Cara membuat litar pengecas supercapacitor

Istilah Supercapacitors dan kemungkinan penggunaannya dalam Kenderaan Elektrik, telefon pintar dan peranti IoT sedang dipertimbangkan secara meluas sejak kebelakangan ini, tetapi idea kapasitor super itu sendiri berasal dari tahun 1957 ketika pertama kali dicuba oleh General Electric untuk meningkatkan kapasiti penyimpanannya kapasitor. Selama bertahun-tahun, teknologi kapasitor super telah meningkat dengan pesat sehingga sekarang ini digunakan sebagai cadangan bateri, bank tenaga suria dan aplikasi lain yang memerlukan peningkatan daya pendek. Banyak yang salah faham untuk menganggap topi super sebagai pengganti bateri dalam jangka masa panjang, tetapi sekurang-kurangnya dengan kapasitor super teknologi sekarang ini hanyalah kapasitor dengan kapasiti cas tinggi, anda boleh mengetahui lebih lanjut mengenai kapasitor super dari artikel kami sebelumnya.

Dalam artikel ini kita akan belajar bagaimana mengecas kapasitor super sedemikian dengan selamat dengan merancang litar pengecas sederhana dan kemudian menggunakannya untuk mengecas kapasitor super kita untuk memeriksa seberapa baik daya tahan tenaga. Mirip dengan sel bateri kapasitor super juga dapat digabungkan untuk membentuk bank kuasa kapasitor, pendekatan untuk mengisi daya bank kapasitor berbeza dan berada di luar ruang lingkup artikel ini. Di sini akan menggunakan Kapasitor Super Coin 5.5V 1F yang ringkas dan biasa didapati yang serupa dengan sel duit syiling. Kami akan belajar bagaimana mengenakan supercapacitor jenis koin dan menggunakannya dalam aplikasi yang sesuai.

Mengecas Kapasitor Super

Membandingkan kapasitor super samar-samar dengan bateri, kapasitor super mempunyai kepadatan cas rendah dan ciri-ciri pengisian diri yang lebih buruk tetapi dari segi masa pengecasan, jangka hayat dan kapasitor super kitaran cas melebihi bateri. Berdasarkan ketersediaan semasa pengisian, kapasitor super dapat dicas dalam masa kurang dari satu minit dan jika ditangani dengan betul, ia dapat bertahan lebih dari satu dekad.

Berbanding dengan bateri, kapasitor super mempunyai nilai ESR (Rintangan siri setara) yang sangat rendah ini memungkinkan nilai arus yang lebih tinggi mengalir masuk atau keluar kapasitor yang membolehkannya dicas lebih cepat atau dikeluarkan dengan arus tinggi. Tetapi kerana kemampuan ini untuk mengendalikan arus tinggi, kapasitor super harus dicas dan dikeluarkan dengan selamat untuk mengelakkan pelarian terma. Ketika mengecas kapasitor super terdapat dua peraturan keemasan, kapasitor harus diisi dengan kekutuban yang betul dan dengan voltan tidak melebihi 90% dari jumlah kapasiti voltannya.

Kapasitor super di pasaran sekarang biasanya dinilai 2.5V, 2.7V atau 5.5V. Sama seperti sel litium, kapasitor ini mesti disambungkan secara bersiri dan gabungan selari untuk membentuk pek bateri voltan tinggi. Tidak seperti bateri, kapasitor ketika dihubungkan secara bersiri akan menjumlahkan keseluruhan nilai voltan, menjadikannya perlu untuk menambahkan lebih banyak kapasitor untuk membentuk pek bateri yang bernilai. Dalam kes kita, kita mempunyai kapasitor 5.5V 1F jadi voltan pengecasan mestilah 90% dari 5.5 yang berada di tempat berhampiran 4.95V.

Tenaga Disimpan dalam Kapasitor Super

Semasa menggunakan kapasitor sebagai elemen penyimpanan tenaga untuk menghidupkan peranti kami, penting untuk menentukan tenaga yang tersimpan dalam kapasitor untuk meramalkan berapa lama peranti dapat dihidupkan. Rumus untuk mengira tenaga yang tersimpan dalam kapasitor dapat diberikan oleh E = 1 / 2CV ². Jadi dalam kes kita untuk kapasitor 5.5V 1F apabila dicas sepenuhnya tenaga yang disimpan akan menjadi

E = (1/2) * 1 * 5.5 ² E = 15 Joules

Sekarang, dengan menggunakan nilai ini, kita dapat mengira berapa lama kapasitor dapat menghidupkan sesuatu, katakan misalnya jika kita memerlukan 500mA pada 5V selama 10 saat. Maka tenaga yang diperlukan untuk peranti ini dapat dikira dengan menggunakan formula Energy = Power x time. Di sini Kuasa dikira dengan P = VI, jadi untuk kuasa 500mA dan 5V adalah 2.5 Watt.

