- Nabíjanie superkondenzátora
- Energia uložená v super kondenzátore
- Identifikácia polarity na super kondenzátore
- Potrebné materiály
- Schéma zapojenia
- Simulácia obvodu nabíjačky superkondenzátora
- Superkondenzátorová nabíjačka na hardvéri
- Vylepšenia dizajnu
Pojem superkondenzátory a jeho možné použitie v elektrických vozidlách, smartfónoch a zariadeniach internetu vecí sa v poslednej dobe intenzívne zvažuje, ale samotná myšlienka superkondenzátora sa datuje do roku 1957, kedy bol spoločnosťou General Electric prvýkrát experimentovaný s cieľom zvýšiť úložnú kapacitu jeho kondenzátory. V priebehu rokov sa technológia super kondenzátorov podstatne zlepšila v tom, že sa dnes používa ako záložné batérie, solárne elektrárne a ďalšie aplikácie, kde je potrebné krátke zvýšenie výkonu. Mnoho ľudí má mylnú predstavu, že superkondenzátory z dlhodobého hľadiska považujú za náhradu batérie, ale minimálne pri dnešných technologických superkondenzátoroch nejde o nič iné, ako o kondenzátory s vysokou kapacitou nabíjania, o superkondenzátoroch sa dozviete viac z našich predchádzajúcich článkov.
V tomto článku sa dozvieme, ako tieto super kondenzátory bezpečne nabíjať, a to tak, že navrhneme jednoduchý obvod nabíjačky a potom ich použijeme na nabitie nášho super kondenzátora, aby sme skontrolovali, aký dobrý je v zadržaní energie. Podobne ako v prípade batériových článkov je možné superkondenzátor kombinovať aj do podoby výkonových bánk kondenzátorov, prístup k nabíjaniu výkonovej banky kondenzátora je odlišný a je mimo rozsahu tohto článku. Tu sa použije jednoduchý a bežne dostupný 5,5V 1F Coin Superkondenzátor, ktorý vyzerá podobne ako mincový článok. Naučíme sa, ako nabíjať minikapacitný kondenzátor a používať ho vo vhodných aplikáciách.
Nabíjanie superkondenzátora
Pri veľmi neurčitom porovnaní superkondenzátora s batériou majú superkondenzátory nízku hustotu nabitia a horšie vlastnosti pri vybíjaní, ale napriek tomu superkondenzátory z hľadiska doby nabíjania, trvanlivosti a nabíjacieho cyklu prekonávajú výkonnosť batérií. Na základe dostupnosti nabíjacieho prúdu je možné super kondenzátory nabiť za menej ako minútu a pri správnom zaobchádzaní vydrží aj viac ako desať rokov.
V porovnaní s batériami majú super kondenzátory veľmi nízku hodnotu ESR (ekvivalentného sériového odporu), čo umožňuje prúdenie vyššej hodnoty prúdu do alebo z kondenzátora, čo umožňuje rýchlejšie nabíjanie alebo vybíjanie veľkým prúdom. Ale kvôli tejto schopnosti zvládnuť vysoký prúd by mal byť super kondenzátor bezpečne nabitý a vybitý, aby sa zabránilo tepelnému úniku. Pokiaľ ide o nabíjanie superkondenzátora, existujú dve zlaté pravidlá, kondenzátor by sa mal nabíjať so správnou polaritou a s napätím nepresahujúcim 90% jeho celkovej kapacity napätia.
Superkondenzátory na dnešnom trhu sú bežne dimenzované na 2,5 V, 2,7 V alebo 5,5 V. Rovnako ako lítiový článok, aj tieto kondenzátory musia byť zapojené do série a do paralelnej kombinácie, aby vytvorili vysokonapäťové akumulátory. Na rozdiel od batérií kondenzátor zapojený do série recipročne sčíta jeho celkové napätie, takže je potrebné pridať viac kondenzátorov a vytvoriť z nich batérie slušnej hodnoty. V našom prípade máme 5,5 V 1F kondenzátor, takže nabíjacie napätie by malo byť 90% z 5,5, čo je niekde blízko 4,95V.
