Süper Kapasitör UPS: 6 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Bir proje için, güç kaybından yaklaşık 10 saniye sonra mikrodenetleyiciyi çalışır durumda tutabilecek bir yedek güç sistemi planlamam istendi. Buradaki fikir, bu 10 saniye boyunca kontrolörün yeterli zamana sahip olmasıdır.

• Her ne yapıyorsa dur
• Mevcut durumu belleğe kaydedin
• Güç kaybı mesajını gönderin (IoT)
• Kendini bekleme moduna alır ve güç kaybını bekler

Normal çalışma ancak yeniden başlatmanın ardından başlar. Bu 10 saniye boyunca güç geri gelirse prosedürün ne olabileceği konusunda hala bazı planlamalar gerekiyor. Ancak benim görevim güç kaynağına odaklanmaktı.

En basit çözüm, harici bir UPS veya bunun gibi bir şey kullanmak olabilir. Açıkçası, durum böyle değil ve çok daha ucuz ve daha küçük bir şeye ihtiyacımız vardı. Kalan çözümler bir pil veya süper kapasitör kullanıyor. Tam da değerlendirme sürecinde benzer bir konuyla ilgili güzel bir YouTube videosu gördüm: Link.

Bazı değerlendirmelerden sonra süper kapasitör devresi bizim için en iyi çözüm gibi geldi. Pilden biraz daha küçük (boyut nedeninin gerçekten doğru olup olmadığından şahsen emin olmasam da çok yaygın olarak kullanılan bileşenleri kullanmak istiyoruz), daha az bileşen gerektiriyor (yani daha ucuz) ve en önemlisi çok daha iyi geliyor pilden daha fazla (mühendis olmayanlarla çalışmanın sonuçları).

Teoriyi test etmek ve süper kapasitör şarj sistemlerinin gerektiği gibi çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için bir test kurulumu yapıldı.

Bu Eğitilebilir Tablo, nasıl yapılacağını açıklamak yerine ne yapıldığını gösterir.

Adım 1: Sistem Açıklaması

Sistem mimarisi şekilde görülebilir. İlk olarak, 230VAC 24VDC'ye, yani 5VDC'ye dönüştürülür ve sonunda mikrodenetleyici devresi 3.3V'da çalışır. İdeal durumda, zaten şebeke seviyesinde (230VAC) elektrik kesintisi tespit edilebilir. Maalesef bunu yapamıyoruz. Bu nedenle, gücün 24VDC'de hala orada olup olmadığını kontrol etmeliyiz. Bunun gibi, AC/DC güç kaynağı depolama kapasitörleri kullanılamaz. Mikrodenetleyici ve diğer tüm önemli elektronikler 3.3V'de. Bizim durumumuzda süper kapasitör eklemek için en iyi yerin 5V rayı olduğuna karar verildi. Kondansatör voltajı yavaş yavaş düştüğünde, mikrodenetleyici hala 3.3V'ta çalışabilir.

Gereksinimler:

• Sabit akım – Iconst = 0,5 A (@ 5.0V)
• Minimum voltaj (minimum izin verilen voltaj @ 5V ray) – Vend = 3.0V
• Kapasitörün kaplaması gereken minimum süre – T = 10 sn

Kondansatörü çok hızlı şarj edebilen birkaç özel süper kapasitör şarj IC'si mevcuttur. Bizim durumumuzda, şarj süresi kritik değildir. Bu nedenle, en basit diyot-direnç devresi yeterlidir. Bu devre bazı dezavantajlarla birlikte basit ve ucuzdur. Şarj süresi sorunu zaten belirtilmişti. Bununla birlikte, ana dezavantaj, kapasitörün tam voltajına kadar şarj edilmemesidir (diyot voltaj düşüşü). Bununla birlikte, daha düşük voltaj bize bazı olumlu yönler de getirebilir.

