Bộ lưu điện siêu tụ: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Đối với một dự án, tôi được yêu cầu lập kế hoạch một hệ thống điện dự phòng có thể giữ cho bộ vi điều khiển hoạt động trong khoảng 10 giây sau khi mất điện. Ý tưởng là trong 10 giây này, bộ điều khiển có đủ thời gian để

• Dừng lại bất cứ điều gì nó đang làm
• Lưu trạng thái hiện tại vào bộ nhớ
• Gửi thông báo mất điện (IoT)
• Tự chuyển sang chế độ chờ và chờ mất điện

Hoạt động bình thường chỉ bắt đầu sau khi khởi động lại. Vẫn còn một số kế hoạch cần thiết, những gì có thể là thủ tục nếu điện trở lại trong 10 giây này. Tuy nhiên, nhiệm vụ của tôi là tập trung vào việc cung cấp điện.

Giải pháp đơn giản nhất có thể là sử dụng một UPS bên ngoài hoặc một cái gì đó tương tự. Rõ ràng, đó không phải là trường hợp và chúng tôi cần một cái gì đó rẻ hơn và nhỏ hơn nhiều. Các giải pháp còn lại là sử dụng pin hoặc siêu tụ điện. Chính xác là trong quá trình đánh giá, tôi thấy một video YouTube rất hay về chủ đề tương tự: Liên kết.

Sau một số cân nhắc, mạch siêu tụ âm là giải pháp tốt nhất cho chúng tôi. Nó nhỏ hơn một chút so với pin (chúng tôi muốn sử dụng các thành phần được sử dụng rất rộng rãi, mặc dù cá nhân tôi không chắc liệu lý do kích thước có thực sự đúng hay không), yêu cầu ít thành phần hơn (nghĩa là- nó rẻ hơn) và quan trọng nhất- nó nghe tốt hơn nhiều hơn pin (hậu quả của việc làm việc với những người không phải là kỹ sư).

Một thiết lập thử nghiệm đã được xây dựng để kiểm tra lý thuyết và kiểm soát xem hệ thống sạc siêu tụ điện có hoạt động như bình thường hay không.

Có thể hướng dẫn này hiển thị nhiều hơn những gì đã được thực hiện hơn là giải thích cách thực hiện.

Bước 1: Mô tả hệ thống

Kiến trúc hệ thống có thể được nhìn thấy trong hình. Đầu tiên, 230VAC được chuyển đổi thành 24VDC thành 5VDC và cuối cùng mạch vi điều khiển đang chạy ở 3.3V. Trong trường hợp lý tưởng, người ta có thể phát hiện sự cố mất điện ở cấp lưới (230VAC). Thật không may, chúng tôi không thể làm điều đó. Do đó, chúng ta phải kiểm tra xem nguồn điện còn ở 24VDC hay không. Như vậy, người ta không thể sử dụng tụ lưu trữ nguồn AC / DC. Bộ vi điều khiển và tất cả các thiết bị điện tử quan trọng khác đều ở mức 3,3V. Người ta đã quyết định rằng trong trường hợp của chúng tôi, đường ray 5V là nơi tốt nhất để thêm siêu tụ điện. Khi điện áp tụ điện giảm dần, vi điều khiển vẫn có thể làm việc ở 3,3V.

Yêu cầu:

• Dòng điện không đổi - Iconst = 0,5 A (@ 5,0V)
• Điện áp tối thiểu (điện áp tối thiểu cho phép @ đường sắt 5V) - Vend = 3.0V
• Thời gian tối thiểu mà tụ điện phải bao phủ - T = 10 giây

Có một số IC sạc siêu tụ điện đặc biệt có thể sạc tụ điện rất nhanh. Trong trường hợp của chúng tôi, thời gian sạc không quan trọng. Vì vậy, một mạch điện trở diode đơn giản nhất là đủ. Mạch này đơn giản và rẻ tiền với một số nhược điểm. Vấn đề thời gian sạc đã được đề cập. Tuy nhiên, nhược điểm chính là tụ điện không được sạc đến điện áp đầy đủ của nó (giảm điện áp diode). Tuy nhiên, điện áp thấp hơn cũng có thể mang lại cho chúng ta một số mặt tích cực.

