แล็ปท็อป Raspberry Pi ที่ขับเคลื่อนด้วย Super Capacitor: 5 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

ขึ้นอยู่กับความสนใจทั่วไปของโครงการนี้ ฉันสามารถเพิ่มขั้นตอนอื่นๆ ได้ ฯลฯ หากนั่นช่วยให้ส่วนประกอบที่สับสนง่ายขึ้น

ฉันมักจะรู้สึกทึ่งกับเทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบใหม่ที่ปรากฏขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมา และคิดว่ามันคงจะสนุกที่จะลองใช้มันเป็นแบตเตอรีเพื่อความสนุกสนาน มีปัญหาแปลก ๆ มากมายที่ฉันเจอในการทำงานนี้ เนื่องจากไม่ได้ออกแบบมาโดยคำนึงถึงแอปพลิเคชันนี้ แต่ต้องการแชร์สิ่งที่ฉันได้พบและทดสอบ

นี่เป็นการเน้นย้ำถึงความยากลำบากในการชาร์จและการดึงพลังงานจากแบตเตอรีซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในแอปพลิเคชันมือถือ (แม้ว่าจะหนักแค่ไหน แต่ก็ไม่ใช่มือถือทั้งหมด…)

หากไม่มีบทช่วยสอนดีๆ ด้านล่างนี้ ก็คงไม่เกิดผล:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - สอนสร้างวงจรชาร์จและคายประจุ
• ฉันจะพยายามขุดให้มากขึ้นที่ฉันใช้หากสามารถค้นหา/จำมันได้
• หากคุณมีบทช่วยสอนใดๆ ที่คิดว่าเกี่ยวข้อง โปรดแจ้งให้เราทราบเพื่อที่เราจะได้นำไปรวมไว้ในที่นี้

เหตุผลหลักที่ฉันอยากลองคือ:

• การชาร์จให้เต็มภายใน SECONDS (ค่าแอมแปร์สูงที่เกี่ยวข้องกับการจำกัดระบบนี้เป็นนาที… อย่างปลอดภัย)
• รอบการชาร์จนับแสนครั้งโดยไม่ลดทอนคุณภาพ (มากกว่าหนึ่งล้านครั้งภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม)
• เทคโนโลยีเฉพาะที่สามารถเข้าสู่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่กระแสหลักได้
• สภาพการทำงานด้านสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิ +60C ถึง -60C สำหรับตัวเก็บประจุที่ใช้ที่นี่
• ประสิทธิภาพการชาร์จ >95% (แบตเตอรี่โดยเฉลี่ย <85%)
• ฉันพบว่าพวกเขาน่าสนใจ?

ตอนนี้สำหรับคำเตือนที่จำเป็นตลอดเวลาเมื่อทำงานกับไฟฟ้า… แม้ว่าจะมีโอกาสบาดเจ็บน้อยมากในการทำงานกับแรงดันไฟฟ้าต่ำ ~5V แต่จำนวนแอมแปร์ที่เหลือเชื่อที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งออกได้จะทำให้เกิดแผลไหม้และส่วนประกอบทอดทันที บทความแรกที่กล่าวถึง ให้คำอธิบายที่ยอดเยี่ยมและขั้นตอนอย่างปลอดภัย ต่างจากแบตเตอรี่ การลัดวงจรจนสุดขั้วไม่เสี่ยงต่อการระเบิด ปัญหาที่แท้จริงอาจเกิดขึ้นได้เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกิน (ชาร์จเกินแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ทำเครื่องหมายไว้) ซึ่งตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์จะมอด 'ป๊อป' และตายในสภาพที่มีควัน กรณีที่รุนแรงอาจเป็นจุดที่ตราประทับค่อนข้างดัง

