Суперконденсаторный ИБП: 6 ступеней (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Для проекта меня попросили спланировать систему резервного питания, которая могла бы поддерживать работу микроконтроллера примерно через 10 секунд после отключения питания. Идея состоит в том, что за эти 10 секунд контроллер успевает

• Прекрати все, что он делает
• Сохранить текущее состояние в память
• Отправка сообщения о потере питания (IoT)
• Самостоятельно переходит в режим ожидания и ожидает отключения питания

Нормальная работа начинается только после перезапуска. Все еще необходимо некоторое планирование, какова может быть процедура, если питание вернется в течение этих 10 секунд. Однако моей задачей было сосредоточиться на блоке питания.

Самым простым решением может быть использование внешнего ИБП или чего-то подобного. Очевидно, что это не так, и нам нужно было что-то гораздо более дешевое и меньшее. Остальные решения используют аккумулятор или суперконденсатор. Именно в процессе оценки я увидел на YouTube хорошее видео на похожую тему: Ссылка.

После некоторых размышлений схема суперконденсатора показалась нам лучшим решением. Он немного меньше, чем батарея (мы хотим использовать очень широко используемые компоненты, хотя я лично не уверен, правда ли причина в размере), требует меньше компонентов (то есть дешевле) и, что самое главное, звучит намного лучше. чем батарея (последствия работы с не инженерами).

Была построена испытательная установка для проверки теории и проверки правильности работы систем зарядки суперконденсаторов.

Эта инструкция показывает больше того, что было сделано, а не объясняет, как это сделать.

Шаг 1. Описание системы

Системную архитектуру можно увидеть на рисунке. Сначала 230 В переменного тока преобразуется в 24 В постоянного тока, а затем в 5 В постоянного тока, а в конце схема микроконтроллера работает при 3,3 В. В идеальном случае сбой питания можно было обнаружить уже на уровне сети (230 В переменного тока). К сожалению, мы не можем этого сделать. Следовательно, мы должны проверить, есть ли по-прежнему питание на 24 В постоянного тока. Таким образом, нельзя использовать накопительные конденсаторы источника питания переменного / постоянного тока. Микроконтроллер и вся другая важная электроника находятся под напряжением 3,3 В. Было решено, что в нашем случае шина 5 В - лучшее место для добавления суперконденсатора. Когда напряжение конденсатора медленно спадает, микроконтроллер все еще может работать при 3,3 В.

Требования:

• Постоянный ток - Iconst = 0,5 A (при 5,0 В)
• Минимальное напряжение (минимально допустимое напряжение при шине 5 В) - Vend = 3,0 В
• Минимальное время, которое должен покрыть конденсатор - T = 10 сек.

Доступно несколько специальных микросхем для зарядки суперконденсаторов, которые могут заряжать конденсатор очень быстро. В нашем случае время зарядки не критично. Таким образом, достаточно простейшей схемы диод-резистор. Эта схема проста и дешева, но имеет некоторые недостатки. Вопрос времени зарядки уже упоминался. Однако основным недостатком является то, что конденсатор не заряжается до полного напряжения (падение напряжения на диоде). Тем не менее, более низкое напряжение может принести нам и положительные стороны.

На графике ожидаемого срока службы суперконденсатора из таблицы данных серии AVX SCM (ссылка) можно увидеть ожидаемый срок службы в зависимости от рабочей температуры и приложенного напряжения. Если конденсатор имеет более низкое значение напряжения, ожидаемый срок службы увеличивается. Это может быть полезно, поскольку можно использовать конденсатор более низкого напряжения. Это все еще требует уточнения.

Как будет показано в измерениях, рабочее напряжение конденсатора будет около 4,6-4,7 В - 80% номинального напряжения.

Шаг 2: Тестовая схема

После некоторой оценки для тестирования были выбраны суперконденсаторы AVX. Испытанные рассчитаны на 6В. На самом деле это слишком близко к тому значению, которое мы планируем использовать. Тем не менее, для целей тестирования этого достаточно. Были протестированы три различных значения емкости: 1Ф, 2,5Ф и 5Ф (2x 2,5Ф параллельно). Рейтинг конденсаторов следующий

• Погрешность измерения емкости - 0% + 100%
• Номинальное напряжение - 6В

• Номер детали производителя -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Срок службы - 2000 часов при 65 ° C

Для согласования выходного напряжения с напряжением конденсатора используются диоды минимального прямого напряжения. В тесте реализованы диоды VdiodeF2 = 0.22V вместе с сильноточными с VdiodeF1 = 0.5V.

Используется простая ИС преобразователя постоянного тока LM2596. Это очень надежная ИС, обеспечивающая гибкость. Для тестирования планировались разные нагрузки: в основном разная резистивная нагрузка.

Два параллельных резистора 3,09 кОм, параллельные суперконденсатору, необходимы для стабильности напряжения. В испытательной схеме суперконденсаторы подключаются через переключатели, и если ни один из конденсаторов не подключен, напряжение может быть слишком высоким. Для защиты конденсаторов параллельно им установлен стабилитрон 5,1 В.

