Superkondensator UPS: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

For et prosjekt ble jeg bedt om å planlegge et backup -strømsystem som kunne holde mikrokontrolleren i gang omtrent 10 sekunder etter strømbruddet. Tanken er at kontrolleren i løpet av disse 10 sekundene har nok tid til å

• Stopp uansett hva det gjør
• Lagre gjeldende tilstand i minnet
• Send meldingen om tap av strøm (IoT)
• Slår seg i standby -modus og venter på strømtapet

Den normale operasjonen starter bare etter en omstart. Det er fortsatt litt planlegging nødvendig, hva som kan være prosedyren hvis strømmen kommer tilbake i løpet av disse 10 sekundene. Min oppgave var imidlertid å fokusere på strømforsyningen.

Den enkleste løsningen kan være å bruke en ekstern UPS eller noe sånt. Det er åpenbart ikke tilfelle, og vi trengte noe mye billigere og mindre. De resterende løsningene bruker et batteri eller en superkondensator. Akkurat under evalueringsprosessen så jeg en fin YouTube -video om lignende emne: Link.

Etter noen overveielser hørtes superkondensatorkretsen ut som den beste løsningen for oss. Det er litt mindre enn batteriet (vi ønsker å bruke svært mye brukte komponenter, selv om jeg personlig ikke er sikker på om størrelsesårsaken faktisk er sann), krever mindre komponenter (det vil si at det er billigere) og viktigst, det høres mye bedre ut enn et batteri (konsekvensene av å jobbe med ikke-ingeniører).

Et testoppsett ble bygget for å teste teorien og for å kontrollere om superkondensatorens ladesystemer fungerer som de skal.

Denne instruksen viser mer hva som er gjort i stedet for å forklare hvordan du gjør det.

Trinn 1: Systembeskrivelsen

Systemarkitekturen kan sees på figuren. For det første konverteres 230VAC til 24VDC til 5VDC, og til slutt kjører mikrokontrollerkretsen på 3.3V. I det ideelle tilfellet kan man oppdage strømbrudd allerede på nettnivå (230VAC). Dessverre er vi ikke i stand til å gjøre det. Derfor må vi sjekke om strømmen fortsatt er der på 24VDC. På denne måten kan man ikke bruke lagringskondensatorene for vekselstrøm/likestrøm. Mikrokontrolleren og all annen viktig elektronikk er på 3.3V. Det er besluttet at i vårt tilfelle er 5V -skinnen det beste stedet å legge til superkondensatoren. Når kondensatorspenningen sakte avtar, kan mikrokontrolleren fortsatt arbeide ved 3,3V.

Krav:

• Konstant strøm - Ikon = 0,5 A (@ 5,0V)
• Minimumsspenning (min. Tillatt spenning @ 5V skinne) - Levering = 3,0V
• Minimum tid som kondensatoren må dekke - T = 10 sek

Det finnes flere spesielle superkondensatorer som lader IC-er som kan lade kondensatoren veldig raskt. I vårt tilfelle er ladetiden ikke kritisk. Dermed er en enkleste diode-motstandskrets tilstrekkelig. Denne kretsen er enkel og billig med noen ulemper. Problemet med ladetid ble allerede nevnt. Den største ulempen er imidlertid at kondensatoren ikke er ladet til full spenning (diodespenningsfall). Likevel kan den lavere spenningen gi oss noen positive sider også.

I Super -kondensatorens forventede levetidskurve fra figuren i AVX SCM -serien (lenke) kan man se forventet levetid kontra driftstemperatur og påført spenning. Hvis kondensatoren har lavere spenningsverdi, øker forventet levetid. Det kan være fordelaktig fordi lavere spenningskondensator kan brukes. Det må fortsatt avklares.

Som det vil bli vist i målingene, vil kondensatorens driftsspenning være rundt 4,6V-4,7V-80% nominell.

Trinn 2: Testkrets

Etter noen evalueringer er AVX superkondensatorer valgt for testing. De testede er vurdert til 6V. Det er faktisk for nær verdien vi planlegger å bruke. Likevel, for testformål er det tilstrekkelig. Tre forskjellige kapasitansverdier ble testet: 1F, 2,5F og 5F (2x 2,5F parallelt). Rangeringen av kondensatorene følger

• Kapasitansnøyaktighet - 0% +100%
• Nominell spenning - 6V

• Produsent del nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Levetid - 2000 timer @ 65 ° C

For å matche utgangsspenningen med kondensatorspenningen brukes minimale fremspenningsdioder. I testen er VdiodeF2 = 0,22V dioder implementert sammen med høye strømdioder med VdiodeF1 = 0,5V.

Enkel LM2596 DC-DC-omformer IC brukes. Det er veldig robust IC og gir fleksibilitet. For testing ble forskjellige laster planlagt: hovedsakelig forskjellig resistiv belastning.

De to parallelle 3.09kΩ -motstandene parallelle med superkondensatoren er nødvendig for spenningsstabiliteten. I testkretsen er superkondensatorene koblet til via brytere, og hvis ingen av kondensatorene er tilkoblet kan spenningen være for høy. For å beskytte kondensatorene er en 5,1V Zenerdiode plassert parallelt med dem.