Trong đường cong thời gian tồn tại dự kiến của Siêu tụ điện từ biểu dữ liệu SCM Series AVX (liên kết), người ta có thể thấy thời gian tồn tại dự kiến so với nhiệt độ hoạt động và điện áp áp dụng. Nếu tụ điện có giá trị điện áp thấp hơn, tuổi thọ dự kiến sẽ tăng lên. Điều đó có thể có lợi vì có thể sử dụng tụ điện có điện áp thấp hơn. Điều đó vẫn cần được làm rõ.

Như sẽ được hiển thị trong các phép đo, điện áp hoạt động của tụ điện sẽ vào khoảng 4,6V-4,7V - 80% Vrated.

Bước 2: Kiểm tra mạch

Sau một số đánh giá, siêu tụ điện AVX đã được chọn để thử nghiệm. Những cái được thử nghiệm được đánh giá cho 6V. Điều đó thực sự quá gần với giá trị mà chúng tôi định sử dụng. Tuy nhiên, đối với mục đích thử nghiệm là đủ. Ba giá trị điện dung khác nhau đã được thử nghiệm: 1F, 2,5F và 5F (2x 2,5F song song). Đánh giá của các tụ điện như sau

• Độ chính xác của điện dung - 0% + 100%
• Điện áp định mức - 6V

• Phần nhà sản xuất nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Tuổi thọ - 2000 giờ @ 65 ° C

Để phù hợp với điện áp đầu ra với điện áp tụ điện điốt điện áp chuyển tiếp tối thiểu được sử dụng. Trong thử nghiệm, điốt VdiodeF2 = 0,22V được thực hiện cùng với những cái có dòng điện cao với VdiodeF1 = 0,5V.

IC chuyển đổi DC-DC LM2596 đơn giản được sử dụng. Đó là vi mạch rất mạnh và cho phép linh hoạt. Để thử nghiệm các tải khác nhau đã được lập kế hoạch: chủ yếu là tải điện trở khác nhau.

Cần mắc song song hai điện trở 3.09kΩ mắc song song với siêu tụ điện để ổn định điện áp. Trong mạch thử nghiệm, các siêu tụ điện được nối với nhau thông qua các công tắc và nếu không có tụ điện nào được kết nối thì điện áp có thể quá cao. Để bảo vệ các tụ điện, một diode Zener 5.1V được đặt song song với chúng.

Đối với tải, điện trở 8,1kΩ và đèn LED đang cung cấp một số tải. Người ta nhận thấy rằng điều kiện không tải, điện áp có thể tăng cao hơn mức mong muốn. Các điốt có thể gây ra một số hành vi không mong muốn.

Bước 3: Tính toán lý thuyết

Các giả định:

• Dòng điện không đổi - Iconst = 0,5A
• Vout @ mất điện - Vout = 5.0V
• Điện áp sạc tụ điện trước điốt - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Điện áp khởi động (Vcap @ mất điện) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ mất điện - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Vcap tối thiểu - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Thời gian tối thiểu mà tụ điện phải bao phủ - T = 10 giây

Thời gian để sạc một tụ điện (lý thuyết): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Đối với tụ điện 1F thì R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Nếu C = 1,0F, Tcharging = 135 giây = 2,5 phút

Nếu C = 2,5F, Tcharging = 337 giây = 5,7 phút

Nếu C = 5.0F, Tcharging = 675 giây = 11 phút

Từ các giả định, chúng ta có thể giả định rằng định mức công suất không đổi là khoảng: W = I * V = 2,5W

Trong một tụ điện, người ta có thể tích trữ một lượng năng lượng nhất định: W = 0,5 * C * V ^ 2

Từ công thức này, điện dung có thể được tính:

• Tôi muốn vẽ x Watts trong t Giây, tôi cần điện dung bao nhiêu (Liên kết)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Tôi muốn vẽ x Amps trong t Giây, tôi cần điện dung bao nhiêu? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4,55F

Nếu chúng ta chọn giá trị của tụ điện là 5F:

• Mất bao lâu để sạc / xả tụ điện này với dòng điện không đổi (Liên kết)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11.0 giây
• Mất bao lâu để sạc / xả tụ điện này với công suất không đổi (W)? Tdischarge = 0,5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8,47 giây

Nếu sử dụng Rcharge = 25ohm, dòng sạc sẽ là

Và thời gian sạc xấp xỉ: Sạc = 625 giây = 10,5 phút

Bước 4: Các phép đo thực tế

Các cấu hình và giá trị điện dung khác nhau đã được thử nghiệm. Để đơn giản hóa việc kiểm tra, một thiết lập kiểm tra có kiểm soát Arduino đã được xây dựng. Các sơ đồ được hiển thị trong các hình trước.

