Prenosni računalnik Raspberry Pi s super kondenzatorjem: 5 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Odvisno od splošnega interesa za ta projekt lahko dodam več korakov itd., Če to pomaga poenostaviti zmedene komponente.

Vedno sem bil navdušen nad tem, da se je z leti pojavila novejša tehnologija kondenzatorjev in mislil sem, da bi bilo zabavno, če bi jih poskusili uporabiti kot nekakšno baterijo za zabavo. Pri delu pri tem sem naletel na precej nenavadnih težav, saj niso zasnovane s to aplikacijo v mislih, ampak sem želel deliti, kar sem ugotovil in preizkusil.

To je bolj poudariti težave pri polnjenju in črpanju moči iz skupine super kondenzatorjev v mobilni aplikaciji (čeprav s težo ni tako mobilna …).

Brez odličnih vaj spodaj se to ne bi uresničilo:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Poglobljene informacije o superkondenzatorjih
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Vadnica za izdelavo vezja za polnjenje in praznjenje
• Poskušal bom izkopati več, kar sem uporabil, če jih najdem/spomnim.
• Če imate kakšne vaje, za katere menite, da so pomembne, mi to sporočite, da jih lahko vnesem sem.

Glavni razlogi, zakaj sem hotel to preizkusiti, so:

• Polno polnjenje v sekundah (vključena visoka amperaža omejuje ta sistem na minute… varno).
• Na stotine tisoč polnilnih ciklov brez degradacije (več kot milijon pod primernimi pogoji).
• Zelo nišna tehnologija, ki bi lahko našla pot v mainstream industrijo baterij.
• Okoljski pogoji delovanja. Temperature od +60C do -60C za tukaj uporabljene kondenzatorje.
• Učinkovitost polnjenja je> 95% (baterije so v povprečju <85%)
• Se mi zdijo zanimivi?

Zdaj za vedno potrebno opozorilo pri delu z elektriko … Čeprav obstaja zelo majhna verjetnost poškodb pri nizki napetosti ~ 5V, bo neverjetna količina jakosti, ki jo lahko oddajo super kondenzatorji, povzročila opekline in takoj popražila komponente. ponuja odlično razlago in varne korake. Za razliko od baterij, popolno skrajšanje sponk ne ogroža eksplozije (čeprav lahko skrajša življenjsko dobo super kondenzatorja, odvisno od merilnika žice). Resnične težave lahko nastanejo pri prenapetosti (polnjenje mimo označene največje napetosti), kjer se super kondenzatorji razpadejo, "popnejo" in umrejo v zadimljeni zmešnjavi. Skrajni primeri so lahko, ko pečat kar glasno poka.

Kot primer, koliko moči se lahko sprosti, sem na 5V (seveda po naključju) spustil bakreno žico s premerom 16, ki je eksplodirala v beli in zeleni bliskavici, ko je zagorela. V manj kot sekundi je odšel ta 5 cm kos žice. Na stotine ojačevalnikov potuje po tej žici v manj kot sekundi.

Za prenosnik sem se odločil kot platforma, saj sem imel na razpolago Raspberry Pi, aluminijast kovček, tipkovnico za kiosk in 3D tiskalnik za izdelavo prototipa. Prvotno je bila ideja, da bi ta prenosni računalnik izdelali tako, da bi z minimalnim naporom deloval 10-20 minut. Ker sem imel v kovčku dodatno sobo, je bilo preveč mamljivo, da bi iz tega projekta poskušali potisniti še več, tako da bi natrpali več super kondenzatorjev.

Trenutno je količina uporabne moči manjša kot pri ENOTNI 3,7 V 2Ah litij -ionski bateriji. Samo približno 7Wh moči. Ni presenetljivo, vendar s časom polnjenja manj kot 15 minut od praznega, je vsaj zanimivo.

Na žalost je s tem sistemom mogoče izvleči le približno 75% shranjene moči v kondenzatorjih … Za zagon moči pri nižjih napetostih okoli 1 V ali manj bi zagotovo lahko uporabili veliko bolj učinkovit sistem. Pravkar nisem hotel porabiti več denarja za to, pa tudi pod 2V v kondenzatorjih ostane na voljo le približno 2Wh moči od skupaj 11Wh.

Z nizko porabo pretvornika 0,7-5 V v 5 V (~ 75-85% izkoristek) sem lahko baterijo mobitela s 11 Wh napolnil s 3% na 65% s pomočjo kondenzatorske baterije (čeprav so telefoni pri polnjenju izjemno neučinkoviti % vhodne moči je dejansko shranjen).

