UPS sa super kondenzatorom: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Za jedan projekat, od mene je zatraženo da isplaniram rezervni sistem napajanja koji bi mogao održati mikrokontroler u radu oko 10 sekundi nakon gubitka napajanja. Ideja je da tokom ovih 10 sekundi kontroler ima dovoljno vremena za to

• Prestanite šta god radili
• Sačuvajte trenutno stanje u memoriji
• Pošaljite poruku o gubitku napajanja (IoT)
• Prelazi u stanje pripravnosti i čeka gubitak napajanja

Normalni rad počinje tek nakon ponovnog pokretanja. Još uvijek je potrebno planiranje kakva bi mogla biti procedura ako se napajanje vrati u ovih 10 sekundi. Međutim, moj zadatak je bio usredotočiti se na napajanje.

Najjednostavnije rješenje može biti korištenje vanjskog UPS -a ili nešto slično. Očigledno nije tako i trebalo nam je nešto mnogo jeftinije i manje. Preostala rješenja koriste bateriju ili super kondenzator. Tačno tokom procesa evaluacije, vidio sam lijep YouTube video na sličnu temu: Link.

Nakon nekih razmatranja, krug super kondenzatora zvučao je kao najbolje rješenje za nas. Nešto je manji od baterije (želimo koristiti vrlo široko korištene komponente, iako osobno nisam siguran je li razlog veličine istinit), zahtijeva manje komponenti (što znači- jeftinije je) i najvažnije- zvuči puno bolje nego baterija (posljedice rada s neinženjerima).

Izgrađena je testna postavka za provjeru teorije i kontrolu funkcioniranja sistema punjenja super kondenzatora kako treba.

Ovaj Instructable pokazuje više šta je učinjeno, a ne objašnjava kako to učiniti.

Korak 1: Opis sistema

Arhitektura sistema se može vidjeti na slici. Prvo se 230VAC pretvara u 24VDC, a zatim u 5VDC, a na kraju krug mikrokontrolera radi na 3.3V. U idealnom slučaju, nestanak struje mogao bi se otkriti već na razini mreže (230VAC). Nažalost, nismo u mogućnosti to učiniti. Stoga moramo provjeriti postoji li još uvijek napajanje na 24VDC. Ovako, ne mogu se koristiti kondenzatori za skladištenje AC/DC napajanja. Mikrokontroler i sva druga važna elektronika nalaze se na 3.3V. Odlučeno je da je u našem slučaju 5V šina najbolje mjesto za dodavanje super kondenzatora. Kada napon kondenzatora polako opada, mikrokontroler i dalje može raditi na 3.3V.

Zahtjevi:

• Konstantna struja - Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Minimalni napon (minimalni dozvoljeni napon na šini 5V) - Vend = 3,0V
• Minimalno vrijeme koje kondenzator mora pokriti - T = 10 sek

Dostupno je nekoliko specijalnih IC-ova za punjenje super kondenzatora koji mogu napuniti kondenzator vrlo brzo. U našem slučaju vrijeme punjenja nije kritično. Stoga je dovoljan najjednostavniji krug diodnog otpornika. Ovaj sklop je jednostavan i jeftin s nekim nedostacima. Pitanje vremena punjenja je već spomenuto. Međutim, glavni nedostatak je što kondenzator nije napunjen do punog napona (pad napona diode). Ipak, niži napon može nam donijeti i neke pozitivne strane.

Na krivulji očekivanog životnog vijeka super kondenzatora sa slike iz tehničke tablice AVX SCM serije (veza) može se vidjeti očekivani vijek trajanja u odnosu na radnu temperaturu i primijenjeni napon. Ako kondenzator ima nižu vrijednost napona, očekivani vijek trajanja se povećava. To bi moglo biti korisno jer se može koristiti niži napon kondenzatora. To još treba razjasniti.

Kao što će biti pokazano mjerenjima, radni napon kondenzatora bit će oko 4,6 V-4,7 V-80% ocjenjeno.

Korak 2: Ispitni krug

Nakon izvjesne procjene, za testiranje su odabrani AVX super kondenzatori. Testirani su za 6V. To je zapravo preblizu vrijednosti koju planiramo koristiti. Ipak, za svrhu testiranja to je dovoljno. Testirane su tri različite vrijednosti kapacitivnosti: 1F, 2.5F i 5F (2x 2.5F paralelno). Ocjena kondenzatora je sljedeća

• Tačnost kapaciteta - 0% +100%
• Nazivni napon - 6V

• Proizvođački dio br -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Životni vijek - 2000 sati pri 65 ° C

Kako bi se izlazni napon uskladio s naponom kondenzatora koriste se minimalne diode napona. U testu su VdiodeF2 = 0,22V diode implementirane zajedno sa visokostrujnim sa VdiodeF1 = 0,5V.

Koristi se jednostavni IC pretvarača istosmjernog napona LM2596. To je vrlo robusna IC i omogućava fleksibilnost. Za ispitivanje su planirana različita opterećenja: uglavnom različita otporna opterećenja.

Za stabilnost napona potrebna su dva paralelna otpornika od 3,09 kΩ paralelna sa super kondenzatorom. U ispitnom krugu super kondenzatori su povezani prekidačima i ako nijedan kondenzator nije spojen, napon može biti previsok. Radi zaštite kondenzatora paralelno s njima postavlja se 5.1V Zener dioda.

