- Пуњење супер-кондензатора
- Енергија чувана у супер кондензатору
- Идентификовање поларитета на супер кондензатору
- Потребни материјали
- Кружни дијаграм
- Симулација круга пуњача суперкондензатора
- Пуњач суперкондензатора на хардверу
- Побољшања дизајна
Термин Суперкондензатори и његова могућа употреба у електричним возилима, паметним телефонима и ИоТ уређајима у великој мери се разматрају у новије време, али идеја о самом супер кондензатору датира још од 1957. године, када га је Генерал Елецтриц први пут експериментисао да повећа складишни капацитет својих уређаја. кондензатори. Током година Супер кондензаторска технологија се знатно побољшала и данас се користи као резервна копија батерија, соларне банке и друге апликације у којима је потребно кратко појачавање снаге. Многи имају погрешну представу да дуготрајно сматрају супер поклопце заменом батерије, али барем са данашњом технологијом суперкондензатори нису ништа друго до кондензатори са великим капацитетом пуњења, о суперкондензаторима можете знати више из наших претходних чланака.
У овом чланку научићемо како сигурно напунити такве супер кондензаторе дизајнирањем једноставног кола пуњача, а затим га користити за пуњење нашег супер кондензатора да бисмо проверили колико је добар у задржавању енергије. Слично супер батеријама, супер кондензатори се такође могу комбиновати да би формирали кондензаторске банке напајања, приступ пуњењу кондензаторске батерије је другачији и изван је делокруга овог чланка. Овде ћемо користити једноставан и уобичајено доступан кондензатор кованица од 5,5 В 1Ф који изгледа слично ћелији новчића. Научићемо како напунити суперкондензатор типа кованице и користити га у одговарајућим апликацијама.
Пуњење супер-кондензатора
Упоређујући супер кондензатор нејасно са батеријом, супер кондензатори имају малу густину наелектрисања и лошије карактеристике самопражњења, али у смислу времена пуњења, рока трајања и циклуса пуњења супер кондензатори надмашују батерије. На основу тренутне расположивости пуњења супер кондензатори се могу напунити за мање од једног минута и ако се правилно поступају могу трајати више од једне деценије.
У поређењу са батеријама, супер кондензатори имају врло ниску вредност ЕСР (еквивалентни серијски отпор), што омогућава већу вредност струје да улази или излази из кондензатора, што му омогућава брже пуњење или пражњење великом струјом. Али због ове способности руковања великом струјом, супер кондензатор треба напунити и безбедно испразнити да би се спречио термички бекство. Када је реч о пуњењу супер-кондензатора, постоје два златна правила, кондензатор треба да се пуни исправним поларитетом и напоном који не прелази 90% укупног напонског капацитета.
Суперкондензатори који су данас на тржишту обично су оцењени на 2,5 В, 2,7 В или 5,5 В. Баш попут литијумске ћелије, ови кондензатори морају бити повезани у серију и паралелно у комбинацији да би се формирали високонапонски акумулатори. За разлику од батерија, кондензатор када је повезан у серији ће реципрочно сабирати укупни напон, што значи да је потребно додати више кондензатора да би се створиле батерије одговарајуће вредности. У нашем случају имамо кондензатор 5,5 В 1Ф, тако да би напон пуњења требао бити 90% од 5,5, што је негде близу 4,95 В.
Енергија чувана у супер кондензатору
Када се кондензатори користе као елементи за складиштење енергије за напајање наших уређаја, важно је одредити енергију ускладиштену у кондензатору како бисмо предвидели колико дуго би уређај могао да се напаја. Формуле за израчунавање енергије ускладиштене у кондензатору могу се дати са Е = 1 / 2ЦВ 2. Тако ће у нашем случају за кондензатор од 5,5 В 1Ф када се потпуно напуни бити ускладиштена енергија
Е = (1/2) * 1 * 5,5 2 Е = 15 џула
Сада, користећи ову вредност , можемо израчунати колико дуго кондензатор може напајати ствари, рецимо на пример ако нам треба 500мА на 5В током 10 секунди. Тада се енергија потребна за овај уређај може израчунати помоћу формула Енергија = Снага к време. Овде се снага израчунава са П = ВИ, тако да за 500мА и 5В снага износи 2,5 вата.
Енергија = 2,5 к (10/60 * 60) Енергија = 0,00694 ват-сата или 25 џула
Из овога можемо закључити да ће нам требати најмање два од ових кондензатора паралелно (15 + 15 = 30) да бисмо добили агрегат од 30 џула који ће бити довољан за напајање нашег уређаја 10 секунди.
Идентификовање поларитета на супер кондензатору
Што се тиче кондензатора и батерија, требали бисмо бити врло опрезни са поларитетом. Кондензатор са обрнутим поларитетом највероватније ће се загревати и топити, а понекад ће и пукнути у најгорем случају. Кондензатор који имамо је кованица, чији је поларитет означен малом белом стрелицом, као што је приказано доле.
Претпостављам да смер стрелице означава смер струје. Можете то замислити као, струја увек тече од позитивне ка негативној и стога стрелица почиње са позитивне стране и показује ка негативној страни. Једном када сазнате поларитет и ако сте знатижељни да га напуните, можете чак и да користите РПС подесите га на 5,5 В (или 4,95 В због сигурности), а затим повежите позитивни проводник РПС на позитивни пин, а негативни на негативни пин и требало би да видите како се кондензатор пуни.
На основу тренутне оцене РПС-а можете приметити да се кондензатор пуни у року од неколико секунди и када достигне 5,5 В престаће да црпи више струје. Овај потпуно напуњени кондензатор сада се може користити у одговарајућој примени пре самопражњења.