เพื่อเป็นตัวอย่างว่าสามารถปล่อยพลังงานได้มากน้อยเพียงใด ฉันได้หย่อนลวดทองแดงขนาด 16 เกจบนแบตเตอรีที่ชาร์จจนเต็มที่ 5V (โดยบังเอิญแน่นอน) และตาบอดเล็กน้อยเพราะลวดระเบิดด้วยแสงแฟลชสีขาวและสีเขียวขณะที่มันไหม้ ภายในไม่กี่วินาทีลวดขนาด 5 ซม. ก็หายไป แอมป์หลายร้อยตัวเดินทางข้ามสายนั้นในเวลาน้อยกว่าหนึ่งวินาที

ฉันนั่งบนแล็ปท็อปเป็นแพลตฟอร์มโดยมี Raspberry Pi วางอยู่รอบๆ กระเป๋าเดินทางอลูมิเนียม แป้นพิมพ์แบบคีออสก์ และเครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับสร้างต้นแบบ เดิมทีแนวคิดคือการสร้างแล็ปท็อปเครื่องนี้เพื่อให้สามารถทำงานได้เป็นเวลา 10-20 นาทีโดยใช้ความพยายามเพียงเล็กน้อย ด้วยห้องที่ฉันมีเพิ่มเติมในกระเป๋าเดินทาง การพยายามผลักดันโปรเจ็กต์นี้ให้มากขึ้นโดยการยัดตัวเก็บประจุซุปเปอร์เพิ่มเข้าไป

ปัจจุบันปริมาณพลังงานที่ใช้งานได้ต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน SINGLE 3.7V 2Ah กำลังไฟประมาณ 7Wh เท่านั้น ไม่น่าแปลกใจ แต่ด้วยเวลาในการชาร์จน้อยกว่า 15 นาทีจากที่ว่างเปล่าอย่างน้อยก็น่าสนใจ

น่าเสียดายที่ระบบนี้สามารถดึงพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุออกได้เพียง 75% เท่านั้น… ระบบที่มีประสิทธิภาพมากกว่านั้นสามารถนำมาใช้เพื่อดึงพลังงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าประมาณ 1V หรือน้อยกว่าได้อย่างแน่นอน ฉันไม่ต้องการใช้เงินอีกต่อไปกับสิ่งนี้เช่นกันภายใต้ 2V ในตัวเก็บประจุจะเหลือพลังงานเพียง 2Wh จากทั้งหมด 11Wh ทั้งหมด

การใช้ตัวแปลงพลังงานต่ำ 0.7-5V เป็น 5V (ประสิทธิภาพ ~ 75-85%) ฉันสามารถชาร์จแบตเตอรี่มือถือ 11Wh ของฉันจาก 3% เป็น 65% โดยใช้ตัวเก็บประจุธนาคาร (แม้ว่าโทรศัพท์จะชาร์จไม่มีประสิทธิภาพมากโดยที่ 60-80 % ของกำลังไฟฟ้าเข้าถูกเก็บไว้จริง)

สำหรับชิ้นส่วนที่ใช้ในโปรเจ็กต์นี้ น่าจะมีอะไหล่น่าใช้กว่าที่ผมมีอยู่ แต่นี่คือ:

• ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ 6x (2.5V, 2300 Farad - จากระบบเบรกแบบสร้างใหม่ สามารถพบได้ใน Ebay ฯลฯ)
• 1x Raspberry Pi 3
• จอแสดงผล 1x 5V ขับเคลื่อน (ฉันใช้จอแสดงผล AMOLED 5.5 นิ้วพร้อมบอร์ดควบคุม HDMI)
• ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATTiny85 2x (ฉันจะรวมการตั้งโปรแกรมไว้ด้วย)
• 2x 0.7V-5V เป็นตัวแปลง DC-DC 5V 500mA คงที่
• 4x 1.9V-5V เป็นตัวแปลง DC-DC 5V 1A คงที่
• 1x กระเป๋าเดินทาง
• มอสเฟตที่มีความสามารถ 3x 6A PWM
• 2x 10A Schottky ไดโอด
• โครงอลูมิเนียม T-slot 10x (พร้อมข้อต่อ ฯลฯ ขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณต้องการใช้ยึดสิ่งของให้เข้าที่)
• คีออสก์คีย์บอร์ด
• แผงโซล่าเซลล์ 20W 5V
• สาย USB เป็นไมโคร USB
• สาย HDMI
• การแบ่งประเภทอุปกรณ์ไฟฟ้าพื้นฐานและแผงต้นแบบ
• ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติจำนวนมาก (ฉันจะรวมไฟล์.stl)

ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดายสำหรับชิ้นส่วนที่เหมาะสม/มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่นี่คือสิ่งที่ผมมีอยู่ในมือ นอกจากนี้ ข้อจำกัดของมิติจะเปลี่ยนไปตามส่วนประกอบที่เลือก

หากคุณมีข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการออกแบบ อย่าลังเลที่จะแสดงความคิดเห็น!