Za opterećenje, otpornik od 8,1 kΩ i LED dioda pružaju određeno opterećenje. Uočeno je da napon u stanju bez opterećenja može biti veći od željenog. Diode mogu izazvati neočekivano ponašanje.

Korak 3: Teoretski proračuni

Pretpostavke:

• Konstantna struja - Iconst = 0,5A
• Vout @ nestanak napajanja - Vout = 5.0V
• Napon punjenja kondenzatora prije dioda - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Početni napon (Vcap @ nestanak napajanja) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ nestanak napajanja - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V
• Minimalni Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3V
• Minimalno vrijeme koje kondenzator mora pokriti - T = 10 sek

Vrijeme punjenja kondenzatora (teoretski): Punjenje = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Za 1F kondenzator je R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Ako je C = 1.0F, Tcharging = 135 sec = 2.5 minuntes

Ako je C = 2.5F, Tcharging = 337 sec = 5.7 minuntes

Ako je C = 5.0F, Tcharging = 675 sec = 11 minuntes

Iz pretpostavki možemo pretpostaviti da je konstantna nazivna snaga približno: W = I * V = 2,5W

U kondenzatoru se može pohraniti određena količina energije: W = 0,5 * C * V^2

Iz ove formule može se izračunati kapacitet:

• Želim crtati x vata za t sekundi, koliko mi kapaciteta treba (veza)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Želim crtati x ampera za t sekundi, koliko mi kapaciteta treba? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Ako odaberemo vrijednost kondenzatora 5F:

• Koliko će vremena trebati za punjenje/pražnjenje ovog kondenzatora konstantnom strujom (veza)? Tdispuštanje = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sek.
• Koliko će trebati da se napuni/isprazni ovaj kondenzator sa konstantnom snagom (W)? Tispuštanje = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 s

Ako koristite Rcharge = 25ohm, struja punjenja bi bila

A vrijeme punjenja otprilike: Punjenje = 625 sekundi = 10,5 minuta

Korak 4: Praktična mjerenja

Testirane su različite konfiguracije i vrijednosti kapacitivnosti. Da bi se pojednostavilo testiranje, izgrađena je Arduino kontrolna postavka testa. Sheme su prikazane na prethodnim slikama.

Mjerena su tri različita napona i rezultati se relativno dobro uklapaju u teoriju. Budući da su struje opterećenja mnogo niže od nazivne diode, pad napona prema naprijed je nešto manji. Ipak, kao što se može vidjeti, izmjereni napon super kondenzatora potpuno se podudara s teoretskim proračunima.

Na sljedećoj slici možete vidjeti tipično mjerenje sa 2.5F kondenzatorom. Vrijeme punjenja dobro se uklapa u teoretsku vrijednost od 340 sekundi. Nakon dodatnih 100 sekundi napon kondenzatora je porastao samo dodatnih 0,03 V, što znači da je razlika zanemariva i u području pogreške mjerenja.

Na drugoj slici se može vidjeti da je nakon nestanka struje izlazni napon Vout VdiodeF2 manji od napona kondenzatora Vcap. Razlika je dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Sažetak izmjerenih vremena možete vidjeti u priloženoj tabeli. Kao što se može vidjeti, rezultati se ne uklapaju baš u teoretske proračune. Izmjerena vremena su uglavnom bolja od izračunatih, što znači da neki rezultirajući paraziti nisu uzeti u obzir u proračunima. Gledajući izgrađeno kolo može se primijetiti da postoji nekoliko neodređenih točaka povezivanja. Dodatno, proračuni ne uzimaju u obzir dobro ponašanje opterećenja - kada napon padne, struja pada. Ipak, rezultati su obećavajući i u očekivanom su rasponu.

Korak 5: Neke mogućnosti poboljšanja

Moglo bi se poboljšati vrijeme rada ako se umjesto superkondenzatora umjesto diode koristi pretvarač pojačanja. Uzeli smo to u obzir, no ipak je cijena veća nego što ima obična dioda.

Punjenje super kondenzatora kroz diodu (u mom slučaju dvije diode) znači pad napona i to bi se moglo ukloniti ako se koristi poseban IC za punjenje kondenzatora. Ponovo, cijena je glavna briga.

Alternativno, prekidači visoke strane mogu se koristiti zajedno sa prekidačem PNP. Brzo razmišljanje o mogućem rješenju moglo bi se vidjeti u nastavku. Svi prekidači se upravljaju putem zener diode koja se napaja sa 24V ulaza. Ako ulazni napon padne ispod napona diodnog zenera, prekidač PNP se UKLJUČUJE, a ostali prekidači s visoke strane isključuju. Ovo kolo nije testirano i najvjerojatnije zahtijeva neke dodatne (pasivne) komponente.

Korak 6: Zaključak

Mjerenja se sasvim dobro uklapaju u proračune. Pokazujući da se teorijski proračuni mogu koristiti-iznenađenje-iznenađenje. U našem posebnom slučaju, potrebno je nešto više od 2,5F kondenzatora kako bi se osigurala dovoljna količina energije za dati vremenski period.

Ono što je najvažnije, krug punjenja kondenzatora radi prema očekivanjima. Krug je jednostavan, jeftin i dovoljan. Postoje neki navedeni nedostaci, međutim, niska cijena i jednostavnost to kompenziraju.

Nadajmo se da će ovaj mali sažetak nekome biti od koristi.