Süper Kapasitörlü Raspberry Pi Dizüstü Bilgisayar: 5 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Bu projeye yönelik genel ilgiye bağlı olarak, kafa karıştırıcı bileşenleri basitleştirmeye yardımcı olacaksa daha fazla adım vb. ekleyebilirim.

Yıllar içinde ortaya çıkan yeni kapasitör teknolojisi her zaman ilgimi çekmiştir ve bunları eğlence için bir tür pil olarak uygulamayı denemenin eğlenceli olacağını düşündüm. Bu uygulama düşünülerek tasarlanmadıkları için bunun üzerinde çalışırken karşılaştığım birçok ilginç sorun vardı, ancak bulduklarımı ve test ettiklerimi paylaşmak istedim.

Bu, bir mobil uygulamada şarj etmenin ve bir süper kapasitör bankasından güç çekmenin zorluklarını vurgulamak içindir (ne kadar ağır olsa da, o kadar mobil değil…).

Aşağıdaki harika öğreticiler olmadan, bu gerçekleşmezdi:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Süper kapasitörler hakkında derinlemesine bilgi
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Bir şarj ve deşarj devresi oluşturma eğitimi
• Onları bulabilirsem/hatırlayabilirsem, kullandığımdan daha fazlasını kazmaya çalışacağım.

• Alakalı olduğunu düşündüğünüz herhangi bir öğreticiniz varsa, buraya atabilmem için bana bildirin.

Bunu denemek istememin ana nedenleri:

• SECONDS içinde tamamen şarj olur (yüksek amper bu sistemi dakikalarla sınırlar… güvenli bir şekilde).
• Bozulmadan yüz binlerce şarj döngüsü (doğru koşullar altında bir milyonun üzerinde).
• Muhtemelen ana pil endüstrisine girmenin yolunu bulabilecek çok niş bir teknoloji.
• Çevresel çalışma koşulları. Burada kullanılan kapasitörler için +60C ile -60C arasındaki sıcaklıklar.
• Şarj verimliliği >%95 (piller ortalama <%85)
• Onları ilginç buluyorum?

Şimdi gelelim elektrikle çalışırken gerekli uyarı… ~5V gibi düşük voltajlarda çalışırken yaralanma olasılığı çok düşük olsa da süper kapasitörlerin verebileceği inanılmaz miktardaki amper yanıklara neden olur ve bileşenlerin anında kızarmasına neden olur. Bahsi geçen ilk makale mükemmel bir açıklama ve güvenli adımlar sağlar. Pillerin aksine, terminalleri tamamen kısaltmak patlama riski oluşturmaz (ancak kablo ölçüsüne bağlı olarak süper kapasitörün ömrünü kısaltabilir). Süper kapasitörlerin köpüreceği, 'patlayacağı' ve dumanlı bir karmaşa içinde öleceği aşırı voltaj (işaretlenmiş maksimum voltajı aşarak şarj etme) sırasında gerçek sorunlar ortaya çıkabilir. Mührün oldukça yüksek sesle patladığı aşırı durumlar olabilir.

Ne kadar gücün serbest bırakılabileceğine bir örnek olarak, tam şarjlı banka boyunca 5V'de (elbette tesadüfen) 16 gauge bakır tel düşürdüm ve yanarken beyaz ve yeşil bir flaşla patlayan tel tarafından hafifçe kör edildim. 5 cm'lik tel parçası bir saniyeden kısa sürede GİTTİ. Yüzlerce amper bir saniyeden daha kısa bir sürede bu telden geçiyor.

Etrafımda bir Raspberry Pi, alüminyum bir bavul, bir kiosk klavyesi ve prototip yapacağım bir 3D yazıcı olduğu için platform olarak bir dizüstü bilgisayara yerleştim. Başlangıçta fikir, bu dizüstü bilgisayarı en az çabayla 10-20 dakika çalışabilecek şekilde yapmaktı. Bavulda fazladan olan oda ile, daha fazla süper kapasitör doldurarak bu projeden daha fazlasını denemek ve zorlamak çok cazipti.