Tenaga = 2.5 x (10/60 * 60) Tenaga = 0.00694 Watt-jam atau 25 Joule

Dari sini kita dapat menyimpulkan bahawa kita memerlukan sekurang-kurangnya dua kapasitor ini secara selari (15 + 15 = 30) untuk mendapatkan pek kuasa 30 Joule yang akan mencukupi untuk mengaktifkan peranti kita selama 10 saat.

Mengenal pasti kekutuban pada kapasitor super

Untuk kapasitor dan bateri, kita harus berhati-hati dengan kekutubannya. Kapasitor dengan kekutuban terbalik kemungkinan besar akan panas dan lebur dan kadang-kadang pecah dalam senario terburuk. Kapasitor yang kita ada adalah jenis duit syiling, kekutubannya ditunjukkan dengan anak panah putih kecil seperti yang ditunjukkan di bawah.

Saya menganggap bahawa arah anak panah menunjukkan arah arus. Anda boleh memikirkannya, arus selalu mengalir dari positif ke negatif dan oleh itu anak panah bermula dari sisi positif dan menunjuk ke arah negatif. Sebaik sahaja anda mengetahui kekutuban dan jika anda ingin mengenakannya, anda boleh menggunakan RPS untuk menetapkannya ke 5.5V (atau 4.95V untuk keselamatan) dan kemudian sambungkan plumbum positif RPS ke pin positif dan petunjuk negatif ke pin negatif anda mesti melihat kapasitor dicas.

Berdasarkan penilaian semasa RPS, anda dapat mengetahui bahawa kapasitor dicas dalam beberapa saat dan setelah mencapai 5.5V, ia akan berhenti menarik arus. Kapasitor yang terisi penuh ini kini boleh digunakan dalam aplikasi yang sesuai sebelum ia dilepaskan sendiri.

Daripada menggunakan RPS dalam tutorial ini, kami akan membina pengecas yang mengatur 5.5V membentuk penyesuai 12V dan menggunakannya untuk mengisi kapasitor super. Voltan kapasitor akan dipantau menggunakan pembanding op-amp dan setelah kapasitor diisi litar secara automatik akan memutuskan kapasitor super dari sumber voltan. Kedengarannya menarik jadi mari kita mulakan.

Bahan yang Diperlukan

• Penyesuai 12V
• IC Pengatur Voltan LM317
• LM311
• IRFZ44N
• Transistor BC557 PNP
• LED
• Perintang
• Kapasitor

Rajah Litar

Gambarajah litar lengkap untuk Litar Pengecas Supercapacitor ini diberikan di bawah. Litar dilukis menggunakan perisian Proteus, simulasi yang sama akan ditunjukkan kemudian.

Litar dikuasakan oleh penyesuai 12V; kami kemudian menggunakan LM317 untuk mengatur 5.5V untuk mengecas kapasitor kami. Tetapi 5.5V ini akan diberikan kepada kapasitor melalui MOSFET yang bertindak sebagai suis. Suis ini akan ditutup hanya jika voltan kapasitor kurang dari 4.86V kerana kapasitor mendapat cas dan kenaikan voltan suis akan terbuka dan mengelakkan bateri daripada dicas lebih jauh. Perbandingan voltan ini dilakukan dengan menggunakan op-amp dan kami juga menggunakan transistor BC557 PNP untuk menyalakan LED ketika proses pengisian selesai. Gambarajah litar yang ditunjukkan di atas dipecah menjadi segmen di bawah untuk penjelasan.

Peraturan Voltan LM317:

Perintang R1 dan R2 digunakan untuk menentukan voltan keluaran Regulator LM317 berdasarkan formula Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1). Di sini kita telah menggunakan nilai 1k dan 3.3k untuk mengatur voltan keluaran 5.3V yang cukup dekat dengan 5.5V. Anda boleh menggunakan kalkulator dalam talian kami untuk mengira voltan keluaran yang dikehendaki berdasarkan nilai perintang yang ada bersama anda.

