Laptop Raspberry Pi sa super kondenzatorom: 5 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Ovisno o općem interesu za ovaj projekt, mogu dodati još koraka, itd. Ako to pomaže pojednostaviti bilo kakve zbunjujuće komponente.

Uvijek su me zanimale nove tehnologije kondenzatora koje su se pojavljivale godinama i mislio sam da bi bilo zabavno pokušati ih implementirati kao neku vrstu baterije za zabavu. Bilo je mnogo čudnih problema na koje sam naišao radeći na ovome jer nisu osmišljeni s obzirom na ovu aplikaciju, već su htjeli podijeliti ono što sam otkrio i testirao.

Ovo više naglašava poteškoće s punjenjem i izvlačenjem snage iz skupine super kondenzatora u mobilnoj aplikaciji (iako koliko je težak, nije baš toliko mobilan …).

Bez sjajnih vodiča u nastavku ovo se ne bi ostvarilo:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Detaljne informacije o superkondenzatorima
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Vodič za izgradnju kola za punjenje i pražnjenje
• Pokušat ću iskopati više onoga što sam koristio ako ih mogu pronaći/zapamtiti.
• Ako imate neke vodiče za koje mislite da su relevantni, javite mi kako bih ih mogao ubaciti ovdje.

Glavni razlozi zbog kojih sam htio ovo isprobati su:

• Punjenje do kraja unutar SECONDS (uključena velika amperaža ograničava ovaj sistem na minute … sigurno).
• Stotine hiljada ciklusa punjenja bez degradacije (preko milion pod pravim uslovima).
• Vrlo nišna tehnologija koja bi vjerovatno mogla pronaći svoj put u glavnu industriju baterija.
• Ekološki radni uslovi. Temperature od +60C do -60C za kondenzatore koji se ovdje koriste.
• Efikasnost punjenja je> 95% (baterije su u prosjeku <85%)
• Meni su zanimljive?

Sada za uvijek potrebno upozorenje pri radu s električnom energijom … Iako postoji vrlo mala šansa za ozljedu pri radu s niskim naponom od ~ 5 V, nevjerojatna količina amperaže koju super kondenzatori mogu emitirati uzrokovat će opekline i trenutno ispržiti komponente. Prvi članak je spomenuo pruža odlično objašnjenje i sigurne korake. Za razliku od baterija, potpuno skraćivanje stezaljki ne riskira eksploziju (iako može skratiti vijek trajanja super kondenzatora ovisno o mjeraču žice). Pravi problemi mogu nastati pri prenaponu (punjenje iznad označenog maksimalnog napona) gdje će super kondenzatori ispasti, 'iskočiti' i umrijeti u zadimljenom neredu. U ekstremnim slučajevima može doći do toga da brtva iskače prilično glasno.

Kao primjer koliko se energije može osloboditi, bacio sam bakrenu žicu od 16 kalibra preko potpuno napunjene banke na 5V (slučajno naravno) i bio sam zaslijepljen žicom koja je eksplodirala u bijelo -zelenom bljesku dok je gorjela. Za manje od sekunde taj komad žice od 5 cm je NESTAL. Stotine pojačala putuju preko te žice u manje od sekunde.

Sklonio sam se s laptopa kao platforme jer sam imao Raspberry Pi koji je ležao, aluminijski kovčeg, tastaturu na kiosku i 3D štampač za izradu prototipa. Prvobitno je ideja bila da se ovaj laptop izgradi samo tako da može raditi 10-20 minuta uz minimalan napor. Uz sobu koju sam imao dodatno u koferu, bilo je previše primamljivo pokušavati izgurati više iz ovog projekta trpanjem u više super kondenzatora.

Trenutno je količina upotrebljive snage manja od JEDNE JEDNE litij -ionske baterije od 3,7 V 2Ah. Samo približno 7Wh snage. Nije zapanjujuće, ali s vremenom punjenja manjim od 15 minuta od pražnjenja, barem je zanimljivo.

Nažalost, samo se oko 75% uskladištene snage u kondenzatorima može izvući ovim sustavom … Mogao bi se definitivno implementirati mnogo efikasniji sistem za povlačenje snage pri nižim naponima oko 1V ili manje. Jednostavno nisam želio potrošiti više novca na ovo, jer ispod 2 V u kondenzatorima ostavlja na raspolaganju samo oko 2 Wh snage od ukupno 11Wh.

