Super Capacitor UPS: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

สำหรับโครงการหนึ่ง ฉันถูกขอให้วางแผนระบบไฟฟ้าสำรองที่สามารถทำให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานประมาณ 10 วินาทีหลังจากไฟฟ้าดับ แนวคิดก็คือในช่วง 10 วินาทีนี้ ผู้ควบคุมมีเวลาเพียงพอในการ

• หยุดสิ่งที่มันทำ
• บันทึกสถานะปัจจุบันลงในหน่วยความจำ
• ส่งข้อความการสูญเสียพลังงาน (IoT)
• เปลี่ยนตัวเองเป็นโหมดสแตนด์บายและรอการสูญเสียพลังงาน

การทำงานปกติเริ่มต้นหลังจากรีสตาร์ทเท่านั้น ยังมีการวางแผนบางอย่างที่จำเป็นซึ่งอาจเป็นขั้นตอนหากพลังงานกลับมาในช่วง 10 วินาทีนี้ อย่างไรก็ตาม งานของฉันคือการมุ่งเน้นไปที่แหล่งจ่ายไฟ

วิธีแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุดอาจเป็นการใช้ UPS ภายนอกหรืออะไรทำนองนั้น เห็นได้ชัดว่าไม่ใช่กรณีนี้ และเราต้องการสิ่งที่ถูกกว่าและเล็กกว่ามาก วิธีแก้ปัญหาที่เหลือคือการใช้แบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ ในระหว่างขั้นตอนการประเมิน ฉันเห็นวิดีโอ YouTube ที่ดีเกี่ยวกับหัวข้อที่คล้ายกัน: ลิงก์

หลังจากพิจารณามาบ้างแล้ว วงจรซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็ฟังดูเป็นทางออกที่ดีที่สุดสำหรับเรา มันเล็กกว่าแบตเตอรี่เล็กน้อย (เราต้องการใช้ส่วนประกอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมาก แม้ว่าโดยส่วนตัวแล้วฉันไม่แน่ใจว่าเหตุผลด้านขนาดเป็นจริงหรือไม่) ต้องใช้ส่วนประกอบน้อยกว่า (หมายถึง- ราคาถูกกว่า) และที่สำคัญที่สุด- มันฟังดูดีกว่ามาก มากกว่าแบตเตอรี่ (ผลที่ตามมาจากการทำงานกับคนที่ไม่ใช่วิศวกร)

การตั้งค่าการทดสอบถูกสร้างขึ้นเพื่อทดสอบทฤษฎีและเพื่อควบคุมว่าระบบการชาร์จตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ทำงานตามที่ควรจะเป็นหรือไม่

คำแนะนำนี้แสดงสิ่งที่ได้ทำไปแล้วมากกว่าการอธิบายวิธีการทำ

ขั้นตอนที่ 1: คำอธิบายระบบ

สถาปัตยกรรมของระบบสามารถเห็นได้ในรูป ขั้นแรก 230VAC จะถูกแปลงเป็น 24VDC ซึ่งเป็น 5VDC และในที่สุดวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์จะทำงานที่ 3.3V ในกรณีที่เหมาะสมที่สุด เราสามารถตรวจพบไฟฟ้าขัดข้องที่ระดับกริด (230VAC) แล้ว น่าเสียดายที่เราไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ จึงต้องเช็คกระแสไฟที่ 24VDC ว่ายังมีอยู่หรือไม่ เช่นนี้ เราไม่สามารถใช้ตัวเก็บประจุเก็บไฟ AC/DC ได้ ไมโครคอนโทรลเลอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญอื่นๆ ทั้งหมดอยู่ที่ 3.3V มีการตัดสินใจว่าในกรณีของเราราง 5V เป็นสถานที่ที่ดีที่สุดในการเพิ่มตัวเก็บประจุแบบพิเศษ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุค่อยๆ ลดลง ไมโครคอนโทรลเลอร์ยังสามารถทำงานได้ที่ 3.3V