Pembanding Op-Amp:

Kami telah menggunakan IC pembanding LM311 untuk membandingkan nilai voltan kapasitor super dengan voltan tetap. Voltan tetap ini disediakan untuk pin nombor 2 menggunakan litar pembahagi voltan. Resistor 2.2k dan 1.5k menurunkan voltan 4.86V dari 12V. Voltan 4.86 ini dibandingkan dengan voltan ref (voltan kapasitor) yang disambungkan ke pin 3. Apabila voltan ref lebih rendah daripada 4.86V, pin output 7 akan naik tinggi dengan 12V dengan perintang tarik 10k. Voltan ini kemudian akan digunakan untuk menggerakkan MOSFET.

MOSFET dan BC557:

The IRFZ44N MOSFET digunakan untuk menyambung kapasitor super untuk mengecas voltan berdasarkan isyarat dari op-amp. Apabila op-amp naik tinggi, ia mengeluarkan 12V pada pin 7 yang menghidupkan MOSFET melalui pin asasnya dengan cara yang sama apabila op-amp turun rendah (0V) MOSFET akan dibuka. Kami juga mempunyai transistor PNP BC557 yang akan menyalakan LED apabila MOSFET dimatikan yang menunjukkan bahawa voltan kapasitor lebih daripada 4.8V.

Simulasi Litar Pengecas Supercapacitor

Untuk mensimulasikan litar, saya telah mengganti bateri dengan perintang boleh ubah untuk memberikan voltan berubah ke pin 3 op-amp. Kapasitor Super diganti dengan LED untuk menunjukkan sama ada ia berkuasa atau tidak. Hasil simulasi boleh didapati di bawah.

Seperti yang anda lihat menggunakan probe voltan, apabila voltan pada pin pembalik rendah daripada pin bukan pembalik op-amp naik tinggi dengan 12V pada pin 7 yang menghidupkan MOSFET dan dengan itu mengecas kapasitor (LED kuning). 12V ini juga memicu transistor BC557 untuk mematikan LED hijau. Apabila voltan Kapasitor (potensiometer) meningkat LED hijau akan menyala kerana op-amp akan mengeluarkan 0V seperti yang ditunjukkan di atas.

Pengecas Supercapacitor pada Perkakasan

Litarnya cukup mudah dan boleh dibina di papan roti, tetapi saya memutuskan untuk menggunakan papan Perf supaya saya dapat menggunakan semula litar pada masa akan datang dalam setiap percubaan untuk mengisi kapasitor super saya. Saya juga berhasrat menggunakannya bersama panel solar untuk projek mudah alih, oleh itu saya berusaha membinanya sekecil dan sekuat mungkin. Litar lengkap saya setelah terpateri pada papan putus tertera di bawah.

Dua batang berg perempuan boleh diketuk menggunakan pin buaya untuk mengisi kapasitor. LED Kuning menunjukkan daya ke modul dan LED biru menunjukkan status pengisian. Setelah proses pengecasan selesai, LED akan menyala yang lain akan tetap dimatikan. Setelah litar siap, sambungkan kapasitor dan anda akan melihat LED biru padam dan sesekali ia akan naik tinggi untuk menunjukkan proses pengecasan selesai. Anda dapat melihat papan dalam keadaan pengisian dan pengecasan di bawah.

Karya yang lengkap dapat dilihat dalam video yang diberikan di bahagian bawah halaman ini, jika anda mempunyai masalah untuk membuat ini berfungsi, masukkan mereka di bahagian komen atau gunakan forum kami untuk pertanyaan teknikal lain.

Penambahbaikan Reka Bentuk

Reka bentuk litar yang diberikan di sini adalah kasar dan berfungsi untuk tujuannya; beberapa penambahbaikan wajib yang saya perhatikan setelah binaannya dibincangkan di sini. BC557 menjadi panas kerana 12V melintasi pangkalan dan pemancarnya sehingga diod voltan tinggi harus digunakan sebagai pengganti BC557.

Kedua sebagai kapasitor mengecas pembanding voltan mengukur perubahan voltan tetapi apabila MOSFET dimatikan setelah mengecas op-amp merasakan kenaikan voltan rendah dan menghidupkan FET sekali lagi, proses ini diulang beberapa kali sebelum op-amp mati sepenuhnya. Litar pengait pada output op-amp akan menyelesaikan masalah.