For belastningen gir 8,1 kΩ motstand og LED noe belastning. Det ble lagt merke til at spenningen uten belastning kunne gå høyere enn ønsket. Diodene kan forårsake uventet oppførsel.

Trinn 3: Teoretiske beregninger

Antagelser:

• Konstant strøm - Ikon = 0,5A
• Vout @ strømbrudd - Vout = 5,0V
• Kondensator ladespenning før dioder - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Startspenning (Vcap @ strømbrudd) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ strømbrudd - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minimum Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimum tid som kondensatoren må dekke - T = 10 sek

Tid til å lade en kondensator (teoretisk): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

For 1F kondensator er det R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Hvis C = 1.0F, Tcharging = 135 sek = 2,5 minutter

Hvis C = 2,5F, Tcharging = 337 sek = 5,7 minutter

Hvis C = 5.0F, Tcharging = 675 sek = 11 minutter

Fra forutsetningene kan vi anta at konstant effekt er ca.: W = I * V = 2,5W

I en kondensator kan man lagre en viss mengde energi: W = 0,5 * C * V^2

Fra denne formelen kan kapasitansen beregnes:

• Jeg vil tegne x watt for t sekunder, hvor mye kapasitans trenger jeg (lenke)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Jeg vil tegne x ampere for t sekunder, hvor mye kapasitans trenger jeg? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Hvis vi velger at kondensatorverdien skal være 5F:

• Hvor lang tid tar det å lade/tømme denne kondensatoren med en konstant strøm (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sek
• Hvor lang tid tar det å lade/tømme denne kondensatoren med konstant effekt (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sek

Hvis du bruker en Rcharge = 25ohm, vil ladestrømmen være

Og ladetiden omtrent: Lading = 625 sek = 10,5 minutter

Trinn 4: Praktiske målinger

Ulike konfigurasjoner og kapasitansverdier ble testet. For å forenkle testen ble det bygget et Arduino -kontrollert testoppsett. Skjemaene er vist i de forrige figurene.

Tre forskjellige spenninger ble målt og resultatene passet relativt godt med teorien. Siden laststrømmene er mye lavere enn diodeverdien, er spenningsfallet fremover litt lavere. Likevel matcher den målte superkondensatorspenningen nøyaktig med de teoretiske beregningene.

I den følgende figuren kan man se en typisk måling med 2,5F kondensator. Ladetiden passer godt med den teoretiske verdien på 340sek. Etter 100 sekunder ekstra har kondensatorspenningen steget ytterligere 0,03V, noe som betyr at forskjellen er ubetydelig og i målefeilområdet.

På andre figuren kan man se at etter strømbrudd er utgangsspenningen Vout VdiodeF2 mindre enn kondensatorspenningen Vcap. Forskjellen er dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Et sammendrag av de målte tidene kan ses i vedlagte tabell. Som det sees, stemmer ikke resultatene nøyaktig med de teoretiske beregningene. De målte tidene er stort sett bedre enn de beregnede, noe som betyr at noen resulterende parasitter ikke ble vurdert i beregningene. Når man ser den innebygde kretsen, kan man legge merke til at det er flere ikke veldefinerte tilkoblingspunkter. I tillegg vurderer beregningene ikke godt belastningsatferden - når spenningen faller, går strømmen ned. Likevel er resultatene lovende og ligger i det forventede området.

Trinn 5: Noen forbedringsmuligheter

Man kan forbedre driftstiden hvis man bruker en boost -omformer i stedet for dioden etter superkondensatoren. Vi har vurdert det, likevel er prisen høyere enn en enkel diode har.

Å lade superkondensatoren gjennom en diode (i mitt tilfelle to dioder) betyr spenningsfall og det kan fjernes hvis en spesiell kondensator lader IC brukes. Igjen er prisen det viktigste.

Alternativt kan en høysidebryter brukes sammen med en PNP -bryter. En rask tenkt løsning kunne sees i det følgende. Alle bryterne styres gjennom en zenerdiode som drives fra 24V inngang. Hvis inngangsspenningen faller under dioden zener spenning, slås PNP -bryteren PÅ og de andre bryterne på høysiden slås AV. Denne kretsen er ikke testet og krever sannsynligvis noen ekstra (passive) komponenter.

Trinn 6: Konklusjon

Målingene passer ganske godt med beregningene. Viser at de teoretiske beregningene kan brukes-overraskelse-overraskelse. I vårt spesielle tilfelle er det nødvendig med litt mer enn 2,5F kondensator for å gi tilstrekkelig mengde energi i den gitte tidsperioden.

Det viktigste er at kondensatorens ladekrets fungerer som forventet. Kretsen er enkel, billig og tilstrekkelig. Det er noen nevnte ulemper, men den lave prisen og enkelheten kompenserer for det.

Forhåpentligvis kan denne lille oppsummeringen være nyttig for noen.