Şu anda, kullanılabilir güç miktarı, TEK 3.7V 2Ah lityum iyon pilinkinin altındadır. Sadece yaklaşık 7Wh güç. Şaşırtıcı değil, ancak boştan 15 dakikadan daha kısa bir şarj süresi ile en azından ilginç.

Ne yazık ki, bu sistemle kapasitörlerde depolanan gücün sadece yaklaşık %75'i çekilebilir… 1V veya daha düşük voltajlarda güç çekmek için kesinlikle çok daha verimli bir sistem uygulanabilir. Bunun için daha fazla para harcamak istemedim ve kapasitörlerde 2V'nin altında toplam 11Wh'den sadece 2Wh güç kullanılabilir.

Düşük güçlü bir 0,7-5V - 5V dönüştürücü kullanarak (~%75-85 verimlilik) 11Wh cep telefonumun pilini kapasitör bankasını kullanarak %3'ten %65'e kadar şarj edebildim (ancak telefonlar şarj konusunda son derece verimsizdir, 60-80 giriş gücünün %'si fiilen depolanır).

Bu projede kullanılan parçalar için muhtemelen elimdekilerden daha iyi parçalar var. Ama buradalar:

• 6x süper kapasitör (2.5V, 2300 Farad - bir araba rejeneratif fren sisteminden. Ebay, vb.'de bulunabilir)
• 1x Ahududu Pi 3
• 1x 5V destekli ekran (HDMI kontrol kartı ile 5.5" AMOLED ekran kullanıyorum)
• 2x ATTiny85 mikro denetleyici (programlamayı ekleyeceğim)
• 2x 0.7V-5V - sabit 5V 500mA DC-DC dönüştürücüler
• 4x 1.9V-5V - sabit 5V 1A DC-DC dönüştürücüler
• 1x bavul
• 3x 6A PWM özellikli mosfetler
• 2x 10A Schottky diyotlar
• 10x Alüminyum T-yuvalı çerçeve (bağlantılı vb. şeyleri yerinde tutmak için ne kullanmak istediğinize bağlıdır)
• kiosk klavye
• 20W 5V güneş paneli
• USB'den mikro USB'ye kablolar
• HDMI kablosu
• Temel elektrik bileşenleri ve prototip panoları çeşitleri.
• birçok 3D baskılı parça (.stl dosyalarını ekleyeceğim)

Bu parçalar daha uygun/verimli parçalarla kolayca değiştirilebilir, ancak elimdeki buydu. Ayrıca, hangi bileşenlerin seçildiğine göre boyut kısıtlamaları da değişecektir.

Tasarımla ilgili herhangi bir geri bildiriminiz varsa, yorum bırakmaktan çekinmeyin!

Adım 1: Güç Özellikleri

Kesinlikle tasarlanmadıkları bir şey için kapasitörleri kullanırken güç açısından ne bekleneceği hakkında bir fikir vermek için:

Kondansatör grubu voltajı çok düştüğünde (1,9V), ATTiny'ler hiçbir sistem bileşenini açmayacak şekilde programlanmıştır. Bu, bileşenlerin daha düşük voltajlarda tutarlı bir şekilde çalışamadıklarında herhangi bir güç çekmemesini sağlamak içindir.

Bu sistem, kapasitör bankasından 4.5V ila 1.9V voltaj seviyelerinde DC-DC dönüştürücüler kullanarak çalışır.

Giriş şarj voltajı 5V ila 5.5V arasında olabilir (5.5V'de 5A'dan yüksek olamaz). 5V 10A veya daha yüksek adaptörler mosfete zarar verir ve yarı PWM şarj hızında yanmasına neden olur.

Kondansatörlerin şarj özellikleriyle, tam şarja yaklaştıkça gücü itmek zorlaştığından, logaritmik/üssel bir şarj oranı en iyisi olacaktır… ATTiny nedense. Daha sonra bakacağım bir şey…

Tam işlem gücünde yaklaşık çalışma süresi 1 saattir. Boşta, 2 saat.