ขั้นตอนที่ 1: ลักษณะพลังงาน

เพื่อให้แนวคิดเกี่ยวกับสิ่งที่คาดหวังในด้านพลังงานเมื่อใช้ตัวเก็บประจุสำหรับบางสิ่งที่ไม่ได้ออกแบบมาสำหรับ:

เมื่อแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุลดลงต่ำเกินไป (1.9V) ATTinys ได้รับการตั้งโปรแกรมไม่ให้เปิดเครื่องกับส่วนประกอบระบบใดๆ นี่เป็นเพียงเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบจะไม่ดึงพลังงานใด ๆ เมื่อไม่สามารถทำงานอย่างสม่ำเสมอที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ

ระบบนี้ทำงานโดยใช้ตัวแปลง DC-DC ที่ระดับแรงดันไฟฟ้า 4.5V ถึง 1.9V จากธนาคารตัวเก็บประจุ

แรงดันไฟฟ้าชาร์จเข้าได้ตั้งแต่ 5V ถึง 5.5V (ไม่เกิน 5A ที่ 5.5V) อะแดปเตอร์ 5V 10A หรือสูงกว่าจะสร้างความเสียหายให้กับมอสเฟตและจะเผาผลาญพลังงานที่อัตราการชาร์จ PWM ครึ่งหนึ่ง

ด้วยคุณสมบัติการชาร์จของตัวเก็บประจุ อัตราการชาร์จแบบลอการิทึม/เอ็กซ์โปเนนเชียลจะดีที่สุด เนื่องจากยากขึ้นในการผลักพลังงานเข้าไปใกล้จนเต็ม… แต่ฉันไม่เคยใช้ฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์กับตัวแปรประเภทลอยตัวบน ATTiny ด้วยเหตุผลบางอย่าง บางสิ่งบางอย่างให้ฉันดูในภายหลัง …

ที่พลังประมวลผลเต็มที่ เวลาทำงานโดยประมาณคือ 1 ชั่วโมง ไม่ได้ใช้งาน 2 ชั่วโมง

การใช้ตัวรับส่งสัญญาณ LowRa ลดอายุการใช้งานอีก ~ 15% การใช้เมาส์เลเซอร์ภายนอกจะลดอายุการใช้งานลงอีกประมาณ 10%

แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุที่ต่ำกว่า = ประสิทธิภาพในการแปลงเป็น 5V เป็นส่วนประกอบพลังงานน้อยลง ประมาณ 75% ที่ประจุตัวเก็บประจุ 2V ซึ่งสูญเสียพลังงานจำนวนมากเนื่องจากความร้อนในคอนเวอร์เตอร์

ขณะเสียบปลั๊ก แล็ปท็อปสามารถทำงานได้อย่างไม่มีกำหนดโดยใช้อะแดปเตอร์ 5.3V 8A การใช้อะแดปเตอร์ 2A ระบบต้องชาร์จเต็มก่อนเปิดเครื่องเพื่อใช้งานได้ไม่จำกัด อัตราการชาร์จ ATTiny PWM มีเพียง 6.2% ของกำลังไฟฟ้าเข้าเมื่อธนาคารตัวเก็บประจุอยู่ที่ 1.5V หรือน้อยกว่านั้นไต่ขึ้นเป็นเส้นตรงถึงอัตราการชาร์จ 100% เมื่อชาร์จเต็ม