Koristeći pretvarač male snage 0,7-5V u 5V (~ 75-85% efikasnosti) uspio sam napuniti bateriju mobitela od 11Wh sa 3% na 65% pomoću kondenzatorske baterije (iako su telefoni izuzetno neefikasni u punjenju, gdje 60-80 % ulazne snage je zapravo pohranjeno).

Za dijelove korištene u ovom projektu vjerojatno postoje bolji dijelovi za korištenje od onih koje sam imao pri ruci. Ali evo ih:

• 6x super kondenzatora (2.5V, 2300 Farad - iz regenerativnog kočionog sistema automobila. Može se pronaći na Ebayu itd.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x ekran sa napajanjem od 5 V (koristim AMOLED ekran od 5,5 inča sa HDMI kontrolnom pločom)
• 2x mikrokontrolera ATTiny85 (uključit ću i programiranje)
• 2x DC-DC pretvarači od 0,7V-5V do konstantnih 5V 500mA
• 4x 1.9V-5V do konstantnih 5V 1A DC-DC pretvarača
• 1x kofer
• 3x 6A PWM sposoban za napajanje
• 2x 10A Schottky diode
• 10x aluminijski okvir s T-utorom (sa spojevima itd. Ovisi o tome šta želite koristiti za držanje stvari na mjestu)
• kiosk tastatura
• 20W 5V solarni panel
• USB na mikro USB kabele
• HDMI kabel
• Asortiman osnovnih električnih komponenti i ploča za izradu prototipova.
• mnogi 3D štampani delovi (uključiću.stl datoteke)

Ovi dijelovi se lako mogu zamijeniti za prikladnije/efikasnije dijelove, ali to je ono što sam imao pri ruci. Također, ograničenja dimenzija će se promijeniti ovisno o tome koje su komponente odabrane.

Ako imate povratnih informacija o dizajnu, ne ustručavajte se ostaviti komentar!

Korak 1: Karakteristike snage

Da biste dobili ideju o tome što možete očekivati kada koristite kondenzatore za nešto za što definitivno nisu dizajnirani:

Kada napon kondenzatorske baterije padne prenisko (1,9 V), ATTinys je programiran da ne uključuje nikakve komponente sistema. Ovo je samo kako bi se osiguralo da komponente ne crpe nikakvu snagu kada ne mogu dosljedno raditi na nižim naponima.

Ovaj sistem radi pomoću DC-DC pretvarača na naponskim nivoima od 4,5 V do 1,9 V iz kondenzatorske baterije.

Ulazni napon punjenja može biti od 5V do 5.5V (ne veći od 5A pri 5.5V). Adapteri od 5V 10A ili više oštetit će MOSFET i spalit će ga pri pola punjenja.

S karakteristikama punjenja kondenzatora, logaritamska/eksponencijalna brzina punjenja bila bi najbolja, jer je sve teže potisnuti snagu što se više približavate punom punjenju … ali nikada nisam mogao postići da matematička funkcija radi s varijablama plutajućeg tipa na ATTiny iz nekog razloga. Nešto za kasnije da pogledam …

Pri punoj procesorskoj snazi, približno vrijeme rada je 1 sat. U stanju mirovanja, 2 sata.

Korištenje primopredajnika LowRa skraćuje životni vijek za još ~ 15%. Korištenje vanjskog laserskog miša skraćuje život za još ~ 10%.

Donji napon kondenzatorske baterije = manja efikasnost pretvaranja u 5V u komponente napajanja. Oko 75% pri 2V naboju kondenzatora, gdje se mnogo energije gubi kao toplina u pretvaračima.

Dok je priključen, laptop može raditi neograničeno dugo koristeći adapter od 5,3 V 8A. Korištenjem 2A adaptera, sustav se mora potpuno napuniti prije uključivanja radi neograničene upotrebe. Stopa punjenja ATTiny PWM -a iznosi samo 6,2% ulazne snage kada se kondenzatorska grupa 1,5V ili manje linearno penje do 100% brzine punjenja pri punom punjenju.

Ovom sistemu je potrebno duže vrijeme za punjenje pomoću adaptera za nižu snagu. Vrijeme punjenja od 2V do 4.5V, a ništa ne teče iz kondenzatorske baterije:

• 5.2V 8A adapter traje 10-20 minuta (obično oko 13 minuta).
• 5.1V 2A adapter radi 1-2 sata. Budući da diode padaju napon za oko 0,6 V, neki adapteri na točno 5 V nikada neće potpuno napuniti ovaj sustav. To je u redu jer adapter neće imati negativnih utjecaja.
• Solarni panel od 20 W pri punoj sunčevoj svjetlosti iznosi 0,5-2 sata. (mnogo varijacija tokom testiranja).