LowRa alıcı-vericiyi kullanmak, ömrü ~%15 daha kısaltır. Harici lazer fare kullanmak, ömrü ~%10 daha kısaltır.

Daha düşük kapasitör grubu voltajı = 5V'a güç bileşenlerine dönüşen daha az verimlilik. Konvertörlerde ısı olarak çok fazla gücün kaybolduğu 2V kapasitör şarjında yaklaşık %75.

Fişe takılıyken, dizüstü bilgisayar 5,3V 8A adaptör kullanarak süresiz olarak çalışabilir. 2A adaptör kullanarak, sistemin sınırsız kullanım için açılmadan önce tam şarj olması gerekir. ATTiny PWM şarj oranı, kapasitör bankası 1,5V veya daha az olduğunda, tam şarjda doğrusal olarak %100 şarj oranına tırmanırken, güç girişinin yalnızca %6,2'sidir.

Bu sistemin daha düşük amperli bir adaptör kullanılarak şarj edilmesi daha uzun sürer. Kondansatör bankasından hiçbir şey akmadan 2V'den 4.5V'a şarj süresi:

• 5.2V 8A adaptör 10-20 dakikadır (genellikle 13 dakika civarında).
• 5.1V 2A adaptör 1-2 saattir. Diyotlar voltajı yaklaşık 0,6V kadar düşürdüğü için, tam olarak 5V olan bazı adaptörler bu sistemi asla tam olarak şarj etmeyecektir. Adaptör olumsuz etkilenmeyeceğinden bu sorun değil.
• 20W güneş paneli tam güneş ışığında 0,5-2 saattir. (test sırasında çok fazla varyans).

Maksimum voltaja ne kadar yakın olursanız, şarjlarını çok uzun süre tutmadıkları kapasitörleri kullanmanın doğal bir sorunu vardır.

İlk 24 saat boyunca, kapasitör bankası kendi kendine ortalama 4,5V'dan 4,3V'a boşalır. Ardından, sonraki 72 saat içinde yavaş yavaş oldukça sabit bir 4.1V'a düşecektir. Küçük bir kendi kendine deşarj ile birleştirilen ATTinys, ilk 96 saatten sonra voltajı günde 0,05-0,1V'ye düşürür (voltaj sıfıra yaklaştıkça katlanarak daha yavaştır). 1.5V ve daha düşük olduğunda, kapasitör bank voltajı sıcaklığa bağlı olarak günde 0.001-0.01V civarında düşer.

Tüm bunlar dikkate alındığında, muhafazakar bir yaklaşık değer ~100 gün içinde 0,7V'a deşarj olacaktır. Bu oturmayı 30 gün boyunca bıraktım ve hala 3.5V'nin biraz üzerinde kaldı.

Bu sistem doğrudan güneş ışığında süresiz olarak çalışabilir.

* * * DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER: * * ATTinys'e güç sağlayan DC-DC dönüştürücülerin başarısız olacağı bu sistemin kritik voltajı 0,7V'dir. Neyse ki, mosfet kontrol eden şarj oranı, güç bu voltajda veya daha düşük bir değerde bağlandığında kendini ~%2 yükseğe çekerek yavaş şarja izin verir. Bunun NEDEN olduğunu hala çözemedim, ama bu bir şans bonusu.

Kimyasal olarak dengelenmeden ve iyi bir şarj tutmadan önce kapasitör bankasını ~ 15 kez tamamen şarj etmek ve boşaltmak zorunda kaldım. Onları ilk bağladığımda, depolanan şarj miktarından son derece hüsrana uğradım, ancak ilk 15 tam şarj döngüsünde çok daha iyi oluyor.

Adım 2: Pi Güç Kontrolörü

Pi'yi açıp kapatmak için 4 DC-DC dönüştürücü ve bir mosfet içeren bir güç denetleyicisi uygulamak zorunda kaldım.

Ne yazık ki Pi kapalıyken bile yaklaşık 100mA çekiyor, bu yüzden gücü tamamen kesmek için mosfet eklemek zorunda kaldım. Güç kontrol cihazı devredeyken, tam şarjda yalnızca ~2mA boşa harcanır (düşük şarjda ~0.5mA).