Za dele, uporabljene v tem projektu, so verjetno boljši deli za uporabo, kot sem jih imel pri roki. Ampak tukaj so:

• 6x super kondenzatorji (2,5V, 2300 Farad - iz avtomobilskega regenerativnega zavornega sistema. Najdete ga na Ebayu itd.)
• 1x malina Pi 3
• 1x 5 -voltni zaslon (uporabljam 5,5 -palčni zaslon AMOLED s krmilno ploščo HDMI)
• 2x mikro krmilnika ATTiny85 (vključil bom programiranje)
• 2x 0,7V-5V do konstantnih 5V 500mA DC-DC pretvornikov
• 4x 1,9V-5V do konstantnih 5V 1A DC-DC pretvornikov
• 1x kovček
• MOSFETI, ki podpirajo 3x 6A PWM
• 2x 10A Schottkyjeve diode
• 10x aluminijast okvir z režo T (s spoji itd. Je odvisen od tega, kaj želite uporabiti za držanje stvari na mestu)
• kiosk tipkovnica
• 20W 5V solarna plošča
• Kabli USB do mikro USB
• HDMI kabel
• Izbor osnovnih električnih komponent in prototipnih plošč.
• veliko 3D natisnjenih delov (vključil bom datoteke.stl)

Te dele je mogoče zlahka zamenjati za ustreznejše/učinkovitejše dele, toda to sem imel pri roki. Tudi dimenzijske omejitve se bodo spremenile glede na izbrane komponente.

Če imate kakršne koli povratne informacije o oblikovanju, ne oklevajte in pustite komentar!

1. korak: Lastnosti moči

Če želite vedeti, kaj lahko pričakujete, ko uporabljate kondenzatorje za nekaj, za kar zagotovo niso bili zasnovani:

Ko napetost baterije kondenzatorja pade prenizko (1,9 V), so ATTinys programirani tako, da ne vklopijo nobenih komponent sistema. To je samo zato, da zagotovimo, da komponente ne črpajo moči, če ne morejo delovati dosledno pri nižjih napetostih.

Ta sistem deluje z DC-DC pretvorniki pri napetostnih nivojih od 4,5 V do 1,9 V iz kondenzatorske baterije.

Vhodna polnilna napetost je lahko od 5V do 5.5V (ne višja od 5A pri 5.5V). Adapterji z napetostjo 5V 10A ali več bodo poškodovali MOSFET in ga izgoreli pri polovični hitrosti polnjenja PWM.

S polnilnimi lastnostmi kondenzatorjev bi bila najboljša logaritmična/eksponentna hitrost polnjenja, saj je težje potisniti moč, kolikor bližje ste polni napolnjenosti … vendar matematične funkcije nikoli ne bi mogel delovati s spremenljivkami s plavajočim tipom. ATTiny iz nekega razloga. Nekaj, kar bom pozneje pogledal …

Pri polni procesorski moči je približni čas delovanja 1 ura. V prostem teku, 2 uri.

Uporaba oddajnika LowRa skrajša življenjsko dobo za dodatnih 15%. Uporaba zunanje laserske miške skrajša življenje za dodatnih 10%.

Nizka napetost kondenzatorskega sklopa = manjši izkoristek pri pretvorbi v 5V v napajalne komponente. Približno 75% pri 2V napolnjenosti kondenzatorja, kjer se veliko energije izgubi zaradi toplote v pretvornikih.

Medtem ko je priključen, lahko prenosnik deluje neomejeno z adapterjem 5,3 V 8A. Z vmesnikom 2A sistem potrebuje popolno polnjenje, preden se vklopi za neomejeno uporabo. Hitrost polnjenja ATTiny PWM je le 6,2% vhodne moči, ko se kondenzatorska baterija 1,5 V ali manj linearno dvigne na 100% stopnjo polnjenja pri polni napolnjenosti.

Polnjenje tega sistema traja dlje z uporabo adapterja za nižjo jakost. Čas polnjenja od 2V do 4.5V, pri čemer nič ne teče iz kondenzatorja:

• 5.2V 8A adapter je 10-20 minut (običajno približno 13 minut).
• 5.1V 2A adapter traja 1-2 uri. Ker diode znižajo napetost za približno 0,6 V, nekateri adapterji pri natančno 5 V tega sistema nikoli ne bodo popolnoma napolnili. To je v redu, saj to ne bo negativno vplivalo na adapter.
• 20W sončna plošča pri polni sončni svetlobi traja 0,5-2 ure. (veliko odstopanja med testiranjem).