Уместо да користимо РПС у овом упутству , направићемо пуњач који регулише 5,5 В од 12 В адаптера и помоћу њега напунити супер кондензатор. Напон кондензатора надгледаће се упоређивачем оп-појачала и када се кондензатор напуни, круг ће аутоматски одвојити супер-кондензатор од извора напона. Звучи занимљиво, па кренимо.
Потребни материјали
- 12В адаптер
- ЛМ317 ИЦ регулатор напона
- ЛМ311
- ИРФЗ44Н
- БЦ557 ПНП транзистор
- ЛЕД
- Отпорник
- Кондензатор
Кружни дијаграм
Комплетна шема кола за овај круг пуњача суперкондензатора дата је у наставку. Коло је нацртано помоћу софтвера Протеус, а симулација истог биће приказана касније.Коло напаја адаптер од 12В; затим користимо ЛМ317 за регулацију 5,5 В за пуњење кондензатора. Али ових 5,5 В кондензатор ће добити преко МОСФЕТ-а који делује као прекидач. Овај прекидач ће се затворити само ако напон кондензатора има мање од 4,86 В, јер се кондензатор пуни и повећање напона прекидач ће се отворити и спречити додатно пуњење батерије. Ово упоређивање напона врши се помоћу оптичког појачала, а такође користимо и БЦ557 ПНП транзистор да светли ЛЕД када се процес пуњења заврши. Шема електричног кола приказана горе је подељена на доње сегменте ради објашњења.
ЛМ317 Регулација напона:
Отпорници Р1 и Р2 се користе за одређивање излазног напона регулатора ЛМ317 на основу формула Воут = 1,25 к (1 + Р2 / Р1). Овде смо користили вредности од 1к и 3,3к за регулацију излазног напона од 5,3В који је довољно близу 5,5В. Помоћу нашег мрежног калкулатора можете израчунати жељени излазни напон на основу вредности отпорника која вам је на располагању.
Оп-Амп упоређивач:
Користили смо упоредну ИЦ ЛМ311 за упоређивање вредности напона супер кондензатора са фиксним напоном. Овај фиксни напон добија се на пин број 2 помоћу кола за поделу напона. Отпорници 2.2к и 1.5к испуштају напон од 4.86В са 12В. Ових 4,86 волта се упоређује са напоном реф (напон кондензатора) који је повезан на пин 3. Када је реф напон мањи од 4,86 В, излазни пин 7 ће се подићи са 12 В са повлачењем 10 к отпорника. Овај напон ће се затим користити за погон МОСФЕТ-а.
МОСФЕТ и БЦ557:
ИРФЗ44Н мосфет се користи за повезивање супер кондензатор за пуњење напона на основу сигнала из оп-амп. Када опцијско појачало достигне високу вредност, он даје 12В на пин 7 који укључује МОСФЕТ кроз основни пин на сличан начин када опцијско појачало падне (0В), МОСФЕТ ће се отворити. Такође имамо ПНП транзистор БЦ557 који ће укључити ЛЕД када је МОСФЕТ искључен, указујући да је напон кондензатора већи од 4,8В.
Симулација круга пуњача суперкондензатора
Да бих симулирао коло, заменио сам батерију променљивим отпорником како бих пружио променљиви напон на пин 3 оп-појачала. Супер кондензатор се замењује ЛЕД лампицом да би се показало да ли се напајао или не. Резултат симулације налази се у наставку.
Као што видите као код коришћења напонских сонди, када је напон на инвертујућем пину низак од неинвертујућег пина, опамп се повисује са 12 В на пину 7 који укључује МОСФЕТ и тако пуни кондензатор (жута ЛЕД). Овај 12В такође активира БЦ557 транзистор да искључи зелену ЛЕД. Како се напон кондензатора (потенциометра) повећава, укључиће се зелена ЛЕД диода, јер ће оптичко појачало излазити 0В, као што је горе приказано.
Пуњач суперкондензатора на хардверу
Струјни круг је прилично једноставан и може се направити на плочи, али одлучио сам да користим Перф плочу како бих могао да користим коло у будућности у сваком покушају пуњења супер кондензатора. Такође га намеравам користити заједно са соларним панелом за преносиве пројекте, па сам стога покушао да га направим што је могуће мањим и крутијим. Моје целокупно коло једном залемљено на тачкасту плочу приказано је испод.
Два женска берг штапића могу се тапкати помоћу игле алигатора за пуњење кондензатора. Жута ЛЕД означава напајање модула, а плава ЛЕД статус пуњења. Када се процес пуњења заврши, ЛЕД лампица ће упалити, у супротном ће остати искључена. Једном када је круг спреман, једноставно прикључите кондензатор и требали бисте видети како се плава ЛЕД лампица гаси, а након неког времена поново ће се повисити што значи да је поступак пуњења завршен. Испод можете видети плочу у стању пуњења и напуњености.
Комплетни рад можете пронаћи у видео запису на дну ове странице, ако имате било каквих проблема да то постигнете, објавите их у одељку за коментаре или користите наша форума за друга техничка питања.
Побољшања дизајна
Дизајн кола који је овде дат је сиров и ради у своју сврху; овде се говори о неколико обавезних побољшања која сам приметио након израде. БЦ557 се загрева због напона од 12 В преко базе и емитора, па би уместо БЦ557 требало користити високонапонску диоду.
Друго, док се кондензаторски пуњачи упоређивач напона мери променом напона, али када се МОСФЕТ искључи након пуњења, оптичко појачало осети појачање ниског напона и поново укључи ФЕТ, овај поступак се понавља неколико пута пре него што се опцијско појачало потпуно искључи. Проблем ће решити склоп за закључавање на излазу оп-појачала.