ความต้องการ:

• กระแสคงที่ – Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ (แรงดันต่ำสุดที่อนุญาต @ ราง 5V) – Vend = 3.0V
• เวลาขั้นต่ำที่ตัวเก็บประจุต้องครอบคลุม – T = 10 วินาที

มีซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ชาร์จ IC-s พิเศษหลายตัวที่สามารถชาร์จตัวเก็บประจุได้เร็วมาก ในกรณีของเรา เวลาในการชาร์จไม่สำคัญ ดังนั้นวงจรตัวต้านทานไดโอดที่ง่ายที่สุดก็เพียงพอแล้ว วงจรนี้เรียบง่ายและราคาถูกโดยมีข้อเสียอยู่บ้าง มีการกล่าวถึงปัญหาเวลาในการชาร์จแล้ว อย่างไรก็ตาม ข้อเสียเปรียบหลักคือตัวเก็บประจุไม่ถูกชาร์จจนเต็ม (แรงดันไดโอดลดลง) อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟที่ต่ำกว่าสามารถให้ด้านบวกกับเราได้เช่นกัน

ในกราฟแสดงอายุการใช้งานที่คาดหวังจาก Super Capacitor จากแผ่นข้อมูล AVX SCM Series (ลิงก์) เราสามารถเห็นอายุการใช้งานที่คาดหวังเมื่อเทียบกับอุณหภูมิในการทำงานและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ หากตัวเก็บประจุมีค่าแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า อายุการใช้งานที่คาดหวังจะเพิ่มขึ้น นั่นอาจเป็นประโยชน์เนื่องจากสามารถใช้ตัวเก็บประจุแรงดันต่ำได้ ที่ยังต้องมีการชี้แจง

ดังที่แสดงในการวัด แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของตัวเก็บประจุจะอยู่ที่ประมาณ 4.6V-4.7V – 80% Vrated

ขั้นตอนที่ 2: ทดสอบวงจร

หลังจากการประเมินบางอย่าง AVX super capacitors ได้รับเลือกสำหรับการทดสอบ ตัวทดสอบได้รับการจัดอันดับสำหรับ 6V ที่จริงแล้วใกล้เคียงกับค่าที่เราวางแผนที่จะใช้มากเกินไป อย่างไรก็ตามเพื่อการทดสอบก็เพียงพอแล้ว มีการทดสอบค่าความจุที่แตกต่างกันสามค่า: 1F, 2.5F และ 5F (2x 2.5F ในแบบคู่ขนาน) การจัดอันดับของตัวเก็บประจุดังต่อไปนี้

• ความถูกต้องของความจุ - 0% +100%
• แรงดันไฟฟ้า – 6V

• หมายเลขชิ้นส่วนของผู้ผลิต –

  • ชั้น 1 – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• อายุการใช้งาน – 2000 ชม. @ 65°C

เพื่อให้ตรงกับแรงดันเอาต์พุตกับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจึงใช้ไดโอดแรงดันไปข้างหน้าน้อยที่สุด ในการทดสอบไดโอด VdiodeF2 = 0.22V จะถูกใช้งานพร้อมกับไดโอดกระแสสูงที่มี VdiodeF1 = 0.5V

ใช้ IC ตัวแปลง LM2596 DC-DC อย่างง่าย นั่นคือ IC ที่แข็งแกร่งมากและให้ความยืดหยุ่น สำหรับการทดสอบโหลดต่าง ๆ ถูกวางแผนไว้: โหลดความต้านทานต่างกันเป็นหลัก

ตัวต้านทานแบบขนาน 3.09kΩ สองตัวขนานกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความเสถียรของแรงดันไฟฟ้า ในวงจรทดสอบ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะเชื่อมต่อผ่านสวิตช์ และหากไม่มีตัวเก็บประจุใดเชื่อมต่ออยู่ แรงดันไฟฟ้าก็สูงเกินไป เพื่อป้องกันตัวเก็บประจุ ไดโอดซีเนอร์ 5.1V วางขนานกัน

