UPS za super kondenzator: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Za projekt so me prosili, naj načrtujem rezervni napajalni sistem, ki bi lahko ohranil delovanje mikrokrmilnika približno 10 sekund po izgubi energije. Ideja je, da ima krmilnik v teh 10 sekundah dovolj časa

• Ustavite vse, kar počne
• Shranite trenutno stanje v pomnilnik
• Pošljite sporočilo o izgubi energije (IoT)
• Preklopi v stanje pripravljenosti in počaka na izgubo energije

Običajno delovanje se začne šele po ponovnem zagonu. Še vedno je potrebno nekaj načrtovanja, kakšen bi bil postopek, če se moč v teh 10 sekundah vrne. Moja naloga pa je bila, da se osredotočim na napajanje.

Najpreprostejša rešitev je lahko uporaba zunanjega UPS -a ali kaj podobnega. Očitno ni tako in potrebovali smo nekaj veliko cenejšega in manjšega. Preostale rešitve so uporaba baterije ali super kondenzatorja. Točno med procesom ocenjevanja sem videl lep videoposnetek na YouTube o podobni temi: Povezava.

Po nekaj premislekih je vezje super kondenzatorja zvenelo kot najboljša rešitev za nas. Je nekoliko manjši od baterije (želimo uporabiti zelo pogosto uporabljene komponente, čeprav osebno nisem prepričan, ali je velikost resnična), zahteva manj komponent (kar pomeni- ceneje je) in najpomembnejše- sliši se veliko bolje kot baterija (posledice dela z neinženirji).

Zgrajena je bila testna nastavitev za preizkušanje teorije in za nadzor, ali sistemi za polnjenje super kondenzatorjev delujejo tako, kot bi morali.

Ta Navodila bolj razlagajo, kaj je bilo storjeno, in ne razlagajo, kako to storiti.

Korak: Opis sistema

Arhitekturo sistema lahko vidite na sliki. Najprej se 230VAC pretvori v 24VDC, nato v 5VDC in na koncu vezje mikrokrmilnika deluje pri 3.3V. V idealnem primeru je izpad električne energije mogoče zaznati že na nivoju omrežja (230VAC). Žal tega ne zmoremo. Zato moramo preveriti, ali je moč še vedno pri 24VDC. Tako ne morete uporabiti kondenzatorjev za shranjevanje napajalnikov AC/DC. Mikrokrmilnik in vsa druga pomembna elektronika sta pri 3.3V. Odločeno je bilo, da je v našem primeru 5V vodilo najboljše mesto za dodajanje super kondenzatorja. Ko napetost kondenzatorja počasi upada, lahko mikrokrmilnik še vedno deluje pri 3.3V.

Zahteve:

• Konstanten tok - Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Najmanjša napetost (minimalna dovoljena napetost pri tirnici 5V) - Vend = 3,0V
• Najmanjši čas, ki ga mora pokriti kondenzator - T = 10 sekund

Na voljo je več posebnih IC-jev za polnjenje super kondenzatorjev, ki lahko zelo hitro napolnijo kondenzator. V našem primeru čas polnjenja ni kritičen. Tako zadostuje najpreprostejše vezje diodnega upora. To vezje je preprosto in poceni z nekaterimi pomanjkljivostmi. Vprašanje časa polnjenja je bilo že omenjeno. Glavna pomanjkljivost pa je, da kondenzator ni napolnjen do polne napetosti (padec napetosti diode). Kljub temu nam lahko nižja napetost prinese tudi nekaj pozitivnih strani.

Na krivulji pričakovane življenjske dobe super kondenzatorja iz podatkovnega lista serije AVX SCM (povezava) je prikazana pričakovana življenjska doba v primerjavi z delovno temperaturo in uporabljeno napetostjo. Če ima kondenzator nižjo vrednost napetosti, se pričakovana življenjska doba poveča. To bi lahko koristilo, ker bi lahko uporabili nižji napetostni kondenzator. To je treba še pojasniti.

Kot bo prikazano pri meritvah, bo delovna napetost kondenzatorja okoli 4,6 V-4,7 V-80% ocenjeno.

2. korak: Preskusno vezje

Po nekaj ocenah so bili za testiranje izbrani super kondenzatorji AVX. Preizkušeni so ocenjeni na 6V. To je pravzaprav preblizu vrednosti, ki jo nameravamo uporabiti. Kljub temu za namen testiranja zadostuje. Testirane so bile tri različne vrednosti kapacitivnosti: 1F, 2.5F in 5F (2x 2.5F vzporedno). Ocena kondenzatorjev je naslednja

• Natančnost kapacitivnosti - 0% +100%
• Nazivna napetost - 6V

• Proizvajalčev del št. -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Življenjska doba - 2000 ur pri 65 ° C

Za usklajevanje izhodne napetosti z napetostjo kondenzatorja se uporabljajo minimalne diode za napetost naprej. V testu so VdiodeF2 = 0,22 V diode vgrajene skupaj z visokotokovnimi z VdiodeF1 = 0,5 V.

Uporablja se preprost IC pretvornik DC-DC LM2596. To je zelo robusten IC in omogoča prilagodljivost. Za preskušanje so bile načrtovane različne obremenitve: predvsem različne uporovne obremenitve.