Energia uložená v super kondenzátore
Pri použití kondenzátorov ako prvkov na ukladanie energie na napájanie našich zariadení je dôležité určiť energiu uloženú v kondenzátore, aby sa dalo predpovedať, ako dlho môže byť zariadenie napájané. Vzorce na výpočet energie uloženej v kondenzátore môžu byť dané vzťahom E = 1 / 2CV 2. Takže v našom prípade pre kondenzátor 5,5 V 1 F pri úplnom nabití bude uložená energia
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 joulov
Teraz pomocou tejto hodnoty môžeme vypočítať, ako dlho dokáže kondenzátor napájať veci, napríklad keď potrebujeme 500 mA pri 5 V na 10 sekúnd. Potom možno energiu potrebnú pre toto zariadenie vypočítať pomocou vzorcov Energia = Výkon x čas. Tu sa výkon počíta pomocou P = VI, takže pre napájanie 500 mA a 5 V je 2,5 Watt.
Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 Watt-hod alebo 25 Joulov
Z toho môžeme vyvodiť záver, že minimálne dva z týchto kondenzátorov budeme potrebovať paralelne (15 + 15 = 30), aby sme získali napájací zdroj s veľkosťou 30 Joulov, ktorý bude stačiť na napájanie nášho zariadenia po dobu 10 sekúnd.
Identifikácia polarity na super kondenzátore
Pokiaľ ide o kondenzátor a batérie, mali by sme byť veľmi opatrní s jeho polaritou. Kondenzátor s inverznou polaritou sa s najväčšou pravdepodobnosťou zahreje a roztaví a v najhorších scenároch niekedy praskne. Kondenzátor, ktorý máme, je typu mince, ktorého polarita je označená malou bielou šípkou, ako je to znázornené nižšie.
Predpokladám, že smer šípky označuje smer prúdu. Môžete na to myslieť tak, že prúd vždy prúdi od pozitívneho k negatívnemu, a preto šípka začína od pozitívnej strany a smeruje k negatívnej strane. Keď poznáte polaritu a ak ste zvedaví na nabitie, môžete dokonca použiť RPS nastavený na 5,5 V (alebo 4,95 V pre bezpečnosť) a potom pripojiť kladný vodič RPS na kladný kolík a záporný kábel na záporný kolík a mali by ste vidieť, že sa kondenzátor nabíja.
Na základe aktuálneho hodnotenia RPS si môžete všimnúť, že kondenzátor sa nabije v priebehu niekoľkých sekúnd a akonáhle dosiahne 5,5 V, prestane odoberať prúd. Tento plne nabitý kondenzátor je možné teraz použiť vo vhodnej aplikácii skôr, ako sa samovoľne vybije.
Namiesto použitia RPS v tomto tutoriále zostrojíme nabíjačku, ktorá reguluje 5,5 V z 12V adaptéra a použijeme ho na nabitie super kondenzátora. Napätie kondenzátora bude monitorované pomocou komparátora op-amp a po nabití kondenzátora obvod automaticky odpojí superkondenzátor od zdroja napätia. Znie to zaujímavo, tak poďme na to.
Potrebné materiály
- 12V adaptér
- Integrovaný obvod regulátora napätia LM317
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP tranzistor
- LED
- Rezistor
- Kondenzátor
Schéma zapojenia
Kompletná schéma zapojenia pre tento obvod nabíjačky Supercapacitor je uvedená nižšie. Obvod bol nakreslený pomocou softvéru Proteus, jeho simulácia bude uvedená neskôr.
Obvod je napájaný 12V adaptérom; potom pomocou LM317 regulujeme 5,5 V na nabitie nášho kondenzátora. Ale toto 5,5 V bude dodávané kondenzátoru cez MOSFET fungujúci ako prepínač. Tento spínač sa zatvorí, iba ak napätie kondenzátora má menej ako 4,86 V, pretože kondenzátor sa nabíja a zvyšuje napätie, čím sa spínač otvorí a zabráni ďalšiemu nabíjaniu batérie. Toto porovnanie napätia sa vykonáva pomocou operačného zosilňovača a na dokončenie procesu nabíjania tiež používame tranzistor PNP BC557 na rozsvietenie LED diódy. Schéma zapojenia uvedená vyššie je pre vysvetlenie rozdelená na nižšie uvedené segmenty.
Regulácia napätia LM317:
Rezistor R1 a R2 sa používa na rozhodovanie o výstupnom napätí regulátora LM317 na základe vzorcov Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Tu sme použili hodnotu 1k a 3,3k na reguláciu výstupného napätia 5,3V, ktoré je dostatočne blízke 5,5V. Môžete použiť našu online kalkulačku na výpočet požadovaného výstupného napätia na základe hodnoty odporu, ktorú máte k dispozícii.