Postoji inherentni problem korištenja kondenzatora u kojima oni ne drže napunjenost toliko dugo što ste bliže maksimalnom naponu.

U prva 24 sata, kondenzatorska banka se samoprazni u prosjeku od 4,5V do 4,3V. Zatim će se u sljedeća 72 sata polako spustiti na prilično konstantnih 4,1 V. ATTinys zajedno s malim samopražnjenjem će smanjiti napon na 0,05-0,1V dnevno nakon prvih 96 sati (eksponencijalno sporije kako napon pada bliže nuli). Pri naponu od 1,5 V i nižem napon kondenzatorske baterije pada na oko 0,001-0,01 V dnevno, ovisno o temperaturi.

Uzimajući sve ovo u obzir, konzervativno približno bilo bi pražnjenje do 0,7 V za ~ 100 dana. Ostavio sam ovo sjedenje 30 dana i ostalo mi je nešto više od 3,5 V.

Ovaj sistem može neograničeno raditi na direktnoj sunčevoj svjetlosti.

* * * NAPOMENU: * * Kritični napon ovog sistema je 0,7 V gdje DC-DC pretvarači koji napajaju ATTinys neće uspjeti. Srećom, MOSFET kontrola brzine punjenja će se povući za ~ 2% visoko kada je napajanje priključeno na ovaj napon ili niže, što omogućuje sporo punjenje. Još uvijek nisam shvatio ZAŠTO se to događa, ali to je sretan bonus.

Morao sam potpuno napuniti i isprazniti kondenzatorsku bateriju ~ 15 puta prije nego što su kemijski uravnotežili i zadržali pristojno punjenje. Kada sam ih prvi put spojio, bio sam izuzetno frustriran količinom pohranjenog punjenja, ali postaje sve bolje u prvih 15 ciklusa punjenja.

Korak 2: Pi kontroler napajanja

Da bih uključio i isključio Pi morao sam implementirati regulator snage sa 4 DC-DC pretvarača i MOSFET-om.

Nažalost, Pi crpi oko 100mA čak i kad je isključen, pa sam morao dodati MOSFET da mu potpuno isključim napajanje. Dok je kontroler napajanja u igri, samo ~ 2mA se troši pri punom punjenju (~ 0.5mA pri niskom punjenju).

U osnovi kontroler radi sljedeće:

1. Regulira razinu napona ispod 2,5 V u kondenzatorima kako bi se izbjeglo prenaponovanje tijekom punjenja.
2. Četiri DC-DC (1A max svaki, ukupno 4A) izvlači direktno iz kondenzatora od 4.5V do 1.9V za konstantnih 5.1V.
3. Pritiskom na taster, MOSFET omogućava protok energije do Pi. Još jedna preša isključuje struju.
4. ATTiny prati nivo napona kondenzatorske baterije. Ako je preniska, MOSFET se ne može uključiti.

Srebrno dugme, kada se pritisne, pokazuje preostalu snagu u bateriji kondenzatora. 10 treperi na 4.5V i 1 na 2.2V. Solarni panel može se napuniti do punih 5V i treperi 12 puta na tom nivou.

Napon kondenzatora regulira se regulatorima od 2,5 V zelenog diska koji uklanjaju višak energije. To je važno jer solarni panel pasivno puni kondenzatore kroz 10A diodu izravno do 5,2 V što bi ih pretjerano napunilo.

DC-DC pretvarači mogu napajati do 1A svaki i imaju promjenjivi izlaz konstantnog napona. Pomoću plavog potenciometra na vrhu, napon se može postaviti na bilo koji nivo koji vam je potreban. Postavio sam ih na 5,2 V svaki koji pada oko 0,1 V preko MOSFET -a. Jedan će biti najsitniji izlazni napon od ostalih i bit će umjereno vruć, ali drugi će se nositi sa skokovima napajanja iz Pi -a. Sva 4 pretvarača mogu izdržati skokove snage do 4A pri punom kondenzatoru ili 2A pri niskom punjenju.

Pretvarači napajaju ~ 2mA struju mirovanja pri punom punjenju.

