Как сделать схему зарядного устройства суперконденсатора

Термин суперконденсатор и его возможное использование в электромобилях, смартфонах и устройствах Интернета вещей в последнее время широко рассматриваются, но идея суперконденсатора восходит к 1957 году, когда компания General Electric впервые экспериментировала с ним для увеличения емкости накопителя. конденсаторы. За прошедшие годы технология суперконденсаторов значительно улучшилась, и сегодня они используются в качестве резервных батарей, солнечных батарей и других приложений, где требуется кратковременное повышение мощности. Многие ошибочно считают суперконденсаторы заменой батареи в долгосрочной перспективе, но, по крайней мере, с современными технологиями суперконденсаторы - это не что иное, как конденсаторы с высокой зарядной емкостью, вы можете узнать больше о суперконденсаторах из наших предыдущих статей.

В этой статье мы узнаем, как безопасно заряжать такие суперконденсаторы, разработав простую схему зарядного устройства, а затем использовать ее для зарядки нашего суперконденсатора, чтобы проверить, насколько хорошо он удерживает энергию. Подобно аккумуляторным элементам, суперконденсатор также может быть объединен в конденсаторные блоки питания, подход к зарядке конденсаторных блоков питания отличается и выходит за рамки данной статьи. Здесь будет использоваться простой и общедоступный 5,5-вольтовый 1F монетный суперконденсатор, который похож на монетный элемент. Мы узнаем, как заряжать суперконденсатор монетного типа и использовать его в подходящих приложениях.

Зарядка суперконденсатора

Смутно сравнивая суперконденсатор с батареей, суперконденсаторы имеют низкую плотность заряда и худшие характеристики саморазряда, но все же с точки зрения времени зарядки, срока хранения и цикла зарядки суперконденсаторы превосходят батареи. В зависимости от доступного зарядного тока суперконденсаторы можно зарядить менее чем за минуту, а при правильном обращении они могут прослужить более десяти лет.

По сравнению с батареями, суперконденсаторы имеют очень низкое значение ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), что позволяет более высокому значению тока течь в конденсатор или из него, позволяя ему быстрее заряжаться или разряжаться большим током. Но из-за этой способности выдерживать большой ток суперконденсатор необходимо безопасно заряжать и разряжать, чтобы предотвратить тепловой пробой. Когда дело доходит до зарядки суперконденсатора, есть два золотых правила: конденсатор следует заряжать с соблюдением полярности и напряжением, не превышающим 90% от его общей емкости.

Суперконденсаторы, представленные сегодня на рынке, обычно рассчитаны на 2,5, 2,7 или 5,5 В. Так же, как и литиевый элемент, эти конденсаторы должны быть соединены последовательно и параллельно, чтобы сформировать блоки высоковольтных батарей. В отличие от батарей, конденсатор при последовательном подключении будет взаимно суммировать свое общее номинальное напряжение, что требует добавления дополнительных конденсаторов для формирования аккумуляторных блоков приличной стоимости. В нашем случае у нас есть конденсатор 5,5 В 1 Ф, поэтому напряжение зарядки должно составлять 90% от 5,5, что составляет около 4,95 В.

Энергия, накопленная в суперконденсаторе

При использовании конденсаторов в качестве элементов накопления энергии для питания наших устройств важно определить энергию, запасенную в конденсаторе, чтобы предсказать, как долго устройство может работать. Формулы для расчета энергии, запасенной в конденсаторе, можно представить как E = 1 / 2CV ². Таким образом, в нашем случае для конденсатора 5.5V 1F при полной зарядке запасенная энергия будет

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Дж

Теперь, используя это значение, мы можем рассчитать, как долго конденсатор может питать вещи, например, если нам нужно 500 мА при 5 В в течение 10 секунд. Затем энергию, необходимую для этого устройства, можно рассчитать по формуле Энергия = Мощность x время. Здесь мощность рассчитывается по формуле P = VI, поэтому для 500 мА и 5 В мощность составляет 2,5 Вт.

Энергия = 2,5 x (10/60 * 60) Энергия = 0,00694 Вт-час или 25 Дж.

Из этого мы можем сделать вывод, что нам понадобятся как минимум два из этих конденсаторов, подключенных параллельно (15 + 15 = 30), чтобы получить блок питания на 30 Дж, которого хватит для питания нашего устройства в течение 10 секунд.

Определение полярности суперконденсатора

Когда дело доходит до конденсатора и батарей, мы должны быть очень осторожны с его полярностью. Конденсатор с обратной полярностью, скорее всего, нагреется и расплавится, а иногда и лопнет в худшем случае. У нас есть конденсатор монетного типа, полярность которого обозначена маленькой белой стрелкой, как показано ниже.

Я предполагаю, что направление стрелки указывает направление тока. Вы можете думать об этом так, как будто ток всегда течет от положительного к отрицательному, и, следовательно, стрелка начинается с положительной стороны и указывает на отрицательную сторону. Как только вы узнаете полярность и захотите зарядить его, вы даже можете использовать RPS, установите его на 5,5 В (или 4,95 В для безопасности), а затем подключите положительный провод RPS к положительному выводу, а отрицательный вывод к отрицательному выводу и вы должны увидеть, что конденсатор заряжается.

Основываясь на текущем рейтинге RPS, вы можете заметить, что конденсатор заряжается в течение нескольких секунд, и как только он достигнет 5,5 В, он перестанет потреблять ток. Теперь этот полностью заряженный конденсатор можно использовать в подходящих целях до его саморазряда.

Вместо использования RPS в этом руководстве мы создадим зарядное устройство, регулирующее напряжение 5,5 В, из адаптера 12 В и будем использовать его для зарядки суперконденсатора. Напряжение конденсатора будет контролироваться с помощью компаратора операционного усилителя, и как только конденсатор будет заряжен, схема автоматически отключит суперконденсатор от источника напряжения. Звучит интересно, так что приступим.