Temel olarak kontrolör aşağıdakileri yapar:

1. Şarj sırasında aşırı voltajı önlemek için kapasitörlerdeki voltaj seviyesini 2,5V'un altında düzenler.
2. Dört DC-DC (her biri maksimum 1A, toplam 4A), sabit bir 5.1V için doğrudan kapasitörlerden 4.5V'den 1.9V'a çeker.
3. Bir düğmeye basıldığında, mosfet gücün Pi'ye akmasını sağlar. Başka bir pres gücü keser.
4. ATTiny, kapasitör bankasının voltaj seviyesini izler. Çok düşükse, mosfet açılamaz.

Gümüş düğme, basıldığında kapasitör bankasında kalan gücü gösterir. 4.5V'de 10 ve 2.2V'de 1 yanıp söner. GÜNEŞ PANELI tam 5V'a kadar şarj edebilir ve bu seviyede 12 kez yanıp söner.

Kondansatör voltajı, fazla gücü boşaltan yeşil disk 2.5V regülatörlerle düzenlenir. Bu önemlidir, çünkü güneş paneli kapasitörleri 10A diyot aracılığıyla doğrudan 5,2V'a kadar pasif olarak şarj eder ve bu da onları aşırı şarj eder.

DC-DC dönüştürücüler, her biri 1A'ya kadar sağlayabilir ve değişken sabit voltaj çıkışına sahiptir. Üstteki mavi potansiyometreyi kullanarak voltaj istediğiniz seviyeye ayarlanabilir. Onları, her biri mosfet boyunca yaklaşık 0.1V düşen 5.2V'ye ayarladım. Biri diğerlerinden en küçük bit daha yüksek voltaj çıkışı olacak ve orta derecede ısınacak, ancak diğerleri Pi'den gelen güç artışlarını idare edecek. 4 dönüştürücünün tümü, tam kapasitör şarjında 4A'ya veya düşük şarjda 2A'ya kadar güç artışlarını kaldırabilir.

Dönüştürücüler tam şarjda ~2mA hareketsiz akım çeker.

Ekli, ATTiny ile bunu yapmak için kullandığım Arduino taslağıdır (Pek çok not eklendi). Düğme, ATTiny'yi uyku modundan çıkarmak ve Pi'ye güç sağlamak için bir kesintiye bağlıdır. Güç çok düşükse, güç LED'i 3 kez yanıp söner ve ATTiny tekrar uyku moduna alınır.

Düğmeye ikinci kez basılırsa, Pi gücü kapatılır ve ATTiny, bir sonraki düğmeye basılana kadar uyku moduna geri alınır. Bu, uyku modunda birkaç yüz nano amper kullanır. ATTiny, 5V-0.7V'luk bir voltaj dalgalanmasından sabit bir 5V sağlayabilen 500mA DC DC dönüştürücüden çalışıyor.

Güç muhafazası TinkerCAD üzerinde tasarlandı (diğer tüm 3D baskılar gibi) ve basıldı.

Devre için kabaca çizilmiş şemaya bakınız.

Adım 3: Şarj Sistemi

Şarj Kontrol Cihazı üç bölümden oluşur:

1. Bir ATTiny tarafından sürülen kontrolör devresi
2. Mosfetler ve diyotlar (ve soğutma için fan)
3. Dizüstü bilgisayara güç sağlamak için 5,2V 8A duvar şarj cihazı kullanıyorum

Denetleyici devresi, şarj bağlantı noktasındaki toprak bağlantısını kontrol etmek için her 8 saniyede bir uyanır. Şarj kablosu bağlı ise fan çalışır ve şarj işlemi başlar.

Kapasitör bankası tam şarja yaklaştıkça, mosfet'i kontrol eden PWM sinyali 4,5V'da doğrusal olarak %100 AÇIK'a yükselir. Hedef voltaja ulaşıldığında, PWM sinyali kapatılır (4,5V). Ardından yeniden şarj etmeye başlamak için tanımlanan alt sınıra ulaşılana kadar bekleyin (4.3V).