AVX SCM Serisi veri sayfasından (bağlantı) alınan Süper kapasitör beklenen ömür eğrisinde, çalışma sıcaklığına ve uygulanan voltaja karşı beklenen ömür görülebilir. Kondansatörün voltaj değeri daha düşükse beklenen kullanım ömrü artar. Daha düşük voltajlı kondansatör kullanılabileceği için bu faydalı olabilir. Bunun hala açıklığa kavuşturulması gerekiyor.

Ölçümlerde de görüleceği gibi kondansatör çalışma voltajı 4.6V-4.7V – %80 Vrated civarında olacaktır.

Adım 2: Test Devresi

Bazı değerlendirmelerden sonra, test için AVX süper kapasitörleri seçildi. Test edilenler 6V için derecelendirilmiştir. Bu aslında kullanmayı planladığımız değere çok yakın. Bununla birlikte, test amaçlı olarak yeterlidir. Üç farklı kapasitans değeri test edildi: 1F, 2.5F ve 5F (paralel olarak 2x 2.5F). Kondansatörlerin derecesi aşağıdaki gibidir

• Kapasitans doğruluğu – %0 + %100
• Anma gerilimi – 6V

• Üretici parça numarası –

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Ömür – 2000 Saat @ 65°C

Çıkış voltajını kondansatör voltajı ile eşleştirmek için minimum ileri voltaj diyotları kullanılır. Testte VdiodeF2 = 0.22V diyotlar, VdiodeF1 = 0.5V olan yüksek akımlı diyotlarla birlikte uygulanmaktadır.

Basit LM2596 DC-DC dönüştürücü IC kullanılır. Bu çok sağlam bir IC'dir ve esneklik sağlar. Test etmek için farklı yükler planlandı: esas olarak farklı dirençli yükler.

Voltaj kararlılığı için süper kapasitöre paralel iki paralel 3.09kΩ direnç gereklidir. Test devresinde süper kapasitörler anahtarlar aracılığıyla bağlanır ve kapasitörlerin hiçbiri bağlı değilse voltaj çok yüksek olabilir. Kondansatörleri korumak için bunlara paralel bir 5.1V Zener diyot yerleştirilmiştir.

Yük için 8.1kΩ direnç ve LED bir miktar yük sağlıyor. Yüksüz durumda voltajın istenenden daha yükseğe çıkabileceği fark edildi. Diyotlar bazı beklenmedik davranışlara neden olabilir.

Adım 3: Teorik Hesaplamalar

varsayımlar:

• Sabit akım – Iconst = 0,5A
• Vout @ elektrik kesintisi – Vout = 5.0V
• Diyotlardan önce kondansatör şarj voltajı – Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Başlatma voltajı (Vcap @ elektrik kesintisi) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ elektrik kesintisi – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minimum Vcap – Vcap_min = Satış VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3V
• Kondansatörün kaplaması gereken minimum süre – T = 10 sn

Bir kondansatörü şarj etme süresi (teorik): Şarj = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiyotlar + RBağlantılar

1F kondansatör için R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 + ? + ? = 27ohm

C=1.0F ise, Şarj = 135 sn = 2.5 dakika

C=2.5F ise, Şarj = 337 sn = 5,7 dakika

C=5.0F ise, Şarj = 675 sn = 11 dakika

Varsayımlardan, sabit güç derecesinin yaklaşık olduğunu varsayabiliriz: W = I * V = 2.5W

Bir kapasitörde belirli miktarda enerji depolanabilir: W = 0,5 * C * V^2

Bu formülden, kapasitans hesaplanabilir:

• t Saniye için x Watt çekmek istiyorum, ne kadar kapasitansa ihtiyacım var (Link)?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• t Saniye için x Amper çekmek istiyorum, ne kadar kapasitansa ihtiyacım var?C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Kondansatör değerini 5F olarak seçersek:

• Bu kapasitörün sabit akım (Link) ile şarj/deşarj olması ne kadar sürer?Tdeşarj = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sn
• Bu kapasitörün sabit bir güçle (W) şarj edilmesi/deşarj edilmesi ne kadar sürer?Tdeşarj = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sn

Rcharge = 25ohm kullanılıyorsa, şarj akımı

Ve yaklaşık olarak şarj süresi: Şarj = 625 sn = 10,5 dakika

Adım 4: Pratik Ölçümler

Farklı konfigürasyonlar ve kapasitans değerleri test edildi. Testi basitleştirmek için Arduino kontrollü bir test kurulumu yapıldı. Şemalar önceki şekillerde gösterilmiştir.