Необходимые материалы

• Адаптер 12 В
• ИС регулятора напряжения LM317
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP транзистор
• СВЕТОДИОД
• Резистор
• Конденсатор

Принципиальная электрическая схема

Полная принципиальная схема этой цепи зарядного устройства суперконденсатора приведена ниже. Схема была нарисована с помощью программного обеспечения Proteus, моделирование будет показано позже.

Схема питается от адаптера на 12 В; Затем мы используем LM317 для регулирования 5,5 В для зарядки нашего конденсатора. Но эти 5,5 В будут подаваться на конденсатор через полевой МОП-транзистор, действующий как переключатель. Этот переключатель замыкается только в том случае, если напряжение конденсатора ниже 4,86 ​​В, поскольку конденсатор заряжается и напряжение увеличивается, переключатель размыкается и предотвращает дальнейший заряд аккумулятора. Это сравнение напряжения выполняется с использованием операционного усилителя, и мы также используем транзистор BC557 PNP для свечения светодиода после завершения процесса зарядки. Представленная выше принципиальная схема разбита на сегменты ниже для объяснения.

Регулировка напряжения LM317:

Резисторы R1 и R2 используются для определения выходного напряжения регулятора LM317 на основании формулы Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Здесь мы использовали значения 1 кОм и 3,3 кОм, чтобы отрегулировать выходное напряжение 5,3 В, что достаточно близко к 5,5 В. Вы можете использовать наш онлайн-калькулятор, чтобы рассчитать желаемое выходное напряжение на основе имеющегося у вас номинала резистора.

Компаратор операционного усилителя:

Мы использовали микросхему компаратора LM311, чтобы сравнить значение напряжения суперконденсатора с фиксированным напряжением. Это фиксированное напряжение подается на контакт номер 2 с помощью схемы делителя напряжения. Резисторы 2,2 кОм и 1,5 кОм понижают напряжение 4,86 ​​В от 12 В. Это 4,86 ​​вольта по сравнению с реф напряжением (напряжения конденсатора), который подключен к контакту 3. Когда напряжение матча меньше, чем 4.86V выходного контакта 7 будет идти высоко с 12V с нагрузочным резистором 10 кОм. Это напряжение затем будет использоваться для управления MOSFET.

MOSFET и BC557:

IRFZ44N МОП - транзистор используется для подключения супер конденсатора для зарядного напряжения на основе сигнала от операционного усилителя. Когда операционный усилитель переходит в высокий уровень, он выдает 12 В на выводе 7, который включает МОП-транзистор через его базовый вывод, аналогично, когда операционный усилитель становится низким (0 В), МОП-транзистор открывается. У нас также есть PNP-транзистор BC557, который включает светодиод, когда MOSFET выключен, указывая на то, что напряжение конденсатора превышает 4,8 В.

Моделирование схемы зарядного устройства суперконденсатора

Чтобы смоделировать схему, я заменил батарею переменным резистором, чтобы обеспечить переменное напряжение на контакте 3 операционного усилителя. Суперконденсатор заменен светодиодом, чтобы показать, запитан он или нет. Результат моделирования можно найти ниже.

Как вы можете видеть при использовании пробников напряжения, когда напряжение на инвертирующем выводе ниже, чем на неинвертирующем выводе, операционный усилитель становится высоким с 12 В на выводе 7, который включает полевой МОП-транзистор и, таким образом, заряжает конденсатор (желтый светодиод). Это 12 В также запускает транзистор BC557, чтобы выключить зеленый светодиод. По мере увеличения напряжения конденсатора (потенциометра) загорается зеленый светодиод, так как операционный усилитель будет выдавать 0 В, как показано выше.

Зарядное устройство для суперконденсатора

Схема довольно проста и может быть построена на макетной плате, но я решил использовать плату Perf, чтобы в будущем можно было повторно использовать схему при каждой попытке зарядить свой суперконденсатор. Я также собираюсь использовать его вместе с солнечной панелью для портативных проектов, поэтому постарался сделать его как можно меньше и жестче. Моя полная схема, когда-то припаянная на точечной плате, показана ниже.

Две женские палочки айсберга можно постучать, используя булавки из крокодиловой кожи для зарядки конденсатора. Желтый светодиод указывает на питание модуля, а синий светодиод указывает на состояние зарядки. После завершения процесса зарядки светодиодный индикатор загорится, в противном случае он останется выключенным. Как только схема будет готова, просто подключите конденсатор, и вы увидите, что синий светодиод погаснет, а через некоторое время он снова загорится, показывая, что процесс зарядки завершен. Вы можете увидеть плату в заряженном и заряженном состоянии ниже.

Полную работу можно найти в видео внизу этой страницы. Если у вас возникли проблемы с тем, чтобы это работало, опубликуйте их в разделе комментариев или используйте наши форумы для других технических вопросов.

Улучшения дизайна

Представленная здесь схема является грубой и работает по назначению; Здесь обсуждаются несколько обязательных улучшений, которые я заметил после сборки. BC557 сильно нагревается из-за наличия 12 В на его базе и эмиттере, поэтому вместо BC557 следует использовать высоковольтный диод.

Во-вторых, когда конденсатор заряжает, компаратор напряжения измеряет изменение напряжения, но когда полевой МОП-транзистор выключается после зарядки, операционный усилитель определяет низкое усиление напряжения и снова включает полевой транзистор, этот процесс повторяется несколько раз, прежде чем операционный усилитель полностью выключится. Цепь фиксации на выходе операционного усилителя решит проблему.