Diyotlar şarj voltajını 5,2V'den ~4,6V'a düşürdüğü için, teorik olarak şarj cihazını, voltaj 4,6-4,7V civarındayken 7/24 çalışır durumda bırakabilirim. Doluyken veya dolmaya yakınken şarjdan boşalmaya kadar geçen süre yaklaşık <1 dakika şarj ve 5 dakika boşalmadır.

Şarj kablosunun bağlantısı kesildiğinde, ATTiny tekrar uyku moduna geçer.

Mosfetler Ebay'den. 5V PWM sinyali ile çalıştırılabilirler ve her biri 5A'ya kadar işleyebilirler. Bu, duvar şarj cihazına geri akışı önlemek için üç adet 10A schottky diyotu kullanan pozitif hattadır. Duvar şarj cihazına bağlamadan ÖNCE diyot yönünü iki kez kontrol edin. Gücün kapasitörlerden duvardaki şarj cihazına akmasına izin verecek şekilde yanlış yönlendirilirse, şarj cihazı çok ısınır ve dizüstü bilgisayara takıldığında muhtemelen erir.

5V fan, duvar şarj cihazı tarafından çalıştırılır ve diğer bileşenleri yarı şarjın altında çok ısındıkça soğutur.

5,2V 8A şarj cihazı kullanarak şarj etmek yalnızca birkaç dakika sürer, 5V 2A şarj cihazı ise bir saatten fazla sürer.

Mosfet'e giden PWM sinyali, 1,5V veya daha az güçte yalnızca %6'lık bir güç çıkışına, 4,5V'luk tam şarjda doğrusal olarak %100'e tırmanmaya izin verir. Bunun nedeni, kapasitörlerin düşük voltajlarda kısa devre görevi görmesi, ancak eşitlemeye yaklaştıkça şarj edilmesinin katlanarak zorlaşmasıdır.

20W güneş paneli, küçük bir 5.6V 3.5A USB şarj devresini çalıştırır. Bu, doğrudan bir 10A diyot aracılığıyla kapasitör bankasına beslenir. 2.5V regülatörler, kapasitörlerin aşırı şarj olmasını engeller. Regülatörler ve şarj devresi oldukça ısınabileceğinden sistemi uzun süre güneşte bırakmamak en iyisidir.

3D baskılı parçalar için ekteki Arduino Sketch, başka bir kötü çizilmiş devre şemasına ve. STL dosyalarına bakın.

Devrenin nasıl birbirine bağlandığını açıklamak için, şarj kontrol cihazının, şarj cihazından gelen giriş voltajını test etmek için bir hattı ve mosfet modüllerindeki pwm pinlerine giden bir hattı vardır.

Mosfet modülleri kapasitör bankının negatif tarafına topraklanmıştır.

Bu devre, kondansatörlerin negatif tarafından şarj girişinin yüksek tarafına fan bağlanmadan kapanmaz. Yüksek taraf diyotların ve mosfetlerin arkasında olduğu için direnç 40k direncin üzerinde olduğu için çok az güç harcanacaktır. Fan, şarj cihazı bağlı değilken yüksek tarafı aşağı çeker, ancak şarj cihazı takılıyken alçaltmak için yeterince akım almaz.

Adım 4: Kapasitör Bankası + Kullanılan Ek 3D Baskılar

Kullanılan kapasitörler 6x 2.5V @ 2300F süper kapasitörlerdir. Paralel olarak 3'lü seri halinde 2 set halinde düzenlenmiştir. Bu, 5V @ 3450F'lik bir bankaya gelir. TÜM enerji kapasitörlerden çekilebilirse, ~ 11Wh güç veya 3.7V 2.5Ah Li-ion pil sağlayabilirler.

