- Зареждане на суперкондензатор
- Енергия, съхранявана в супер кондензатор
- Идентифициране на полярността на супер кондензатора
- Необходими материали
- Електрическа схема
- Симулация на верига за зарядно устройство за суперкондензатор
- Зарядно за суперкондензатор на хардуер
- Подобрения в дизайна
Терминът суперкондензатори и възможното му използване в електрически превозни средства, смартфони и IoT устройства се разглеждат широко в последно време, но самата идея за супер кондензатор датира от 1957 г., когато за първи път е експериментиран от General Electric за увеличаване на капацитета за съхранение на неговите кондензатори. През годините суперкондензаторната технология се подобри значително, че днес се използва като резервни копия на батерии, банки за слънчева енергия и други приложения, където се изисква кратко усилване на мощността. Мнозина имат погрешно схващане да разглеждат супер капачките като заместител на батерията в дългосрочен план, но поне с днешната технология суперкондензаторите не са нищо друго освен кондензатори с голям капацитет на зареждане, можете да знаете повече за суперкондензаторите от предишните ни статии.
В тази статия ще научим как да зареждаме такива супер кондензатори безопасно, като проектираме проста схема на зарядното устройство и след това ще я използваме, за да заредим нашия супер кондензатор, за да проверим колко е добър в задържането на енергия. Подобно на акумулаторните клетки, супер кондензаторът може също да се комбинира, за да образува кондензаторни банки, подходът за зареждане на кондензаторна батерия е различен и е извън обхвата на тази статия. Тук ще използвам простия и общодостъпен 5.5V 1F монетен суперкондензатор, който изглежда подобно на клетка за монети. Ще научим как да зареждаме суперкондензатор от тип монета и да го използваме в подходящи приложения.
Зареждане на суперкондензатор
Сравнявайки неясно супер кондензатора с батерията, супер кондензаторите имат ниска плътност на зареждане и по-лоши характеристики на саморазреждане, но все пак по отношение на времето за зареждане, срока на годност и цикъла на зареждане супер кондензаторите превъзхождат батериите. Въз основа на наличността на тока на зареждане супер кондензаторите могат да се зареждат за по-малко от минута и ако се обработват правилно, могат да продължат повече от десетилетие.
В сравнение с батериите суперкондензаторите имат много ниска стойност на ESR (еквивалентно серийно съпротивление), което позволява по-висока стойност на тока да тече в или извън кондензатора, което му позволява да се зарежда по-бързо или да се разрежда с висок ток. Но поради тази способност да се справя с висок ток, супер кондензаторът трябва да бъде зареден и разреден безопасно, за да се предотврати изтичането на топлина. Що се отнася до зареждането на суперкондензатор, има две златни правила, кондензаторът трябва да се зарежда с правилна полярност и с напрежение, което не надвишава 90% от общия капацитет на напрежение.
Супер-кондензаторите, предлагани на пазара днес, обикновено са с мощност 2.5V, 2.7V или 5.5V. Подобно на литиева клетка, тези кондензатори трябва да бъдат свързани последователно и паралелно в комбинация, за да образуват батерии с високо напрежение. За разлика от батериите, кондензаторът, когато е свързан последователно, ще реципрочно ще сумира общото си напрежение, което налага добавянето на повече кондензатори, за да се образуват батерии с достойна стойност. В нашия случай имаме 5.5V 1F кондензатор, така че напрежението на зареждане трябва да бъде 90% от 5.5, което е някъде близо до 4.95V.
