Hvordan lage en superkondensatorlader

Begrepet superkondensatorer og mulig bruk i elektriske kjøretøyer, smarttelefoner og IoT-enheter vurderes mye i nyere tid, men ideen om superkondensator i seg selv går tilbake til 1957 da det ble eksperimentert av General Electric for å øke lagringskapasiteten til kondensatorer. Gjennom årene har superkondensatorteknologien forbedret seg betraktelig at den i dag brukes som backup av batterier, solenergibanker og andre applikasjoner der det kreves kort strømforbedring. Mange har en misforståelse av å betrakte superkapsler som erstatning for batteri i det lange løp, men i det minste med dagens teknologi er superkondensatorer ikke annet enn kondensatorer med høy ladekapasitet, du kan vite mer om superkondensatorer fra våre tidligere artikler.

I denne artikkelen vil vi lære å lade slike superkondensatorer trygt ved å designe en enkel laderkrets og deretter bruke den til å lade superkondensatoren vår for å sjekke hvor bra det er å holde energi. I likhet med battericeller kan superkondensator også kombineres for å danne kondensatorstrømbanker, tilnærmingen til å lade en kondensatorstrømbank er annerledes og er utenfor omfanget av denne artikkelen. Her vil du bruke den enkle og tilgjengelige 5.5V 1F mynt superkondensatoren som ligner på en myntcelle. Vi lærer hvordan du lader superkondensator av mynt og bruker den i passende applikasjoner.

Lading av en superkondensator

Sammenligner en superkondensator vagt med et batteri, har superkondensatorer lav ladetetthet og dårligere selvutladningsegenskaper, men likevel når det gjelder ladetid, holdbarhet og ladesyklus, overgår superkondensatorer batteriene. Basert på ladestrømtilgjengeligheten kan superkondensatorer lades på mindre enn et minutt, og hvis de håndteres riktig, kan de vare i mer enn et tiår.

Sammenlignet med batterier har superkondensatorene svært lav ESR-verdi (ekvivalent seriemotstand), slik at høyere strømverdi kan strømme inn eller ut av kondensatoren, slik at den kan lades raskere eller utlades med høy strøm. Men på grunn av denne evnen til å håndtere høy strøm, bør en superkondensator lades og tømmes trygt for å forhindre termisk rømning. Når det gjelder lading av en superkondensator er det to gyldne regler, kondensatoren skal lades med riktig polaritet og med en spenning som ikke overstiger 90% av den totale spenningskapasiteten.

Superkondensatorer i markedet i dag er normalt vurdert for 2,5V, 2,7V eller 5,5V. Akkurat som en litiumcelle må disse kondensatorene kobles i serie og parallellkombinasjon for å danne høyspent batteripakker. I motsetning til batterier vil en kondensator når den er koblet i serie gjensidig gjenspeile den totale spenningen, noe som gjør det nødvendig å legge til flere kondensatorer for å danne batteripakker av anstendig verdi. I vårt tilfelle har vi en 5,5V 1F kondensator, så ladespenningen skal være 90% av 5,5 som er et sted nær 4,95V.

Energi lagret i en super kondensator

Når du bruker kondensatorer som energilagringselementer for å drive enhetene våre, er det viktig å bestemme energien som er lagret i en kondensator for å forutsi hvor lenge enheten kan få strøm. Formlene for å beregne energien lagret i kondensatoren kan gis med E = 1 / 2CV ². Så i vårt tilfelle for en 5.5V 1F kondensator når den er fulladet, vil den lagrede energien være

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Nå kan vi bruke denne verdien til å beregne hvor lenge kondensatoren kan drive ting, for eksempel hvis vi trenger 500mA ved 5V i 10 sekunder. Deretter kan energien som kreves for denne enheten beregnes med formlene Energi = Effekt x tid. Her beregnes kraft av P = VI, så for 500mA og 5V er effekten 2,5 watt.

Energi = 2,5 x (10/60 * 60) Energi = 0,00694 Watt-time eller 25 Joule

Fra dette kan vi konkludere med at vi trenger minst to av disse kondensatorene parallelt (15 + 15 = 30) for å få en kraftpakke på 30 Joule som vil være nok til å drive enheten vår i 10 sekunder.

Identifisere polaritet på superkondensator

Når det gjelder kondensator og batterier, bør vi være veldig forsiktige med polariteten. En kondensator med omvendt polaritet vil mest sannsynlig varme og smelte og noen ganger sprekke i verste fall. Kondensatoren vi har er av myntype, hvor polariteten er indikert med liten hvit pil som vist nedenfor.

Jeg antar at pilens retning indikerer strømretningen. Du kan tenke på det som om strømmen alltid flyter fra positiv til negativ, og derfor starter pilen fra den positive siden og peker mot den negative siden. Når du vet polariteten, og hvis du er nysgjerrig på å lade den, kan du til og med bruke en RPS-stilling til 5,5V (eller 4,95V for sikkerhet) og deretter koble den positive ledningen til RPS til den positive stiften og den negative ledningen til den negative stiften og du bør se kondensatoren lades.

Basert på gjeldende vurdering av RPS, kan du merke at kondensatoren lades i løpet av sekunder, og når den når 5.5V, vil den slutte å tegne lenger strøm. Denne fulladede kondensatoren kan nå brukes i passende applikasjoner før den selvutlades.

I stedet for å bruke en RPS i denne opplæringen , bygger vi en lader som regulerer 5.5V fra en 12V adapter og bruker den til å lade superkondensatoren. Kondensatorens spenning vil bli overvåket ved hjelp av en op-amp-komparator, og når kondensatoren er ladet, kobler kretsen automatisk superkondensatoren fra spenningskilden. Høres interessant ut, så la oss komme i gang.