สำหรับโหลด ตัวต้านทาน8.1kΩและ LED จะให้โหลดบางส่วน สังเกตได้ว่าสภาวะไม่มีโหลด แรงดันไฟฟ้าอาจสูงกว่าที่ต้องการ ไดโอดอาจทำให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่คาดคิดได้

ขั้นตอนที่ 3: การคำนวณเชิงทฤษฎี

สมมติฐาน:

• กระแสคงที่ – Iconst = 0.5A
• Vout @ ไฟฟ้าขัดข้อง – Vout = 5.0V
• ตัวเก็บประจุชาร์จแรงดันไฟฟ้าก่อนไดโอด – Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• แรงดันสตาร์ท (Vcap @ ไฟดับ) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ ไฟฟ้าขัดข้อง – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Vcap ขั้นต่ำ – Vcap_min = ขาย VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• เวลาต่ำสุดที่ตัวเก็บประจุต้องครอบคลุม – T = 10 วินาที

เวลาในการชาร์จตัวเก็บประจุ (ตามทฤษฎี): การชาร์จไฟ = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

สำหรับตัวเก็บประจุ 1F มันคือ R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 + ? + ? = 27ohm

ถ้า C=1.0F การชาร์จ = 135 วินาที = 2.5 นาที

ถ้า C=2.5F การชาร์จ = 337 วินาที = 5.7 นาที

ถ้า C=5.0F การชาร์จ = 675 วินาที = 11 นาที

จากข้อสันนิษฐาน เราสามารถสรุปได้ว่าระดับพลังงานคงที่อยู่ที่ประมาณ: W = I * V = 2.5W

ในตัวเก็บประจุ สามารถเก็บพลังงานได้จำนวนหนึ่ง: W = 0.5 * C * V^2

จากสูตรนี้สามารถคำนวณความจุได้:

• ฉันต้องการวาด x วัตต์เป็นเวลา t วินาที ฉันต้องการความจุเท่าใด (ลิงก์)?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• ฉันต้องการวาด x แอมป์เป็นเวลา t วินาที ฉันต้องการความจุเท่าใดC = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

หากเราเลือกค่าตัวเก็บประจุเป็น 5F:

• ใช้เวลานานเท่าใดในการชาร์จ/คายประจุตัวเก็บประจุนี้ด้วยกระแสคงที่ (ลิงก์)?Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 วินาที
• ใช้เวลานานเท่าใดในการชาร์จ/คายประจุตัวเก็บประจุนี้ด้วยกำลังคงที่ (W)?Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 วินาที

หากใช้ Rcharge = 25ohm กระแสไฟชาร์จจะเป็น

และเวลาในการชาร์จโดยประมาณ: Tcharging = 625 วินาที = 10.5 นาที

ขั้นตอนที่ 4: การวัดเชิงปฏิบัติ

มีการทดสอบการกำหนดค่าและค่าความจุที่แตกต่างกัน เพื่อให้การทดสอบง่ายขึ้น จึงมีการสร้างการตั้งค่าการทดสอบที่ควบคุมโดย Arduino แผนผังแสดงในรูปก่อนหน้า

วัดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันสามแบบและผลลัพธ์นั้นค่อนข้างดีกับทฤษฎี เนื่องจากกระแสโหลดต่ำกว่าพิกัดไดโอดมาก แรงดันตกไปข้างหน้าจึงลดลงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ดังที่เห็นได้ชัดเจน แรงดันไฟฟ้าตัวเก็บประจุซุปเปอร์ที่วัดได้นั้นตรงกับการคำนวณทางทฤษฎีทุกประการ