Енергия, съхранявана в супер кондензатор
Когато се използват кондензатори като елементи за съхранение на енергия за захранване на нашите устройства, е важно да се определи енергията, съхранявана в кондензатор, за да се предвиди колко дълго може да се захранва устройството. Формулите за изчисляване на енергията, съхранявана в кондензатор, могат да бъдат дадени чрез E = 1 / 2CV 2. Така че в нашия случай за 5.5V 1F кондензатор при пълно зареждане съхранената енергия ще бъде
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 джаула
Сега, използвайки тази стойност, можем да изчислим колко дълго кондензаторът може да захранва нещата, да кажем например дали ни трябват 500mA при 5V за 10 секунди. Тогава енергията, необходима за това устройство, може да бъде изчислена с помощта на формули Енергия = Мощност x време. Тук мощността се изчислява чрез P = VI, така че за 500mA и 5V мощността е 2,5 вата.
Енергия = 2,5 х (10/60 * 60) Енергия = 0,00694 ват-час или 25 джаула
От това можем да заключим, че ще ни трябват поне два от тези кондензатори паралелно (15 + 15 = 30), за да получим захранващ блок от 30 джаула, който ще бъде достатъчен за захранване на нашето устройство за 10 секунди.
Идентифициране на полярността на супер кондензатора
Що се отнася до кондензатора и батериите, трябва да бъдем много предпазливи с неговата полярност. Кондензатор с обратна полярност най-вероятно ще се нагрее и разтопи и понякога ще се спука в най-лошия случай. Кондензаторът, който имаме, е от тип монети, полярността на който е посочена с малка бяла стрелка, както е показано по-долу.
Предполагам, че посоката на стрелката показва посоката на тока. Можете да го мислите така, токът винаги преминава от положително към отрицателно и следователно стрелката започва от положителна страна и сочи към отрицателната страна. След като познаете полярността и ако ви е любопитно да я заредите, можете дори да използвате RPS, настройте я на 5.5V (или 4.95V за безопасност) и след това свържете положителния проводник на RPS към положителен щифт и отрицателния проводник към отрицателния щифт и трябва да видите как кондензаторът се зарежда.
Въз основа на текущия рейтинг на RPS можете да забележите, че кондензаторът се зарежда за секунди и след като достигне 5.5V, той ще спре да изтегля повече ток. Този напълно зареден кондензатор вече може да се използва в подходящо приложение, преди да се саморазреди.
Вместо да използваме RPS в този урок , ще изградим зарядно устройство, което регулира 5.5V от 12V адаптер и ще го използваме за зареждане на супер кондензатора. Напрежението на кондензатора ще се следи с помощта на компаратор с операционен усилвател и след като кондензаторът се зареди веригата автоматично ще изключи суперкондензатора от източника на напрежение. Звучи интересно, така че нека да започнем.
Необходими материали
- 12V адаптер
- LM317 IC регулатор на напрежение
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP транзистор
- LED
- Резистор
- Кондензатор
Електрическа схема
Пълната схема на веригата за тази зарядна верига на суперкондензатора е дадена по-долу. Веригата е изтеглена с помощта на софтуер Proteus, симулацията на същата ще бъде показана по-късно.
Веригата се захранва от 12V адаптер; след това използваме LM317 за регулиране на 5.5V, за да заредим кондензатора си. Но този 5.5V ще бъде предоставен на кондензатор чрез MOSFET, действащ като превключвател. Този ключ ще се затвори само ако напрежението на кондензатора е по-малко от 4,86 V, тъй като кондензаторът се зарежда и увеличаването на напрежението превключвателят ще се отвори и ще попречи на зареждането на батерията допълнително. Това сравнение на напрежението се извършва с помощта на операционен усилвател и ние също така използваме BC557 PNP транзистор, за да свети светодиод, когато процесът на зареждане приключи. Схемата, показана по-горе, е разделена на сегменти отдолу за обяснение.
LM317 Регулиране на напрежението:
Резисторите R1 и R2 се използват за определяне на изходното напрежение на регулатора LM317 въз основа на формулите Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Тук сме използвали стойност от 1k и 3.3k за регулиране на изходно напрежение от 5.3V, което е достатъчно близо до 5.5V. Можете да използвате нашия онлайн калкулатор, за да изчислите желаното изходно напрежение въз основа на наличната при вас стойност на резистора.