Nødvendig materiale

• 12V adapter
• LM317 Spenningsregulator IC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP-transistor
• LED
• Motstand
• Kondensator

Kretsdiagram

Det komplette kretsskjemaet for denne Supercapacitor Charger Circuit er gitt nedenfor. Kretsen ble tegnet ved hjelp av Proteus-programvaren, simuleringen av den samme vil bli vist senere.

Kretsen drives av en 12V adapter; vi bruker deretter en LM317 for å regulere 5.5V for å lade kondensatoren vår. Men denne 5.5V vil bli levert til kondensatoren gjennom en MOSFET som fungerer som en bryter. Denne bryteren lukkes bare hvis kondensatorens spenning har mindre enn 4,86 ​​V når kondensatoren får ladninger og spenningsøkning, vil bryteren åpne og forhindre at batteriet lades ytterligere. Denne spenningssammenligningen gjøres ved hjelp av en op-amp, og vi bruker også en BC557 PNP-transistor for å lyse en LED når ladeprosessen er fullført. Kretsskjemaet vist ovenfor er delt inn i segmenter nedenfor for forklaring.

LM317 Spenningsregulering:

Motstanden R1 og R2 brukes til å bestemme utgangsspenningen til LM317-regulatoren basert på formlene Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Her har vi brukt en verdi på 1k og 3,3k for å regulere en utgangsspenning på 5,3V som er nær nok til 5,5V. Du kan bruke vår online kalkulator for å beregne ønsket utgangsspenning basert på motstandsverdien som er tilgjengelig hos deg.

Op-Amp-komparator:

Vi har brukt LM311-komparator IC for å sammenligne spenningsverdien til superkondensatoren med en fast spenning. Denne faste spenningen leveres til pin nummer 2 ved hjelp av en spenningsdelerkrets. Motstandene 2,2k og 1,5k slipper en spenning på 4,86V fra 12V. Denne 4,86 ​​volt sammenlignes med ref-spenning (kondensatorens spenning) som er koblet til pinne 3. Når ref-spenningen er mindre enn 4,86V, vil utgangspinnen 7 gå høyt med 12V med den opptrekkbare 10k-motstanden. Denne spenningen vil da bli brukt til å drive MOSFET.

MOSFET og BC557:

Den IRFZ44N MOSFET brukes for å kople den super kondensatoren til ladespenningen basert på nevnte signal fra op-amp. Når op-forsterkeren går høyt, sender den ut 12V på pinne 7 som slår på MOSFET gjennom basestiften på samme måte når op-amp blir lav (0V) vil MOSFET åpnes. Vi har også en PNP-transistor BC557 som vil slå på LED-en når MOSFET er av, noe som indikerer at kondensatorspenningen er mer enn 4,8V.

Simulering av Supercapacitor Charger Circuit

For å simulere kretsen har jeg byttet ut batteriet med en variabel motstand for å gi en variabel spenning til pin 3 på op-amp. Super-kondensatoren byttes ut med en LED for å vise om den får strøm eller ikke. Simuleringsresultatet finner du nedenfor.

Som du kan se som å bruke spenningssonder, når spenningen på inverteringspinnen er lav enn den ikke-inverterende pinnen, blir op-amp høyt med 12V på pin 7 som slår på MOSFET og dermed lader kondensatoren (gul LED). Denne 12V utløser også BC557-transistoren for å slå av den grønne LED-lampen. Etter hvert som spenningen til kondensatoren (potensiometeret) øker, lyser den grønne LED-lampen siden op-amp vil gi ut 0V som vist ovenfor.

Superkondensatorlader på maskinvare

Kretsen er ganske enkel og kan bygges på et brødbrett, men jeg bestemte meg for å bruke et Perf-kort slik at jeg kan bruke kretsen i fremtiden i hvert forsøk på å lade superkondensatoren min. Jeg har også tenkt å bruke den sammen med solcellepanel til bærbare prosjekter, og prøvde å bygge den så liten og stiv som mulig. Min komplette krets er en gang loddet på et prikket brett, vist nedenfor.

De to kvinnelige bergpinnene kan tappes ved hjelp av alligatorpinner for å lade kondensatoren. Den gule lysdioden indikerer strømmen til modulen og den blå lysdioden indikerer statusen for lading. Når ladeprosessen er fullført vil LED-lampen lyse, ellers forblir den slått av. Når kretsen er klar, kobler du bare kondensatoren, så ser du at den blå lysdioden slukker, og etter en gang vil den gå høyt igjen for å indikere at ladeprosessen er fullført. Du kan se tavlen i ladetilstand nedenfor.

Komplett arbeid kan bli funnet i videoen gitt nederst på denne siden, hvis du har problemer med å få dette til å fungere, legg dem inn i kommentarseksjonen eller bruk forumene våre for andre tekniske spørsmål.

Designforbedringer

Kretsdesignen som er gitt her er rå og fungerer for sitt formål; noen få obligatoriske forbedringer jeg la merke til etter bygningen blir diskutert her. BC557 blir varm på grunn av 12V over basen og emitteren, så en høyspenningsdiode bør brukes i stedet for BC557.

For det andre når kondensatoren lader, måler spenningskomparatoren endringen i spenning, men når MOSFET slås av etter lading, registrerer op-forsterkeren lav spenningsforsterkning og slår på FET igjen, denne prosessen gjentas noen ganger før op-forsterkeren slås helt av. En låsekrets på op-amp-utgangen vil løse problemet.