ระบบนี้ใช้เวลาในการชาร์จนานขึ้นโดยใช้อะแดปเตอร์ที่มีกำลังไฟต่ำกว่า เวลาในการชาร์จจาก 2V ถึง 4.5V โดยที่ไม่มีอะไรไหลออกจากธนาคารตัวเก็บประจุ:

• อะแดปเตอร์ 5.2V 8A ใช้เวลา 10-20 นาที (ปกติประมาณ 13 นาที)
• อะแดปเตอร์ 5.1V 2A คือ 1-2 ชั่วโมง เนื่องจากไดโอดลดแรงดันไฟฟ้าลงประมาณ 0.6V อะแดปเตอร์บางตัวที่ 5V เท่านั้นจึงไม่สามารถชาร์จระบบนี้ได้จนเต็ม ไม่เป็นไร เนื่องจากอแด็ปเตอร์จะไม่ได้รับผลกระทบในทางลบ
• แผงโซล่าเซลล์ 20W ในแสงแดดเต็มที่ 0.5-2 ชั่วโมง (ความแปรปรวนมากมายระหว่างการทดสอบ)

มีปัญหาโดยธรรมชาติของการใช้ตัวเก็บประจุที่พวกเขาไม่ได้เก็บประจุไว้นานยิ่งคุณอยู่ใกล้กับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด

ในช่วง 24 ชั่วโมงแรก ธนาคารตัวเก็บประจุจะคายประจุเองจาก 4.5V เป็น 4.3V โดยเฉลี่ย จากนั้นในอีก 72 ชั่วโมงข้างหน้าจะค่อยๆ ลดลงเป็น 4.1V ที่ค่อนข้างคงที่ ATTinys ควบคู่ไปกับการปล่อยประจุเองเล็กน้อยจะทำให้แรงดันไฟฟ้าตกที่ 0.05-0.1V ต่อวันหลังจาก 96 ชั่วโมงแรก (ช้าลงแบบทวีคูณเมื่อแรงดันตกใกล้ศูนย์) เมื่ออยู่ที่ 1.5V และต่ำกว่า แรงดันแบตเตอรีของตัวเก็บประจุจะลดลงที่ประมาณ 0.001-0.01V ต่อวัน ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

เมื่อพิจารณาทั้งหมดนี้แล้ว ค่าประมาณแบบอนุรักษ์นิยมจะปล่อยเป็น 0.7V ใน ~ 100 วัน ฉันทิ้งสิ่งนี้ไว้เป็นเวลา 30 วันและยังคงเหลือเพียง 3.5V

ระบบนี้สามารถทำงานโดยไม่มีกำหนดภายใต้แสงแดดโดยตรง

* * * หมายเหตุ: * * แรงดันไฟฟ้าวิกฤตของระบบนี้คือ 0.7V โดยที่ตัวแปลง DC-DC ที่ให้พลังงานแก่ ATTinys จะล้มเหลว โชคดีที่อัตราการชาร์จที่ควบคุมด้วยมอสเฟตจะดึงตัวเองให้สูงประมาณ 2% เมื่อต่อไฟที่แรงดันไฟฟ้านี้หรือต่ำกว่า ทำให้ชาร์จได้ช้า ฉันยังไม่เข้าใจว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น แต่มันเป็นโบนัสที่โชคดี

ฉันต้องชาร์จและคายประจุแบตเตอรีแบตเตอรีจนเต็มประมาณ 15 ครั้งก่อนที่จะปรับสมดุลทางเคมีและเก็บประจุที่เหมาะสม เมื่อฉันเชื่อมต่อมันครั้งแรก ฉันรู้สึกหงุดหงิดมากกับปริมาณการชาร์จที่เก็บไว้ แต่จะดีขึ้นมากในช่วงการชาร์จเต็ม 15 รอบแรก

ขั้นตอนที่ 2: Pi Power Controller

ในการเปิดและปิด Pi ฉันต้องใช้ตัวควบคุมพลังงานที่มีตัวแปลง DC-DC 4 ตัวและมอสเฟต

น่าเศร้าที่ Pi ดึงพลังงานได้ประมาณ 100mA แม้ในขณะที่ปิดอยู่ ดังนั้นฉันจึงต้องเพิ่มมอสเฟตเพื่อตัดกระแสไฟให้สมบูรณ์ เมื่อใช้ตัวควบคุมกำลังเล่น จะสิ้นเปลืองเพียง ~2mA เมื่อชาร์จเต็ม (~0.5mA ที่ประจุต่ำ)