Operačný zosilňovač:
Použili sme komparátor IC IC LM311 na porovnanie hodnoty napätia super kondenzátora s pevným napätím. Toto pevné napätie sa dodáva na pin číslo 2 pomocou obvodu deliča napätia. Rezistory 2,2k a 1,5k klesajú na 4,86 V z 12V. Tento 4,86 voltov sa porovnáva s ref. Napätím (napätím kondenzátora), ktoré je pripojené na pin 3. Keď je ref. Napätie nižšie ako 4,86 V, výstupný pin 7 sa zvýši na 12 V s pull-up odporom 10 k. Toto napätie sa potom použije na pohon MOSFETu.
MOSFET a BC557:
IRFZ44N MOSFET sa používa na pripojenie super kondenzátor nabíja napätia na základe signálu z op-amp. Keď operačný zosilňovač stúpne na vysoký, na výstupe pin 12 vydá 12V, ktorý zapne MOSFET cez jeho základný pin podobne, keď dôjde k nízkemu zosilňovaču (0V), MOSFET sa otvorí. Máme tiež PNP tranzistor BC557, ktorý rozsvieti LED, keď je MOSFET vypnutý, čo indikuje, že napätie kondenzátora je viac ako 4,8V.
Simulácia obvodu nabíjačky superkondenzátora
Aby som simuloval obvod, vymenil som batériu za variabilný odpor, aby som zaistil premenlivé napätie na pin 3 operačného zosilňovača. Super kondenzátor je nahradený LED, ktorá ukazuje, či je alebo nie je napájaný. Výsledok simulácie nájdete nižšie.
Ako vidíte pri používaní napäťových sond, keď je napätie na invertujúcom kolíku nízke ako neinvertujúci kolík, operačný zosilňovač stúpne na 12 V na kolíku 7, ktorý zapne MOSFET, a tým nabije kondenzátor (žltá LED). Toto 12V tiež spúšťa tranzistor BC557, aby vypol zelenú LED. Keď sa zvýši napätie kondenzátora (potenciometra), rozsvieti sa zelená LED, pretože operačný zosilňovač bude mať výstup 0 V, ako je uvedené vyššie.
Superkondenzátorová nabíjačka na hardvéri
Obvod je dosť jednoduchý a dá sa skonštruovať na doske, ale rozhodol som sa použiť dosku Perf, aby som mohol obvod v budúcnosti znovu použiť pri každom pokuse nabiť môj super kondenzátor. Tiež ho mám v úmysle použiť spolu so solárnym panelom na prenosné projekty, a preto som sa pokúsil vytvoriť ho čo najmenší a najpevnejší. Môj kompletný obvod, ktorý bol raz spájkovaný na bodkovanej doske, je zobrazený nižšie.
Dve ženské berg tyčinky je možné poklepať pomocou aligátorových kolíkov na nabitie kondenzátora. Žltá LED indikuje napájanie modulu a modrá LED signalizuje stav nabíjania. Po dokončení procesu nabíjania sa LED dióda rozsvieti, inak zostane zhasnutá. Keď je obvod pripravený, jednoducho pripojte kondenzátor a mali by ste vidieť, ako modrá LED dióda zhasne a po nejakom čase opäť zhasne, čo znamená, že proces nabíjania je dokončený. Tabuľka sa zobrazuje v stave nabíjania a nabitia nižšie.
Celé fungovanie nájdete vo videu v dolnej časti tejto stránky. Ak máte problém s uvedením tohto článku do prevádzky, uverejnite ho v sekcii komentárov alebo použite ďalšie technické otázky na našich fórach.
Vylepšenia dizajnu
Tu uvedený návrh obvodu je surový a funguje za svojím účelom; tu je rozobraných niekoľko povinných vylepšení, ktoré som si všimol po zostavení. BC557 sa zahrieva kvôli 12V na svojej základni a emitori, takže namiesto BC557 by sa mala použiť vysokonapäťová dióda.
Po druhé, keď sa kondenzátor nabíja, komparátor napätia meria zmenu napätia, ale keď sa MOSFET po nabití vypne, operačný zosilňovač zaznamená nízky zisk napätia a znovu zapne FET, tento proces sa niekoľkokrát opakuje, kým sa operačný zosilňovač úplne nevypne. Problém vyrieši západkový výstup na výstupe operačného zosilňovača.