ในรูปต่อไปนี้ เราสามารถเห็นการวัดทั่วไปด้วยตัวเก็บประจุ 2.5F เวลาในการชาร์จเหมาะสมกับค่าตามทฤษฎีที่ 340 วินาที หลังจากผ่านไป 100 วินาที แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นเพียง 0.03V เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าความแตกต่างนั้นเล็กน้อยและอยู่ในช่วงข้อผิดพลาดในการวัด

ในรูป otehr เราจะเห็นได้ว่าหลังจากไฟฟ้าขัดข้อง แรงดันไฟขาออก Vout คือ VdiodeF2 ที่เล็กกว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ Vcap ความแตกต่างคือ dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V

สามารถดูสรุปเวลาที่วัดได้ในตารางที่แนบมาด้วย ดังจะเห็นได้ว่าผลลัพธ์ไม่ตรงกับการคำนวณทางทฤษฎีอย่างแน่นอน เวลาที่วัดได้ส่วนใหญ่จะดีกว่าเวลาที่คำนวณได้ ซึ่งหมายความว่าปรสิตบางตัวที่เป็นผลมาไม่ได้รับการพิจารณาในการคำนวณ เมื่อดูวงจรที่สร้างขึ้นจะสังเกตเห็นว่ามีจุดเชื่อมต่อที่ไม่ได้กำหนดไว้หลายจุด นอกจากนี้ การคำนวณไม่ได้พิจารณาถึงพฤติกรรมโหลดที่ดี – เมื่อแรงดันไฟฟ้าตก กระแสไฟจะลดลง อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์มีแนวโน้มที่ดีและอยู่ในช่วงที่คาดไว้

ขั้นตอนที่ 5: ความเป็นไปได้ในการปรับปรุงบางอย่าง

สามารถปรับปรุงเวลาการทำงานได้หากใช้ตัวแปลงเพิ่มแทนไดโอดหลังตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ เราได้พิจารณาแล้วว่าอย่างไรก็ตามราคาก็สูงกว่าไดโอดธรรมดาๆ

การชาร์จตัวเก็บประจุซุปเปอร์ผ่านไดโอด (ในกรณีของฉัน ไดโอดสองตัว) หมายถึงแรงดันตกและสามารถลบออกได้หากใช้ตัวเก็บประจุแบบพิเศษชาร์จ IC อีกครั้งราคาเป็นปัญหาหลัก

อีกทางหนึ่งคือสามารถใช้สวิตช์ด้านสูงร่วมกับสวิตช์ PNP ได้ วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้อย่างรวดเร็วสามารถดูได้ดังต่อไปนี้ สวิตช์ทั้งหมดถูกควบคุมผ่านซีเนอร์ไดโอดที่จ่ายไฟจากอินพุต 24V หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าลดลงต่ำกว่าแรงดันไฟซีเนอร์ไดโอด สวิตช์ PNP จะเปิดขึ้น และสวิตช์ด้านสูงอีกด้านจะปิด วงจรนี้ไม่ได้ทดสอบและอาจต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติม (แบบพาสซีฟ) บางส่วน

ขั้นตอนที่ 6: บทสรุป

การวัดค่อนข้างดีกับการคำนวณ แสดงว่าสามารถใช้การคำนวณทางทฤษฎีได้-เซอร์ไพรส์-เซอร์ไพรส์ ในกรณีพิเศษของเรา จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุมากกว่า 2.5F เพียงเล็กน้อยเพื่อให้มีพลังงานเพียงพอสำหรับช่วงเวลาที่กำหนด

สิ่งสำคัญที่สุดคือวงจรการชาร์จตัวเก็บประจุทำงานตามที่คาดไว้ วงจรนั้นง่ายราคาถูกและเพียงพอ มีข้อเสียบางประการที่กล่าวถึง แต่ราคาที่ต่ำและความเรียบง่ายชดเชยสิ่งนั้น

หวังว่าบทสรุปเล็ก ๆ นี้จะเป็นประโยชน์สำหรับใครบางคน