Obstaja težava pri uporabi kondenzatorjev, kjer ne zadržujejo naboja tako dolgo, kolikor bližje ste največji napetosti.

V prvih 24 urah se baterija kondenzatorja v povprečju samoprazni od 4,5 V do 4,3 V. Nato se bo v naslednjih 72 urah počasi znižal na dokaj konstantnih 4,1 V. ATTinys skupaj z majhnim samopraznjenjem bo po prvih 96 urah znižal napetost pri 0,05-0,1 V na dan (eksponentno počasneje, ko napetost pade bližje ničli). Pri napetosti 1,5 V in nižji napetost kondenzatorja pade pri okoli 0,001-0,01 V na dan, odvisno od temperature.

Če bi vse to upoštevali, bi bil konzervativni približek praznjenje do 0,7 V v ~ 100 dneh. To sedenje sem pustil 30 dni in še vedno sem imel nekaj več kot 3,5 V.

Ta sistem lahko neomejeno deluje na neposredni sončni svetlobi.

* * * OPOMBA: * * Kritična napetost tega sistema je 0,7 V, kjer pretvorniki DC-DC, ki napajajo ATTinys, ne bodo delovali. Na srečo se bo stopnja polnjenja, ki nadzoruje MOSFET, dvignila za ~ 2% visoko, ko bo napajanje priključeno pri tej napetosti ali nižji, kar bo omogočilo počasno polnjenje. Še vedno nisem ugotovil, ZAKAJ se to zgodi, vendar je to srečen bonus.

Kondenzatorsko baterijo sem moral popolnoma napolniti in izprazniti ~ 15 -krat, preden so se kemijsko uravnovesili in ohranili dostojno napolnjenost. Ko sem jih prvič priklopil, sem bil zelo razočaran nad količino shranjenega polnjenja, vendar je v prvih 15 polnih ciklih polnjenja veliko bolje.

2. korak: Krmilnik napajanja Pi

Za vklop in izklop Pi sem moral implementirati krmilnik moči s 4 DC-DC pretvorniki in MOSFET.

Na žalost Pi črpa približno 100 mA tudi, ko je izklopljen, zato sem moral dodati MOSFET, da sem mu popolnoma prekinil napajanje. Ko je krmilnik moči v igri, se pri polni napolnjenosti porabi le ~ 2 mA (~ 0,5 mA pri nizki napolnjenosti).

V bistvu krmilnik naredi naslednje:

1. Regulira napetost pod 2,5 V v kondenzatorjih, da se izogne prenapetosti med polnjenjem.
2. Štiri DC-DC (1A max vsak, skupaj 4A) potegnejo neposredno iz kondenzatorjev od 4,5V do 1,9V za konstantnih 5,1V.
3. MOSFET s pritiskom na gumb omogoča pretok energije v Pi. Druga stiskalnica prekine moč.
4. ATTiny spremlja nivo napetosti kondenzatorske baterije. Če je prenizka, MOSFET ni mogoče vklopiti.

Srebrni gumb, ko je pritisnjen, označuje preostalo moč v kondenzatorju. 10 utripa pri 4.5V in 1 pri 2.2V. Solarna plošča se lahko polni do 5V in na tej ravni utripa 12 -krat.

Napetost kondenzatorja je regulirana z zelenimi diskovnimi regulatorji 2,5 V, ki odstranijo odvečno moč. To je pomembno, ker sončna celica pasivno polni kondenzatorje preko 10A diode neposredno do 5,2 V, kar bi jih preveč napolnilo.

Pretvorniki DC-DC lahko zagotovijo do 1A vsak in so spremenljivi izhod konstantne napetosti. Z modrim potenciometrom na vrhu lahko napetost nastavite na poljubno raven. Nastavil sem jih na 5,2 V, kar pade približno 0,1 V čez MOSFET. Ena bo najmanjša nekoliko višja izhodna napetost od drugih in se bo zmerno segrela, drugi pa bodo obvladali napetosti iz Pi. Vsi 4 pretvorniki lahko prenesejo konice moči do 4A pri polni napolnjenosti kondenzatorja ali 2A pri nizki napolnjenosti.

Pretvorniki črpajo ~ 2mA mirujočega toka pri polni napolnjenosti.