Veri sayfasına bağlantı:

Kapasitansı ve ardından mevcut watt saatlerini hesaplamak için kullandığım denklemler:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctoplam2.5V 6900F + 2.5V 6900F(6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V3450F kapasitörlerde 4,5V ila 1,9V kullanılabilir potansiyel kullanma((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Jul Toplam((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoule / 3600 saniye = Watt saat28704 / 3600 = 7,97 Wh (teorik maksimum kullanılabilir güç)

Bu banka çok büyük. 5 cm yükseklik x 36 cm uzunluk x 16 cm genişlikte. Kullandığım alüminyum çerçeve dahil edildiğinde oldukça ağır… Bavul ve diğer tüm çevre birimleri hariç yaklaşık 5Kg veya 11 lbs.

Kondansatör terminallerini, 12 gauge bakır tel ile birlikte lehimlenmiş 50A terminal konektörlerini kullanarak bağladım. Bu, terminallerde dirençli bir darboğaz oluşmasını önler.

Alüminyum bir T-çubuk çerçevesi kullanan dizüstü bilgisayar inanılmaz derecede sağlamdır (ancak aynı zamanda ÇOK ağırdır). Tüm bileşenler bu çerçeve kullanılarak yerinde tutulur. Kasanın her yerine delik açmak zorunda kalmadan dizüstü bilgisayarda minimum yer kaplar.

Bu projede birçok 3D baskılı parça kullanıldı:

• Kapasitör banka sahipleri dolu
• Kapasitör banka tutucusu ayraçları
• Kondansatör tutucular alt
• Pozitif ve negatif kapasitör terminalleri arasında ayırıcı
• Raspberry Pi tutucu plaka
• Klavye ve kapasitörler için üst kapaklar (yalnızca estetik amaçlı)
• AMOLED ekran tutucu ve kapak
• AMOLED denetleyici kartı tutucusu
• Pi'den denetleyiciyi görüntülemek için HDMI ve USB kablo kılavuzları
• Güç kontrolü için düğme ve LED plaka üst erişimi
• ben yazdırdıkça diğerleri eklenecek

Adım 5: Sonuç

Bu sadece bir hobi projesi olduğundan, süper kapasitörlerin bir dizüstü bilgisayarı çalıştırmak için kullanılabileceğini, ancak muhtemelen boyut kısıtlamaları için kullanılmaması gerektiğini kanıtladığını düşünüyorum. Bu projede kullanılan kapasitörlerin güç yoğunluğu, Li-ion pillerden 20 kat daha az yoğundur. Ayrıca ağırlık saçma.

Bununla birlikte, bunun geleneksel bir dizüstü bilgisayardan farklı kullanımları olabilir. Örneğin, bu dizüstü bilgisayarı çoğunlukla solar şarjdan kullanıyorum. Günde birkaç kez 'pil'i tekrar tekrar şarj etme ve boşaltma konusunda çok fazla endişe duymadan ormanda kullanılabilir. İlk kurulumdan bu yana, ormandaki sensörleri kontrol ederken aydınlatmaya güç sağlamak ve telefonları şarj etmek için kasanın bir tarafına 5v 4A priz eklemek için sistemi biraz değiştirdim. Ağırlık hala bir omuz katili olsa da…

Şarj döngüsü çok hızlı olduğundan, gücün bitmesi konusunda asla endişelenmenize gerek yok. Herhangi bir yerde 20 dakika (veya mevcut seviyeye bağlı olarak daha az) takabilirim ve bir saatten fazla yoğun kullanım için gitmek iyi olur.

Bu tasarımın bir dezavantajı, yoldan geçen biri için çok şüpheli görünmesi… Bunu toplu taşıma araçlarında almam. En azından bir kalabalığın yakınında kullanmayın. Birkaç arkadaşım bana bunu biraz daha az 'tehdit edici' göstermem gerektiğini söyledi.

Ama sonuçta, bu projeyi oluştururken eğlendim ve süper kapasitör teknolojisinin gelecekteki diğer projelere nasıl uygulanacağını biraz öğrendim. Ayrıca, her şeyi bavula sığdırmak, aşırı sinir bozucu olmayan, hatta oldukça ilginç bir meydan okuma olan 3 boyutlu bir bulmacaydı.

Herhangi bir sorunuz varsa, bana bildirin!