Ba điện áp khác nhau đã được đo và kết quả tương đối phù hợp với lý thuyết. Vì dòng tải thấp hơn nhiều so với định mức diode nên điện áp chuyển tiếp sẽ thấp hơn một chút. Tuy nhiên, có thể thấy điện áp siêu tụ điện đo được khớp chính xác với các tính toán lý thuyết.

Trong hình sau, người ta có thể thấy một phép đo điển hình với tụ điện 2,5F. Thời gian sạc phù hợp với giá trị lý thuyết là 340 giây. Sau 100 giây nữa, điện áp của tụ điện chỉ tăng thêm 0,03V, có nghĩa là sự khác biệt là không đáng kể và nằm trong dải sai số đo.

Trên hình otehr, ta có thể thấy rằng sau khi mất điện, điện áp đầu ra Vout là VdiodeF2 nhỏ hơn điện áp Vcap của tụ điện. Sự khác biệt là dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Bảng tổng hợp các thời gian đo được có thể xem trong bảng đính kèm. Như có thể thấy kết quả không phù hợp chính xác với các tính toán lý thuyết. Thời gian đo được hầu hết đều tốt hơn thời gian tính toán, có nghĩa là một số ký sinh trùng kết quả không được xem xét trong tính toán. Khi nhìn vào mạch được xây dựng, người ta có thể nhận thấy rằng có một số điểm kết nối không được xác định rõ ràng. Ngoài ra, các tính toán không xem xét tốt hành vi tải - khi điện áp giảm, dòng điện đi xuống. Tuy nhiên, kết quả đầy hứa hẹn và nằm trong phạm vi mong đợi.

Bước 5: Một số khả năng cải tiến

Người ta có thể cải thiện thời gian hoạt động nếu người ta sử dụng một bộ chuyển đổi tăng cường thay vì diode sau siêu tụ điện. Chúng tôi đã xem xét điều đó, tuy nhiên giá cao hơn một diode đơn giản.

Sạc siêu tụ điện qua một điốt (trong trường hợp của tôi là hai điốt) có nghĩa là điện áp giảm và điều đó có thể được loại bỏ nếu sử dụng một IC sạc tụ điện đặc biệt. Một lần nữa, giá cả là mối quan tâm chính.

Ngoài ra, một công tắc bên cao có thể được sử dụng cùng với một công tắc PNP. Một giải pháp khả thi nhanh chóng có thể được nhìn thấy trong phần sau. Tất cả các công tắc được điều khiển thông qua một diode zener được cấp nguồn từ đầu vào 24V. Nếu điện áp đầu vào giảm xuống dưới điện áp diode zener, công tắc PNP sẽ BẬT và công tắc phía cao khác sẽ TẮT. Mạch này không được kiểm tra và hầu hết có thể yêu cầu một số thành phần bổ sung (thụ động).

Bước 6: Kết luận

Các phép đo khá phù hợp với các tính toán. Cho thấy rằng các tính toán lý thuyết có thể được sử dụng - bất ngờ-bất ngờ. Trong trường hợp đặc biệt của chúng tôi, cần ít hơn tụ điện 2,5F để cung cấp đủ năng lượng trong khoảng thời gian nhất định.

Quan trọng nhất là mạch sạc tụ hoạt động như mong đợi. Mạch đơn giản, rẻ và đủ. Có một số nhược điểm đã đề cập, tuy nhiên, giá rẻ và sự đơn giản đã bù đắp được điều đó.

Hy vọng rằng bản tóm tắt nhỏ này có thể hữu ích cho ai đó.