Priložena je skica Arduino, ki jo uporabljam za to z ATTiny (dodanih je veliko opomb). Gumb je pritrjen na prekinitev, da ATTiny izklopi iz spanja in napaja Pi. Če je moč prenizka, LED -dioda za vklop utripa 3 -krat in ATTiny se ponovno zaspi.

Če gumb pritisnete drugič, se napajanje Pi izklopi in ATTiny preklopi v stanje spanja do naslednjega pritiska gumba. To uporablja nekaj sto nano ojačevalnikov v načinu mirovanja. ATTiny deluje od 500mA DC DC pretvornika, ki lahko zagotovi konstantnih 5V zaradi nihanja napetosti 5V-0.7V.

Ohišje za napajanje je bilo zasnovano na TinkerCAD -u (tako kot vsi drugi 3D -odtisi) in natisnjeno.

Za vezje si oglejte grobo narisano shemo.

3. korak: Polnilni sistem

Krmilnik polnjenja je sestavljen iz treh delov:

1. Krmilno vezje, ki ga poganja ATTiny
2. MOSFETI in diode (ter ventilator za hlajenje)
3. Za napajanje prenosnika uporabljam stenski polnilnik 5.2V 8A

Krmilno vezje se prebudi vsakih 8 sekund, da preveri povezavo z maso na polnilnem priključku. Če je polnilni kabel priključen, se ventilator zažene in postopek polnjenja se začne.

Ko se kondenzatorska banka vse bolj približuje polni napolnjenosti, se signal PWM, ki krmili MOSFET, linearno poveča na 100% ON pri 4.5V. Ko doseže ciljno napetost, se signal PWM izklopi (4,5 V). Nato počakajte, da se doseže določena spodnja meja, da se ponovno začne polnjenje (4,3 V).

Ker diode znižajo polnilno napetost s 5,2 V na ~ 4,6 V, bi teoretično lahko pustil polnilnik delovati 24 ur na dan, napetost pa naj bi padla okoli 4,6-4,7 V. Čas polnjenja do praznjenja pri polni ali blizu nje je približno <1 minuta polnjenja in 5 minut praznjenja.

Ko je polnilni kabel odklopljen, ATTiny spet zaspi.

MOSFETI so iz Ebaya. Lahko jih poganja 5V PWM signal in lahko prenesejo do 5A vsakega. To je na pozitivni črti z uporabo treh 10A schottky diod za preprečevanje povratnega toka do stenskega polnilnika. Dvakrat preverite usmerjenost diod PRED priključitvijo na stenski polnilnik. Če je napačno usmerjen, da bo omogočal pretok energije iz kondenzatorjev v stenski polnilnik, se bo polnilnik zelo segrel in se bo verjetno stopil, ko ga priključite na prenosni računalnik.

Ventilator 5V poganja stenski polnilnik in hladi ostale komponente, saj se zelo napol napolnijo.

Polnjenje s 5,2V 8A polnilnikom traja le nekaj minut, medtem ko polnilnik 5V 2A traja več kot eno uro.

Signal PWM na MOSFET omogoča le 6% moči pri 1.5V ali manj linearnem vzponu na 100% pri polni napolnjenosti 4.5V. To je zato, ker kondenzatorji delujejo kot mrtvi kratek pri nižjih napetostih, vendar se eksponentno težje polnijo, ko se približujete izenačitvi.

Sončna plošča z močjo 20 W napaja majhno 5,6 V 3,5 A polnilno vezje USB. Ta se napaja neposredno preko 10A diode v kondenzatorsko bazo. Regulatorji 2,5 V preprečujejo prekomerno polnjenje kondenzatorjev. Najbolje je, da sistema dalj časa ne puščate na soncu, saj se lahko regulatorji in vezje polnilnika precej segrejejo.

Oglejte si priloženo skico Arduino, še en slabo narisan diagram vezja in datoteke. STL za 3D natisnjene dele.

Za razlago, kako je vezje povezano, ima krmilnik polnjenja eno vrstico za preverjanje vhodne napetosti iz polnilnika in eno linijo do pwm zatičev na modulih MOSFET.

MOSFET moduli so ozemljeni na negativno stran kondenzatorske baterije.

To vezje se ne bo izklopilo, če ventilator ni priključen z negativne strani kondenzatorjev na visoko stran vhoda polnilnika. Ker je visoka stran za diodami in mosfeti, bo zelo malo energije zapravljeno, saj je upor večji od 40k. Ventilator potegne visoko stran nizko, medtem ko polnilnik ni priključen, vendar ne vzame dovolj toka, da bi ga znižal, medtem ko je polnilnik priključen.