โดยพื้นฐานแล้วคอนโทรลเลอร์จะทำสิ่งต่อไปนี้:

1. ควบคุมระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 2.5V ในตัวเก็บประจุเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดไฟเกินขณะชาร์จ
2. DC-DC สี่ตัว (แต่ละอันสูงสุด 1A รวม 4A) ดึงโดยตรงจากตัวเก็บประจุจาก 4.5V ถึง 1.9V สำหรับ 5.1V คงที่
3. เพียงกดปุ่ม mosfet จะปล่อยกระแสไฟไปยัง Pi กดอื่นตัดไฟ
4. ATTiny จะคอยดูระดับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ หากต่ำเกินไป มอสเฟตจะไม่สามารถเปิดได้

ปุ่มสีเงิน เมื่อกดลงไป แสดงว่ามีพลังงานเหลืออยู่ในธนาคารตัวเก็บประจุ 10 กะพริบที่ 4.5V และ 1 ที่ 2.2V แผงโซลาร์เซลล์สามารถชาร์จเต็ม 5V และกะพริบ 12 ครั้งที่ระดับนั้น

แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุถูกควบคุมด้วยตัวควบคุมดิสก์สีเขียวขนาด 2.5V ที่ตัดกระแสไฟส่วนเกินออก นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากแผงโซลาร์เซลล์จะเก็บประจุตัวเก็บประจุผ่านไดโอด 10A โดยตรงสูงสุด 5.2V ซึ่งจะทำให้ประจุไฟเกิน

ตัวแปลง DC-DC แต่ละตัวสามารถจ่ายไฟได้สูงถึง 1A แต่ละตัวและเป็นเอาต์พุตแรงดันไฟคงที่ที่แปรผันได้ ด้วยการใช้โพเทนชิออมิเตอร์สีน้ำเงินที่ด้านบน คุณสามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าเป็นระดับใดก็ได้ที่คุณต้องการ ฉันตั้งค่าไว้ที่ 5.2V แต่ละตัวซึ่งลดลงประมาณ 0.1V ในมอสเฟต หนึ่งจะเป็นเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าบิตอื่น ๆ และจะร้อนปานกลาง แต่ส่วนอื่น ๆ จะจัดการกับพลังงานแหลมจาก Pi คอนเวอร์เตอร์ทั้ง 4 ตัวสามารถรองรับไฟกระชากได้สูงถึง 4A เมื่อประจุเต็มตัวเก็บประจุ หรือ 2A เมื่อประจุไฟต่ำ

ตัวแปลงจะดึงกระแสไฟที่นิ่งประมาณ 2mA เมื่อชาร์จเต็ม

สิ่งที่แนบมาคือภาพร่าง Arduino ที่ฉันใช้เพื่อทำสิ่งนี้ด้วย ATTiny (เพิ่มโน้ตมากมาย) ปุ่มติดอยู่กับการขัดจังหวะเพื่อดึง ATTiny ออกจากโหมดสลีปและเปิดเครื่อง Pi หากพลังงานต่ำเกินไป ไฟ LED แสดงการทำงานจะกะพริบ 3 ครั้งและ ATTiny จะกลับมาอยู่ในโหมดสลีป

หากกดปุ่มครั้งที่สอง ไฟ Pi จะปิดและ ATTiny จะกลับสู่โหมดสลีปจนกว่าจะกดปุ่มถัดไป ใช้แอมป์นาโนสองสามร้อยตัวในโหมดสลีป ATTiny กำลังใช้งานตัวแปลง DC DC ขนาด 500mA ซึ่งสามารถจ่ายกระแสไฟ 5V คงที่จากแรงดันสวิงที่ 5V-0.7V