U prilogu je Arduino skica koju koristim da to izvedem s ATTiny -om (Dodano je mnogo bilješki). Dugme je priključeno na prekid kako bi izvuklo ATTiny iz sna i napajalo Pi. Ako je napajanje premalo, LED dioda za napajanje trepće 3 puta i ATTiny se vraća u stanje mirovanja.

Ako se dugme pritisne drugi put, Pi napajanje se isključuje i ATTiny se vraća u stanje mirovanja do sljedećeg pritiska na dugme. Ovo koristi nekoliko stotina nano pojačala u stanju mirovanja. ATTiny radi na 500mA DC DC pretvaraču koji može osigurati konstantnih 5V od promjene napona od 5V-0.7V.

Kućište za napajanje je dizajnirano na TinkerCAD -u (kao i svi ostali 3D ispisi) i štampano.

Za krug pogledajte grubo nacrtanu shemu.

Korak 3: Sistem punjenja

Kontroler punjenja sastoji se od tri dijela:

1. Krug regulatora pokreće ATTiny
2. MOSFET -ovi i diode (i ventilator za hlađenje)
3. Za napajanje laptopa koristim zidni punjač od 5,2 V 8A

Krug kontrolera se budi svakih 8 sekundi kako bi provjerio postoji li veza s masom na priključku za punjenje. Ako je kabel za punjenje spojen, ventilator se uključuje i proces punjenja počinje.

Kako se kondenzatorska banka sve više približava punom punjenju, PWM signal koji kontrolira MOSFET se linearno povećava na 100% UKLJUČENO na 4.5V. Kad se dosegne ciljni napon, PWM signal se isključuje (4,5V). Zatim pričekajte dok se ne dosegne definirana donja granica za ponovno punjenje (4,3 V).

Budući da diode padaju napon punjenja sa 5,2 V na ~ 4,6 V, teoretski bih mogao ostaviti punjač da radi 24 sata dnevno bez napona oko 4,6-4,7 V. Vrijeme punjenja do pražnjenja kad je blizu ili blizu punjenja je oko <1 minute punjenja i 5 minuta pražnjenja.

Kad se kabel za punjenje iskopča, ATTiny ponovno prelazi u stanje mirovanja.

MOSFET -ovi su sa Ebaya. Mogu se pokretati 5V PWM signalom i mogu podnijeti do 5A svaki. Ovo je na pozitivnoj liniji koristeći tri 10A schottky diode za sprječavanje povratnog toka do zidnog punjača. Dvaput provjerite orijentaciju diode PRIJE spajanja na zidni punjač. Ako je pogrešno orijentiran kako bi omogućio protok energije iz kondenzatora u zidni punjač, punjač će se jako zagrijati i vjerovatno će se otopiti kada se priključi na prijenosno računalo.

Ventilator od 5V pokreće zidni punjač i hladi ostale komponente jer se jako zagrijavaju do pola napunjenosti.

Punjenje pomoću punjača od 5.2V 8A traje samo nekoliko minuta, dok kao punjaču od 5V 2A potrebno je više od sat vremena.

PWM signal do MOSFET -a dozvoljava samo 6% snage pri 1,5V ili manje linearno se penjući do 100% pri punom naponu od 4,5V. To je zato što kondenzatori djeluju kao mrtvi kratki spoj pri nižim naponima, ali postaju eksponencijalno teže punjeni što se više približavate izjednačavanju.

Solarni panel od 20 W pokreće mali krug USB punjača od 5,6 V 3,5A. Ovo se napaja direktno kroz 10A diodu do kondenzatorske baterije. Regulatori od 2,5 V sprječavaju prekomjerno punjenje kondenzatora. Najbolje je ne ostavljati sistem na suncu duže vrijeme jer se regulatori i krug punjača mogu prilično zagrijati.

Pogledajte priloženu Arduino Sketch, još jedan loše nacrtan dijagram kola i. STL datoteke za 3D štampane dijelove.

Da bi objasnio kako je krug ožičen, kontroler punjenja ima jednu liniju za testiranje ulaznog napona iz punjača i jednu liniju do pwm pinova na MOSFET modulima.

MOSFET moduli su uzemljeni na negativnoj strani kondenzatorske baterije.