4. korak: Kondenzatorska banka + dodatni 3D natisi

Uporabljeni kondenzatorji so 6x 2.5V @ 2300F superkondenzatorji. Razvrščeni so bili v 2 sklopa v zaporedju po 3 vzporedno. To pride do banke 5V @ 3450F. Če bi lahko vso energijo potegnili iz kondenzatorjev, lahko zagotovijo ~ 11Wh moči ali energijo 3,7V 2,5Ah Li-ionske baterije.

Povezava do podatkovnega lista:

Enačbe, ki sem jih uporabil za izračun kapacitivnosti in nato razpoložljivih vatnih ur:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal 2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Uporaba 4.5V do 1.9V razpoložljivega potenciala pri kondenzatorjih 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Skupaj v džulih ((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekund = Watt ur 28704 /3600 = 7,97 Wh (teoretično največja razpoložljiva moč)

Ta banka je zelo velika. pri višini 5 cm x 36 cm v dolžino x 16 cm v širino. Ko je vključen aluminijast okvir, ki sem ga uporabil, je precej težak … Približno 5 kg ali 11 lbs, brez kovčka in vseh drugih zunanjih naprav.

Sponke kondenzatorja sem priklopil s priključki 50A, spojenimi skupaj z bakreno žico 12 merilnikov. S tem se izognete uprenju ozkim grlom na sponkah.

Z aluminijastim okvirjem T-palice je prenosnik neverjetno trden (čeprav tudi ZELO težek). S tem okvirjem so vse komponente pritrjene. Zavzame minimalno prostora v prenosnem računalniku, ne da bi morali povsod v ohišju vrtati luknje.

V tem projektu je bilo uporabljenih veliko 3D tiskanih kosov:

• Nosilci kondenzatorske banke polni
• Naramnice nosilcev kondenzatorskih bank
• Nosila za kondenzatorje spodaj
• Ločilo med pozitivnimi in negativnimi sponkami kondenzatorja
• Držalo za malino Pi
• Zgornji pokrovi za tipkovnico in kondenzatorje (samo za estetiko)
• AMOLED nosilec in pokrov zaslona
• Nosilec krmilne plošče AMOLED
• Vodila za kable HDMI in USB za prikaz krmilnika iz Pi
• Zgornji dostop z gumbi in LED ploščami za nadzor moči
• drugi bodo dodani, ko jih natisnem

5. korak: Zaključek

Ker je bil to le hobi projekt, verjamem, da je dokazal, da se superkondenzatorji lahko uporabljajo za napajanje prenosnega računalnika, vendar verjetno ne bi smeli zaradi omejitev velikosti. Gostota moči kondenzatorjev, uporabljenih v tem projektu, je več kot 20-krat manjša kot pri litij-ionskih baterijah. Tudi teža je absurdna.

To bi lahko imelo drugačno uporabo kot običajni prenosni računalnik. Na primer, ta prenosnik uporabljam večinoma iz sončnega polnjenja. Uporablja se lahko v gozdu, ne da bi se preveč sekirali glede polnjenja in praznjenja 'baterije' večkrat na dan. Sistem sem od prve gradnje nekoliko spremenil tako, da je na eni strani ohišja vključil vtičnico 5V 4A za napajanje razsvetljave in polnjenje telefonov pri preverjanju senzorjev v gozdu. Teža je še vedno morilec ramen …

Ker je polnilni cikel tako hiter, nikoli ne skrbite, da vam bo zmanjkalo energije. Lahko ga priključim za 20 minut (ali manj, odvisno od trenutne ravni) kamor koli in dobro, da grem za več kot eno uro intenzivne uporabe.

Ena pomanjkljivost tega dizajna je, da se mimoidočemu zdi zelo sumljiv … Tega ne bi vzel v javnem prevozu. Vsaj ne uporabljajte ga v bližini množice. Nekaj prijateljev mi je reklo, da bi moral biti videti nekoliko manj "grozeč".

Skratka, pri tem projektu sem se zabaval in naučil sem se precej o tem, kako v prihodnosti uporabiti tehnologijo superkondenzatorjev pri drugih projektih. Prav tako je vse, kar je bilo v kovčku, bila 3D sestavljanka, ki ni bila pretirano frustrirajoča, celo precej zanimiv izziv.

Če imate kakršna koli vprašanja, mi sporočite!