กล่องจ่ายไฟได้รับการออกแบบบน TinkerCAD (เช่นเดียวกับงานพิมพ์ 3 มิติอื่นๆ ทั้งหมด) และพิมพ์ออกมา

สำหรับวงจร ดูแผนผังที่วาดคร่าวๆ

ขั้นตอนที่ 3: ระบบการชาร์จ

ตัวควบคุมการชาร์จประกอบด้วยสามส่วน:

1. วงจรควบคุมที่ขับเคลื่อนโดย ATTiny
2. มอสเฟตและไดโอด (และพัดลมสำหรับระบายความร้อน)
3. ฉันใช้ที่ชาร์จติดผนัง 5.2V 8A เพื่อจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อป

วงจรควบคุมจะปลุกทุก 8 วินาทีเพื่อตรวจสอบการเชื่อมต่อกับกราวด์บนพอร์ตการชาร์จ หากต่อสายชาร์จ พัดลมจะเริ่มทำงานและกระบวนการชาร์จจะเริ่มต้นขึ้น

ในขณะที่ธนาคารตัวเก็บประจุเข้าใกล้การชาร์จจนเต็มมากขึ้นเรื่อยๆ สัญญาณ PWM ที่ควบคุมมอสเฟตจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเป็น 100% ON ที่ 4.5V เมื่อถึงแรงดันไฟฟ้าเป้าหมาย สัญญาณ PWM จะถูกปิด (4.5V) จากนั้นรอจนกว่าจะถึงขีดจำกัดล่างที่กำหนดเพื่อเริ่มชาร์จอีกครั้ง (4.3V)

เนื่องจากไดโอดลดแรงดันการชาร์จจาก 5.2V ลงเหลือ ~ 4.6V ตามหลักวิชา ฉันสามารถปล่อยให้เครื่องชาร์จทำงานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันโดยที่แรงดันไฟสูงสุดอยู่ที่ 4.6-4.7V เวลาในการชาร์จจนถึงการคายประจุเมื่อใกล้หรือเต็มคือประมาณ <1 นาทีในการชาร์จและการคายประจุ 5 นาที

เมื่อถอดสายชาร์จ ATTiny จะเข้าสู่โหมดสลีปอีกครั้ง

มอสเฟตมาจากอีเบย์ สามารถขับเคลื่อนด้วยสัญญาณ PWM 5V และสามารถรองรับได้ถึง 5A แต่ละตัว สิ่งนี้อยู่ในเส้นบวกโดยใช้ไดโอด 10A schottky สามตัวเพื่อป้องกันการไหลย้อนกลับไปยังเครื่องชาร์จที่ผนัง ตรวจสอบทิศทางของไดโอดอีกครั้งก่อนที่จะเชื่อมต่อกับเครื่องชาร์จที่ผนัง หากวางผิดทิศทางเพื่อให้พลังงานไหลจากตัวเก็บประจุไปยังที่ชาร์จที่ผนัง ที่ชาร์จจะร้อนมากและอาจจะละลายเมื่อเสียบเข้ากับแล็ปท็อป

พัดลม 5V ขับเคลื่อนด้วยที่ชาร์จแบบเสียบผนังและทำให้ส่วนประกอบอื่นๆ เย็นลง เนื่องจากมีความร้อนต่ำกว่าการชาร์จครึ่งหนึ่ง

การชาร์จโดยใช้เครื่องชาร์จ 5.2V 8A ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที ในขณะที่เครื่องชาร์จ 5V 2A ใช้เวลานานกว่าหนึ่งชั่วโมง

สัญญาณ PWM ที่ส่งไปยังมอสเฟตอนุญาตให้จ่ายไฟได้เพียง 6% ที่ 1.5V หรือน้อยกว่านั้นไต่ระดับเป็นเส้นตรงถึง 100% เมื่อชาร์จเต็ม 4.5V นี่เป็นเพราะตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจรที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า แต่จะยิ่งชาร์จได้ยากขึ้นแบบทวีคูณยิ่งเข้าใกล้อีควอไลเซอร์