Ovaj krug se neće isključiti ako ventilator nije spojen s negativne strane kondenzatora na visoku stranu ulaza punjača. Budući da se visoka strana nalazi iza dioda i MOSF -ova, jako će se malo energije trošiti jer je otpor veći od 40 000. Ventilator povlači visoku stranu nisko dok punjač nije priključen, ali ne uzima dovoljno struje da bi je smanjio dok je punjač priključen.

Korak 4: Koristi se kondenzatorska banka + dodatni 3D ispisi

Koriste se kondenzatori 6x 2.5V @ 2300F. Oni su raspoređeni u 2 seta u nizu od 3 paralelno. Ovo dolazi do banke od 5V @ 3450F. Ako se SVA energija može izvući iz kondenzatora, oni mogu osigurati ~ 11Wh snage ili onu 3,7V 2.5Ah Li-ion baterije.

Link do lista s podacima:

Jednadžbe koje sam koristio za izračunavanje kapaciteta, a zatim i raspoloživih vatnih sati:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal 2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5VKorišćenjem 4.5V do 1.9V raspoloživog potencijala na kondenzatorima 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Ukupno džula ((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekundi = Watt sati28704 / 3600 = 7,97 Wh (teoretska maksimalna raspoloživa snaga)

Ova banka je veoma velika. visine 5 cm x 36 cm dužine x 16 cm širine. Prilično je težak uključujući aluminijski okvir koji sam koristio … Oko 5 kg ili 11 lbs, ne uključujući kofer i sve ostale vanjske uređaje.

Priključio sam stezaljke kondenzatora pomoću priključaka od 50A koji su lemljeni zajedno s bakrenom žicom od 12 kalibra. Time se izbjegava usporavanje uskih grla na terminalima.

Koristeći aluminijski T-okvir, laptop je nevjerojatno čvrst (iako je i VEOMA težak). Sve komponente se drže na mjestu pomoću ovog okvira. Zauzima minimalni prostor u laptopu bez potrebe za bušenjem rupa posvuda u kućištu.

U ovom projektu korišteno je mnogo 3D štampanih komada:

• Držači kondenzatorske banke puni
• Nosači držača banke kondenzatora
• Donji držači kondenzatora
• Razdvajač između pozitivnih i negativnih stezaljki kondenzatora
• Ploča za držanje od maline Pi
• Gornji poklopci oko tastature i kondenzatora (samo za estetiku)
• AMOLED držač ekrana i maska
• AMOLED držač za kontrolnu ploču
• HDMI i USB žičani vodiči za prikaz kontrolera iz Pi -a
• Gumb i LED gornji pristup za kontrolu napajanja
• drugi će biti dodani dok ih štampam

Korak 5: Zaključak

Kako je ovo bio samo hobi projekt, vjerujem da je dokazano da se superkondenzatori mogu koristiti za napajanje prijenosnog računala, ali vjerojatno ne bi trebali zbog ograničenja veličine. Gustoća snage kondenzatora korištenih u ovom projektu je više od 20 puta manja od Li-ion baterija. Takođe, težina je apsurdna.

S obzirom na to, ovo bi moglo imati drugačiju upotrebu od konvencionalnog laptopa. Na primjer, ovaj laptop koristim uglavnom iz solarnog punjenja. Može se koristiti u šumi bez previše brige oko punjenja i pražnjenja „baterije“više puta dnevno. Malo sam izmijenio sistem od prve izgradnje tako da uključim utičnicu od 5V 4A na jednoj strani kućišta za napajanje osvjetljenja i punjenje telefona prilikom provjere senzora u šumi. Težina ipak ubija ramena …

Budući da je ciklus punjenja tako brz, ne morate brinuti da ćete ostati bez energije. Mogu ga priključiti na 20 minuta (ili manje, ovisno o trenutnom nivou) bilo gdje i bilo bi dobro otići na sat intenzivnije upotrebe.

Jedan nedostatak ovog dizajna je što prolazniku izgleda vrlo sumnjivo … Ne bih to uzeo u javni prijevoz. Barem ga nemojte koristiti u blizini gomile. Nekoliko prijatelja mi je reklo da sam trebao učiniti da izgleda malo manje 'prijeteće'.

Ali sve u svemu, bilo mi je zabavno graditi ovaj projekt i naučio sam dosta o tome kako primijeniti tehnologiju superkondenzatora na druge projekte u budućnosti. Također, postavljanje svega u kofer bila je 3D zagonetka koja nije bila pretjerano frustrirajuća, čak i prilično zanimljiv izazov.

Ako imate pitanja, javite mi!