Супер кондензаторен UPS: 6 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

За един проект бях помолен да планирам резервна захранваща система, която да поддържа микроконтролера да работи около 10 секунди след загубата на захранване. Идеята е, че през тези 10 секунди контролерът има достатъчно време да

• Спрете каквото и да прави
• Запазете текущото състояние в паметта
• Изпратете съобщение за загуба на захранване (IoT)
• Превключва се в режим на готовност и изчаква загубата на захранване

Нормалната работа започва само след рестартиране. Все още има нужда от планиране каква би могла да бъде процедурата, ако захранването се върне през тези 10 секунди. Моята задача обаче беше да се съсредоточа върху захранването.

Най -простото решение може да бъде използването на външен UPS или нещо подобно. Очевидно това не е така и се нуждаехме от нещо много по -евтино и по -малко. Останалите решения използват батерия или супер кондензатор. Точно по време на процеса на оценка видях хубав видеоклип в YouTube на подобна тема: Връзка.

След някои съображения схемата на суперкондензатора прозвуча като най -доброто решение за нас. Той е малко по-малък от батерията (искаме да използваме много широко използвани компоненти, въпреки че лично не съм сигурен дали причината за размера всъщност е вярна), изисква по-малко компоненти (което означава- по-евтино е) и най-важното- звучи много по-добре отколкото батерия (последици от работа с неинженери).

Изградена е тестова настройка, за да се тества теорията и да се контролира дали системите за зареждане на супер кондензатор работят както трябва.

Тази инструкция показва повече какво е направено, вместо да обяснява как да го направите.

Стъпка 1: Описание на системата

Архитектурата на системата може да се види на фигурата. Първо, 230VAC се преобразува в 24VDC, това в 5VDC и в крайна сметка веригата на микроконтролера работи при 3.3V. В идеалния случай може да се открие прекъсване на захранването вече на ниво мрежа (230VAC). За съжаление не сме в състояние да направим това. Затова трябва да проверим дали все още има захранване при 24VDC. По този начин не можете да използвате кондензатори за съхранение на захранване с променлив/постоянен ток. Микроконтролерът и цялата друга важна електроника са на 3.3V. Беше решено, че в нашия случай 5V шината е най -доброто място за добавяне на супер кондензатор. Когато напрежението на кондензатора бавно намалява, микроконтролерът все още може да работи при 3.3V.

Изисквания:

• Постоянен ток - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Минимално напрежение (минимално допустимо напрежение при 5V релса) - Vend = 3.0V
• Минимално време, което кондензаторът трябва да покрие - T = 10 сек

Налични са няколко специални микросхеми за зареждане на супер кондензатор, които могат да зареждат кондензатора много бързо. В нашия случай времето за зареждане не е критично. По този начин е достатъчна най-проста верига диод-резистор. Тази схема е проста и евтина с някои недостатъци. Проблемът с времето за зареждане вече беше споменат. Основният недостатък обаче е, че кондензаторът не се зарежда до пълното си напрежение (спад на напрежението на диода). Въпреки това, по -ниското напрежение може да ни донесе и някои положителни страни.

В кривата на очаквания експлоатационен живот на супер кондензатора от таблицата с данни от серията AVX (връзка) може да се види очакваният живот спрямо работната температура и приложеното напрежение. Ако кондензаторът има по -ниска стойност на напрежението, очакваният живот се увеличава. Това би могло да бъде от полза, тъй като може да се използва кондензатор с по -ниско напрежение. Това все още трябва да се изясни.

Както ще бъде показано при измерванията, работното напрежение на кондензатора ще бъде около 4.6V-4.7V-80% Vrated.

Стъпка 2: Тестова верига

След известна оценка бяха избрани за тестване суперкондензатори AVX. Тестваните са за 6V. Това всъщност е твърде близо до стойността, която планираме да използваме. Въпреки това, за целите на тестването е достатъчно. Тествани са три различни стойности на капацитет: 1F, 2.5F и 5F (2x 2.5F паралелно). Рейтингът на кондензаторите е следният

• Точност на капацитета - 0% +100%
• Номинално напрежение - 6V

• Номер на производителя -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Живот - 2000 часа при 65 ° C

За да се съгласува изходното напрежение с напрежението на кондензатора се използват минимални диоди за напрежение напред. В теста VdiodeF2 = 0.22V диоди са внедрени заедно с високотокови с VdiodeF1 = 0.5V.

Използва се обикновен DC-DC преобразувател IC LM2596. Това е много здрава ИС и позволява гъвкавост. За тестване бяха планирани различни натоварвания: главно различно резистивно натоварване.

Двата паралелни 3,09 kΩ резистора, успоредни на суперкондензатора, са необходими за стабилността на напрежението. В тестовата верига суперкондензаторите са свързани чрез ключове и ако нито един от кондензаторите не е свързан, напрежението може да бъде твърде високо. За да се защитят кондензаторите, 5.1V Zener диод е поставен успоредно на тях.

