 12V sproži tudi tranzistor BC557, da izklopi zeleno LED. Ko se napetost kondenzatorja (potenciometra) poveča, se prižge zelena LED, saj bo opcijski ojačevalnik oddajal 0V, kot je prikazano zgoraj.
Supercapacitor polnilnik na strojni opremi
Vezje je precej preprosto in ga je mogoče zgraditi na plošči, vendar sem se odločil, da uporabim ploščo Perf, da bom lahko v prihodnje vezje ponovno uporabil pri vsakem poskusu polnjenja super kondenzatorja. Prav tako ga nameravam uporabiti skupaj s sončno ploščo za prenosne projekte, zato sem ga poskušal zgraditi čim manjši in trdnejši. Moje celotno vezje, enkrat spajkano na pikčasto ploščo, je prikazano spodaj.
Dve ženski berg palici lahko s pomočjo aligatorskih zatičev napolnite kondenzator. Rumena LED označuje napajanje modula, modra LED pa stanje polnjenja. Ko je postopek polnjenja končan, lučka LED zasveti, sicer ostane ugasnjena. Ko je vezje pripravljeno, preprosto priključite kondenzator in videli boste, da se modra LED ugasne, čez nekaj časa pa se bo spet visoko pokazal, da je postopek polnjenja končan. Spodaj lahko vidite ploščo v stanju polnjenja in napolnjenosti.
Celotno delo najdete v videoposnetku na dnu te strani, če imate kakršne koli težave, da to objavite, jih objavite v oddelku za komentarje ali uporabite naša forum za druga tehnična vprašanja.
Izboljšave oblikovanja
Tukaj navedena zasnova vezja je surova in deluje za svoj namen; Tu je obravnavanih nekaj obveznih izboljšav, ki sem jih opazil po gradnji. BC557 se vroči zaradi 12V na njegovi osnovi in oddajniku, zato je treba namesto BC557 uporabiti visokonapetostno diodo.
Drugič, ko polnilnik kondenzatorja primerjalnik napetosti meri spremembo napetosti, toda ko se MOSFET izklopi po polnjenju, op-amp zazna nizkonapetostni dobiček in ponovno vklopi FET, ta postopek se ponovi nekajkrat, preden se op-amp popolnoma izklopi. Težavo bo rešil zaskočni krog na izhodu op-amp.