Üç farklı voltaj ölçüldü ve sonuçlar teoriye nispeten iyi uyuyor. Yük akımları diyot değerinden çok daha düşük olduğundan ileri voltaj düşüşü biraz daha düşüktür. Yine de görüldüğü gibi ölçülen süper kapasitör voltajı teorik hesaplamalarla birebir örtüşmektedir.

Aşağıdaki şekilde, 2.5F kapasitör ile tipik bir ölçüm görülebilir. Şarj süresi, 340sn teorik değeri ile uyumludur. 100 saniye sonra, kapasitör voltajı yalnızca 0,03V daha yükseliyor, bu da farkın ihmal edilebilir ve ölçüm hatası aralığında olduğu anlamına geliyor.

Diğer şekilde, elektrik kesintisinden sonra Vout çıkış voltajının VdiodeF2 kapasitör voltajından Vcap daha küçük olduğu görülebilir. Fark dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V'dir.

Ölçülen sürelerin bir özeti ekteki tabloda görülebilir. Görüldüğü gibi sonuçlar teorik hesaplamalarla tam olarak örtüşmemektedir. Ölçülen zamanlar çoğunlukla hesaplananlardan daha iyidir, bu da sonuçta ortaya çıkan bazı parazitlerin hesaplamalarda dikkate alınmadığı anlamına gelir. Yerleşik devreye bakıldığında, iyi tanımlanmamış birkaç bağlantı noktası olduğu fark edilebilir. Ek olarak, hesaplamalar yük davranışını iyi dikkate almıyor - voltaj düştüğünde akım da düşüyor. Bununla birlikte, sonuçlar umut vericidir ve beklenen aralıktadır.

Adım 5: Bazı İyileştirme Olasılıkları

Süper kapasitörden sonra diyot yerine bir yükseltici dönüştürücü kullanılırsa çalışma süresi iyileştirilebilir. Yine de fiyatının basit bir diyottan daha yüksek olduğunu düşündük.

Süper kapasitörün bir diyot (benim durumumda iki diyot) aracılığıyla şarj edilmesi, voltaj düşüşü anlamına gelir ve bu, özel bir kapasitör şarj IC'si kullanılıyorsa kaldırılabilir. Yine, fiyat ana endişe kaynağıdır.

Alternatif olarak, bir PNP anahtarı ile birlikte bir yüksek taraf anahtarı kullanılabilir. Hızlı düşünülmüş olası bir çözüm aşağıda görülebilir. Tüm anahtarlar, 24V girişten beslenen bir zener diyot ile kontrol edilir. Giriş voltajı diyot zener voltajının altına düşerse, PNP anahtarı AÇILIR ve diğer yüksek taraf anahtarları KAPANIR. Bu devre test edilmemiştir ve büyük olasılıkla bazı ek (pasif) bileşenler gerektirir.

6. Adım: Sonuç

Ölçümler, hesaplamalarla oldukça uyumludur. Teorik hesaplamaların kullanılabileceğini göstermek – sürpriz-sürpriz. Özel durumumuzda, verilen süre için yeterli miktarda enerji sağlamak için 2,5 F'den biraz daha fazla kapasitör gereklidir.

En önemlisi, kapasitör şarj devresi beklendiği gibi çalışıyor. Devre basit, ucuz ve yeterlidir. Bahsedilen bazı dezavantajlar var, ancak düşük fiyat ve basitlik bunu telafi ediyor.

Umarım bu küçük özet birileri için faydalı olabilir.