Op-Amp Comparator:
Използвахме LM311 IC за сравнение, за да сравним стойността на напрежението на супер кондензатора с фиксирано напрежение. Това фиксирано напрежение се подава към щифт номер 2 с помощта на верига на делителя на напрежението. Резисторите 2.2k и 1.5k падат на напрежение от 4.86V от 12V. Това 4,86 волта се сравнява с реф. Напрежение (напрежение на кондензатора), което е свързано към щифт 3. Когато реф. Напрежението е по-малко от 4,86 V, изходният щифт 7 ще се повиши с 12 V с изтеглящия 10 k резистор След това това напрежение ще се използва за задвижване на MOSFET.
MOSFET и BC557:
В IRFZ44N MOSFET се използва за свързване на супер кондензатор за зареждане напрежение въз основа на сигнал от оп-усилвател. Когато операционният усилвател се покачи високо, той извежда 12V на щифт 7, който включва MOSFET през основния си щифт по подобен начин, когато op-усилвателят се понижи (0V), MOSFET ще бъде отворен. Имаме и PNP транзистор BC557, който ще включи светодиода, когато MOSFET е изключен, което показва, че напрежението на кондензатора е повече от 4.8V.
Симулация на верига за зарядно устройство за суперкондензатор
За да симулирам веригата, замених батерията с променлив резистор, за да осигуря променливо напрежение към щифт 3 на оп-усилвателя. Супер кондензаторът се заменя със светодиод, за да покаже дали е захранван или не. Резултатът от симулацията може да бъде намерен по-долу.
Както можете да видите при използване на сондите за напрежение, когато напрежението на инвертиращия щифт е ниско от неинвертиращия щифт, усилвателят се повишава с 12V на щифт 7, който включва MOSFET и по този начин зарежда кондензатора (жълт светодиод). Това 12V също така задейства транзистора BC557, за да изключи зеления светодиод. Тъй като напрежението на кондензатора (потенциометър) се увеличава, зеленият светодиод ще се включи, тъй като операционният усилвател ще изведе 0V, както е показано по-горе.
Зарядно за суперкондензатор на хардуер
Веригата е доста проста и може да бъде конструирана на макет, но реших да използвам платка Perf, за да мога да използвам повторно веригата в бъдеще при всеки опит за зареждане на моя супер кондензатор. Също така възнамерявам да го използвам заедно със слънчевия панел за преносими проекти, поради което се опитах да го направя възможно най-малък и твърд. Моята пълна схема, след като съм запоена на пунктирана дъска, е показана по-долу.
Двете женски берг пръчки могат да се почукват с помощта на алигаторни щифтове за зареждане на кондензатора. Жълтият светодиод показва захранването на модула, а синият светодиод показва състоянието на зареждане. След като процесът на зареждане приключи, светодиодът ще светне, иначе ще остане изключен. След като веригата е готова, просто свържете кондензатора и трябва да видите синия светодиод да изгасне и след известно време той отново ще се повиши, за да покаже, че процесът на зареждане е завършен. Можете да видите дъската в състояние на зареждане и зареждане по-долу.
Цялата работа може да бъде намерена във видеото, дадено в долната част на тази страница, ако имате някакъв проблем с това да ги публикувате, публикувайте ги в раздела за коментари или използвайте форумите ни за други технически въпроси.
Подобрения в дизайна
Схемата, дадена тук, е сурова и работи за целта си; тук са обсъдени няколко задължителни подобрения, които забелязах след компилацията. BC557 се нагрява заради 12V през основата и емитера, така че вместо BC557 трябва да се използва диод с високо напрежение.
На второ място, когато кондензаторните зарядни устройства, компараторът на напрежението измерва промяната в напрежението, но когато MOSFET се изключи след зареждане, оп-усилвателят усеща ниско напрежение и отново включва FET, този процес се повтаря няколко пъти, преди операционният усилвател да се изключи напълно. Заключваща верига на изхода на операционния усилвател ще реши проблема.