Za stabilnost napetosti sta potrebna dva vzporedna upora 3,09 kΩ, vzporedna s super kondenzatorjem. V preskusnem vezju so super kondenzatorji povezani s stikali in če noben od kondenzatorjev ni priključen, je lahko napetost previsoka. Za zaščito kondenzatorjev je vzporedno z njimi nameščena 5.1V zener dioda.

Za obremenitev upor 8.1kΩ in LED zagotavljata določeno obremenitev. Ugotovljeno je bilo, da lahko napetost v stanju brez obremenitve preseže želeno. Diode lahko povzročijo nepričakovano vedenje.

3. korak: Teoretični izračuni

Predpostavke:

• Konstantni tok - Iconst = 0,5A
• Vout @ izpad napajanja - Vout = 5,0V
• Napetost polnjenja kondenzatorja pred diodami - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Začetna napetost (Vcap @ izpad električne energije) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ izpad električne energije - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V
• Najmanjši Vcap - Vcap_min = Vndio VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V.
• Najmanjši čas, ki ga mora pokriti kondenzator - T = 10 sekund

Čas polnjenja kondenzatorja (teoretično): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rpovezave

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

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

Če je C = 2,5F, Tcharging = 337 sec = 5,7 minuntes

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

Iz predpostavk lahko domnevamo, da je konstantna nazivna moč približno: W = I * V = 2,5W

V kondenzatorju lahko shranimo določeno količino energije: W = 0,5 * C * V^2

Iz te formule bi lahko izračunali kapacitivnost:

• Želim narisati x vate za sekunde, koliko kapacitivnosti potrebujem (povezava)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• Želim narisati x ampere za t sekund, koliko kapacitivnosti potrebujem? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Če izberemo vrednost kondenzatorja 5F:

• Kako dolgo bo trajalo polnjenje/praznjenje tega kondenzatorja s konstantnim tokom (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sec
• Kako dolgo bo trajalo polnjenje/praznjenje tega kondenzatorja s konstantno močjo (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 s

Če uporabljate Rcharge = 25ohm, bi bil polnilni tok

In čas polnjenja približno: Tcharging = 625 sec = 10,5 minut

4. korak: Praktične meritve

Testirane so bile različne konfiguracije in vrednosti kapacitivnosti. Za poenostavitev testiranja je bila zgrajena arduino nadzorovana testna nastavitev. Sheme so prikazane na prejšnjih slikah.

Izmerili so tri različne napetosti in rezultati so se relativno dobro ujemali s teorijo. Ker so obremenitveni tokovi precej nižji od nazivne diode, je padec napetosti naprej nekoliko nižji. Kljub temu se, kot je razvidno, izmerjena napetost super kondenzatorja popolnoma ujema s teoretičnimi izračuni.

Na naslednji sliki lahko vidite tipično meritev s 2.5F kondenzatorjem. Čas polnjenja se dobro ujema s teoretično vrednostjo 340 sekund. Po dodatnih 100 sekundah je napetost kondenzatorja naraščala le še za 0,03 V, kar pomeni, da je razlika zanemarljiva in v območju merilnih napak.

Na drugi strani je razvidno, da je po izpadu električne energije izhodna napetost Vout VdiodeF2 manjša od napetosti kondenzatorja Vcap. Razlika je dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Povzetek izmerjenih časov si lahko ogledate v priloženi tabeli. Kot je razvidno, rezultati ne ustrezajo popolnoma teoretičnim izračunom. Izmerjeni časi so večinoma boljši od izračunanih, kar pomeni, da nekateri nastali paraziti niso bili upoštevani pri izračunih. Ko gledamo vgrajeno vezje, lahko opazimo, da obstaja več nedoločenih povezav. Poleg tega izračuni ne upoštevajo dobro obnašanja obremenitve - ko napetost pade, se tok zmanjša. Kljub temu so rezultati obetavni in so v pričakovanih mejah.

5. korak: Nekaj možnosti za izboljšanje

Delovni čas bi lahko izboljšali, če bi namesto diode po super kondenzatorju uporabili ojačevalni pretvornik. Menimo, da je kljub temu cena višja, kot jo ima preprosta dioda.

Polnjenje super kondenzatorja preko diode (v mojem primeru dveh diod) pomeni padec napetosti in to bi lahko odstranili, če bi uporabili poseben polnilni IC za kondenzator. Spet je cena glavna skrb.

Druga možnost je, da se stikala visoke strani uporabljajo skupaj s stikalom PNP. Hitro premišljeno možno rešitev je mogoče videti v nadaljevanju. Vsa stikala se krmilijo z zener diodo, ki se napaja iz 24V vhoda. Če vhodna napetost pade pod napetost diodne diode, se stikalo PNP vklopi, druga stikala na visoki strani pa izklopijo. To vezje ni preizkušeno in najverjetneje zahteva nekaj dodatnih (pasivnih) komponent.

6. korak: Zaključek

Meritve se zelo dobro ujemajo z izračuni. Dokaz, da je mogoče uporabiti teoretične izračune-presenečenje-presenečenje. V našem posebnem primeru je za zagotovitev zadostne količine energije v danem časovnem obdobju potrebno malo več kot 2,5F kondenzatorja.

Najpomembneje je, da polnilno vezje kondenzatorja deluje po pričakovanjih. Vezje je preprosto, poceni in zadostuje. Obstaja nekaj omenjenih slabosti, vendar nizka cena in preprostost to kompenzira.

Upajmo, da je ta majhen povzetek lahko komu koristen.