แผงโซลาร์ 20W ขับเคลื่อนวงจรเครื่องชาร์จ USB ขนาดเล็ก 5.6V 3.5A สิ่งนี้ป้อนโดยตรงผ่านไดโอด 10A ไปยังธนาคารตัวเก็บประจุ ตัวควบคุม 2.5V ป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุชาร์จเกิน ทางที่ดีไม่ควรปล่อยระบบทิ้งไว้กลางแดดเป็นเวลานานเนื่องจากตัวควบคุมและวงจรเครื่องชาร์จอาจร้อนจัด

ดู Arduino Sketch ที่แนบมา แผนภาพวงจรอื่นที่วาดไม่ดีและไฟล์. STL สำหรับชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ

เพื่ออธิบายวิธีการต่อวงจรเข้าด้วยกัน ตัวควบคุมการประจุมีหนึ่งบรรทัดสำหรับทดสอบแรงดันไฟขาเข้าจากเครื่องชาร์จ และหนึ่งบรรทัดไปยังพิน pwm บนโมดูล mosfet

โมดูล mosfet ต่อสายดินที่ด้านลบของธนาคารตัวเก็บประจุ

วงจรนี้จะไม่ปิดหากไม่มีการเชื่อมต่อพัดลมจากด้านลบของตัวเก็บประจุไปยังด้านสูงของอินพุตเครื่องชาร์จ เนื่องจากด้านสูงอยู่ด้านหลังไดโอดและมอสเฟต จึงใช้พลังงานน้อยมากเนื่องจากความต้านทานมีความต้านทานมากกว่า 40k พัดลมดึงด้านสูงให้ต่ำในขณะที่ไม่ได้เชื่อมต่อที่ชาร์จ แต่ใช้กระแสไฟไม่เพียงพอที่จะลดระดับลงขณะเสียบที่ชาร์จ

ขั้นตอนที่ 4: Capacitor Bank + ใช้การพิมพ์ 3 มิติเพิ่มเติม

ตัวเก็บประจุที่ใช้คือ 6x 2.5V @ 2300F supercapacitors โดยจัดเป็นชุด 2 ชุด ชุดละ 3 ชุดขนานกัน มาถึงธนาคาร 5V @ 3450F หากสามารถดึงพลังงานทั้งหมดออกจากตัวเก็บประจุ ก็สามารถให้พลังงานได้ ~11Wh หรือของแบตเตอรี่ Li-ion 3.7V 2.5Ah

ลิงก์ไปยังแผ่นข้อมูล:

สมการที่ฉันใช้ในการคำนวณความจุและต่อมาคือวัตต์-ชั่วโมงที่ใช้ได้:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F + 2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5Vใช้ศักย์ไฟฟ้า 4.5V ถึง 1.9V ที่ตัวเก็บประจุ 3450F ((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joules Total((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 วินาที = วัตต์ ชั่วโมง28704 / 3600 = 7.97 Wh (กำลังสูงสุดตามทฤษฎี)

ธนาคารนี้ใหญ่มาก ขนาด สูง 5 ซม. x ยาว 36 ซม. x กว้าง 16 ซม. มันค่อนข้างหนักเมื่อรวมเฟรมอะลูมิเนียมที่ฉันใช้… ประมาณ 5 กก. หรือ 11 ปอนด์ ไม่รวมกระเป๋าเดินทางและอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆ ทั้งหมด

ฉันต่อขั้วตัวเก็บประจุโดยใช้ขั้วต่อขั้วต่อ 50A ที่บัดกรีพร้อมกับลวดทองแดง 12 เกจ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาคอขวดที่ขั้วที่ขั้ว

ด้วยการใช้เฟรมอะลูมิเนียม T-bar แล็ปท็อปจึงทนทานอย่างเหลือเชื่อ (แต่ก็หนักมากเช่นกัน) ส่วนประกอบทั้งหมดยึดเข้าที่โดยใช้เฟรมนี้ ใช้พื้นที่น้อยที่สุดในแล็ปท็อปโดยไม่ต้องเจาะรูทุกที่ในเคส