Для нагрузки резистор 8,1 кОм и светодиод обеспечивают некоторую нагрузку. Было замечено, что без нагрузки напряжение может быть выше, чем хотелось бы. Диоды могут вызвать неожиданное поведение.

Шаг 3: теоретические расчеты

Предположения:

• Постоянный ток - Iconst = 0.5A
• Vout при сбое питания - Vout = 5,0 В
• Напряжение заряда конденсатора перед диодами - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5В
• Пусковое напряжение (Vcap при сбое питания) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 В
• Vout при сбое питания - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 В
• Минимальный Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 В
• Минимальное время, которое должен покрыть конденсатор - T = 10 сек.

Время зарядки конденсатора (теоретическое): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Для конденсатора 1Ф это R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 Ом

Если C = 1.0F, Tcharging = 135 sec = 2.5 minuntes

Если C = 2,5F, Tcharging = 337 сек = 5,7 минут

Если C = 5.0F, Tcharging = 675 сек = 11 минут

Исходя из предположений, мы можем предположить, что постоянная номинальная мощность составляет примерно: W = I * V = 2,5 Вт.

В конденсаторе можно хранить определенное количество энергии: W = 0,5 * C * V ^ 2.

По этой формуле можно рассчитать емкость:

• Я хочу нарисовать x Вт в течение t секунд, какая емкость мне нужна (ссылка)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Я хочу нарисовать x ампер в течение t секунд, какая емкость мне нужна? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Если мы выберем емкость конденсатора 5Ф:

• Сколько времени потребуется, чтобы зарядить / разрядить этот конденсатор постоянным током (Link)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11.0 сек.
• Сколько времени потребуется, чтобы зарядить / разрядить этот конденсатор при постоянной мощности (Вт)? Tdischarge = 0,5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8,47 сек.

При использовании Rcharge = 25ohm зарядный ток будет

И время зарядки примерно: Tcharging = 625 сек = 10,5 минут

Шаг 4: Практические измерения

Были испытаны различные конфигурации и значения емкости. Чтобы упростить тестирование, была построена тестовая установка, управляемая Arduino. Схемы показаны на предыдущих рисунках.

Были измерены три различных напряжения, и результаты относительно хорошо согласуются с теорией. Поскольку токи нагрузки намного ниже номинального значения диода, прямое падение напряжения немного ниже. Тем не менее, как можно видеть, измеренное напряжение суперконденсатора в точности совпадает с теоретическими расчетами.

На следующем рисунке показано типичное измерение с конденсатором 2,5Ф. Время зарядки хорошо согласуется с теоретическим значением 340 секунд. После дополнительных 100 секунд напряжение конденсатора увеличилось только на дополнительные 0,03 В, что означает, что разница незначительна и находится в диапазоне погрешности измерения.

На другом рисунке видно, что после сбоя питания выходное напряжение Vout на VdiodeF2 меньше, чем напряжение Vcap на конденсаторе. Разница составляет dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Сводку измеренных значений времени можно увидеть в прилагаемой таблице. Как видно, результаты не совсем совпадают с теоретическими расчетами. Измеренное время в основном лучше расчетного, что означает, что некоторые результирующие паразиты не учитывались в расчетах. При просмотре построенной схемы можно заметить несколько нечетко определенных точек подключения. Кроме того, в расчетах плохо учитывается поведение нагрузки - при падении напряжения ток падает. Тем не менее, результаты обнадеживают и находятся в ожидаемом диапазоне.

Шаг 5: некоторые возможности улучшения

Можно улучшить время работы, если использовать повышающий преобразователь вместо диода после суперконденсатора. Мы посчитали, что, тем не менее, цена выше, чем у простого диода.

Зарядка суперконденсатора через диод (в моем случае два диода) означает падение напряжения, которое можно устранить, если использовать специальную ИС для зарядки конденсатора. Опять же, главное беспокойство - цена.

В качестве альтернативы, переключатели на стороне высокого напряжения могут использоваться вместе с переключателем PNP. Возможное быстрое решение можно увидеть в следующем. Все переключатели управляются через стабилитрон, питаемый от входа 24 В. Если входное напряжение падает ниже напряжения стабилитрона диода, переключатель PNP включается, а другие переключатели высокого уровня выключаются. Эта схема не тестировалась и, скорее всего, требует дополнительных (пассивных) компонентов.

Шаг 6: Заключение

Измерения хорошо согласуются с расчетами. Демонстрация возможности использования теоретических расчетов - сюрприз-сюрприз. В нашем частном случае требуется конденсатор чуть более 2,5 Ф, чтобы обеспечить достаточное количество энергии в течение заданного периода времени.

Самое главное, схема зарядки конденсатора работает должным образом. Схема простая, дешевая и достаточная. Недостатки отмечены, однако, невысокая цена и простота компенсируют это.

Надеюсь, это небольшое резюме может быть кому-нибудь полезно.