За натоварването резисторът 8.1kΩ и светодиодът осигуряват известно натоварване. Беше забелязано, че при ненатоварване напрежението може да бъде по -високо от желаното. Диодите могат да причинят неочаквано поведение.

Стъпка 3: Теоретични изчисления

Предположения:

• Постоянен ток - Iconst = 0,5A
• Vout @ прекъсване на захранването - Vout = 5.0V
• Напрежение за зареждане на кондензатор преди диоди - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Стартово напрежение (Vcap @ прекъсване на захранването) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ прекъсване на захранването - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Минимална Vcap - Vcap_min = Vdiode V2 на VendF 3.0 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Минимално време, което кондензаторът трябва да покрие - T = 10 сек

Време за зареждане на кондензатор (теоретично): Зареждане = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + R връзки

За 1F кондензатор е R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ома

Ако C = 1.0F, Tcharging = 135 sec = 2.5 minuntes

Ако C = 2.5F, Tcharging = 337 sec = 5.7 minuntes

Ако C = 5.0F, Tcharging = 675 sec = 11 minuntes

От предположенията можем да приемем, че постоянната мощност е приблизително.: W = I * V = 2.5W

В кондензатор може да се съхранява определено количество енергия: W = 0,5 * C * V^2

От тази формула капацитетът може да се изчисли:

• Искам да нарисувам x вата за t секунди, колко капацитет ми трябва (връзка)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Искам да нарисувам x ампера за t секунди, колко капацитет ми трябва? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Ако изберем стойността на кондензатора да бъде 5F:

• Колко време ще отнеме зареждането/разреждането на този кондензатор с постоянен ток (връзка)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 сек
• Колко време ще отнеме зареждането/разреждането на този кондензатор с постоянна мощност (W)? Tразряд = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 сек

Ако използвате Rcharge = 25ohm, зарядният ток ще бъде

И времето за зареждане приблизително: Tcharging = 625 sec = 10.5 минути

Стъпка 4: Практически измервания

Бяха тествани различни конфигурации и стойности на капацитета. За да се опрости тестването, беше изградена контролна настройка, контролирана от Arduino. Схемите са показани на предишните фигури.

Бяха измерени три различни напрежения и резултатите съответстват сравнително добре на теорията. Тъй като токовете на натоварване са много по -ниски от номинала на диода, спадът на напрежението напред е малко по -нисък. Въпреки това, както може да се види, измереното напрежение на суперкондензатора съвпада точно с теоретичните изчисления.

На следващата фигура може да се види типично измерване с 2.5F кондензатор. Времето за зареждане се вписва добре с теоретичната стойност от 340 секунди. След 100 допълнителни секунди напрежението на кондензатора се повишава само с още 0.03V, което означава, че разликата е незначителна и в диапазона на грешките при измерването.

На фигурата otehr може да се види, че след прекъсване на захранването изходното напрежение Vout е VdiodeF2 по -малко от напрежението на кондензатора Vcap. Разликата е dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Резюме на измерените времена можете да видите в приложената таблица. Както може да се види, резултатите не отговарят точно на теоретичните изчисления. Измерените времена са предимно по -добри от изчислените, което означава, че някои получени паразити не са взети предвид при изчисленията. При разглеждане на изградената верига може да се забележи, че има няколко неясни точки на свързване. Освен това изчисленията не отчитат добре поведението на натоварване - когато напрежението падне, токът намалява. Въпреки това резултатите са обещаващи и са в очаквания диапазон.

Стъпка 5: Някои възможности за подобрение

Може да се подобри времето за работа, ако се използва усилващ преобразувател вместо диода след суперкондензатора. Ние сме смятали, че въпреки това цената е по -висока от обикновения диод.

Зареждането на суперкондензатора през диод (в моя случай два диода) означава спад на напрежението и това може да бъде премахнато, ако се използва специална IC кондензатор за зареждане. Отново цената е основното притеснение.

Като алтернатива, високите странични превключватели могат да се използват заедно с PNP превключвател. Бързо мислено възможно решение може да се види по -долу. Всички превключватели се управляват чрез ценеров диод, който се захранва от 24V вход. Ако входното напрежение падне под напрежението на ценеровия диод, превключвателят PNP се включва и другите изключватели от висока страна се изключват. Тази верига не е тествана и най -вероятно изисква някои допълнителни (пасивни) компоненти.

Стъпка 6: Заключение

Измерванията се вписват доста добре в изчисленията. Показвайки, че теоретичните изчисления могат да бъдат използвани-изненада-изненада. В нашия специален случай са необходими малко повече от 2.5F кондензатор, за да се осигури достатъчно количество енергия за дадения период от време.

Най -важното е, че веригата за зареждане на кондензатора работи според очакванията. Веригата е проста, евтина и достатъчна. Има някои споменати недостатъци, но ниската цена и простотата компенсират това.

Надяваме се, че това кратко резюме може да бъде полезно за някого.