มีการใช้งานพิมพ์ 3 มิติจำนวนมากในโครงการนี้:

• ผู้ถือธนาคารตัวเก็บประจุเต็ม
• ตัวยึดธนาคารตัวเก็บประจุ
• ตัวยึดตัวเก็บประจุด้านล่าง
• ตัวแยกระหว่างขั้วตัวเก็บประจุบวกและลบ
• แผ่นยึด Raspberry Pi
• ฝาครอบด้านบนสำหรับคีย์บอร์ดและตัวเก็บประจุ (เพื่อความสวยงามเท่านั้น)
• ตัวยึดและฝาปิดหน้าจอ AMOLED
• ที่ยึดบอร์ดควบคุม AMOLED
• ไกด์สาย HDMI และ USB เพื่อแสดงคอนโทรลเลอร์จาก Pi
• ปุ่มและการเข้าถึงด้านบนของแผ่น LED สำหรับการควบคุมพลังงาน
• คนอื่นจะเพิ่มเมื่อฉันพิมพ์

ขั้นตอนที่ 5: บทสรุป

เนื่องจากนี่เป็นเพียงโครงการอดิเรก ฉันเชื่อว่ามันพิสูจน์แล้วว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถใช้จ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปได้ แต่ไม่น่าจะใช่สำหรับข้อจำกัดด้านขนาด ความหนาแน่นของพลังงานสำหรับตัวเก็บประจุที่ใช้ในโครงการนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าแบตเตอรี่ Li-ion มากกว่า 20 เท่า นอกจากนี้น้ำหนักก็ไร้สาระ

อย่างที่กล่าวไปแล้วว่าสิ่งนี้อาจมีการใช้งานที่แตกต่างจากแล็ปท็อปทั่วไป ตัวอย่างเช่น ฉันใช้แล็ปท็อปเครื่องนี้ส่วนใหญ่มาจากการชาร์จด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ สามารถใช้ได้ในป่าโดยไม่ต้องกังวลกับการชาร์จและการคายประจุ 'แบตเตอรี่' ซ้ำๆ หลายๆ ครั้งต่อวันมากเกินไป ฉันได้ปรับเปลี่ยนระบบเล็กน้อยตั้งแต่เริ่มสร้างเพื่อรวมเอาเต้ารับ 5v 4A ไว้ที่ด้านหนึ่งของเคสเพื่อจ่ายไฟให้แสงสว่างและชาร์จโทรศัพท์เมื่อออกไปตรวจสอบเซ็นเซอร์ในป่า น้ำหนักยังคงเป็นนักฆ่าไหล่แม้ว่า…

เนื่องจากรอบการชาร์จเร็วมาก ไม่ต้องกังวลว่าแบตเตอรี่จะหมด ฉันสามารถเสียบปลั๊กไว้ 20 นาที (หรือน้อยกว่านั้นขึ้นอยู่กับระดับปัจจุบัน) ได้ทุกที่ และใช้งานได้อย่างเข้มข้นนานกว่าหนึ่งชั่วโมง

ข้อเสียอย่างหนึ่งของการออกแบบนี้คือมันดูน่าสงสัยมากสำหรับคนสัญจร… ฉันจะไม่ใช้สิ่งนี้ในการขนส่งสาธารณะ อย่างน้อยอย่าใช้มันใกล้ฝูงชน เพื่อนบางคนบอกฉันว่าฉันควรจะทำให้มันดู 'คุกคาม' น้อยลงหน่อย

แต่โดยรวมแล้ว ฉันสนุกกับการสร้างโปรเจ็กต์นี้ และได้เรียนรู้เล็กน้อยเกี่ยวกับการนำเทคโนโลยีซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไปใช้กับโครงการอื่นๆ ในอนาคต นอกจากนี้ การใส่ทุกอย่างลงในกระเป๋าเดินทางยังเป็นปริศนา 3 มิติที่ไม่สร้างความหงุดหงิดใจจนเกินไป แม้จะเป็นเรื่องท้าทายที่น่าสนใจทีเดียว

หากคุณมีคำถามใด ๆ แจ้งให้เราทราบ!