Hur man gör en supercapacitor laddarkrets

Termen superkondensatorer och dess möjliga användning i elfordon, smarttelefoner och IoT-enheter övervägs i stor utsträckning under den senaste tiden, men idén om superkondensator själv går tillbaka till 1957 när det först experimenterades av General Electric för att öka lagringskapaciteten för dess kondensatorer. Under årens lopp har superkondensatortekniken förbättrats avsevärt att den idag används som batteribackups, solkraftsbanker och andra applikationer där korta kraftförstärkningar krävs. Många har en missuppfattning att betrakta supercaps som en ersättning för batteri på lång sikt, men åtminstone med dagens teknik är superkondensatorer inget annat än kondensatorer med hög laddningskapacitet, du kan veta mer om superkondensatorer från våra tidigare artiklar.

I den här artikeln lär vi oss att ladda sådana superkondensatorer säkert genom att utforma en enkel laddarkrets och sedan använda den för att ladda vår superkondensator för att kontrollera hur bra det är att hålla energi. På samma sätt som battericeller kan superkondensator också kombineras för att bilda kondensatorströmbanker, tillvägagångssättet för att ladda en kondensatorströmbank är annorlunda och ligger utanför tillämpningsområdet för denna artikel. Här kommer att använda den enkla och allmänt tillgängliga 5.5V 1F Coin Super-kondensatorn som liknar en myntcell. Vi lär oss hur man laddar mynt-superkondensator och använder det i lämpliga applikationer.

Ladda en superkondensator

Jämförelse av en superkondensator vagt med ett batteri, superkondensatorer har låg laddningstäthet och sämre självurladdningsegenskaper, men ändå när det gäller laddningstid, hållbarhet och laddningscykel överträffar superkondensatorer batterierna. Baserat på laddningsströmens tillgänglighet kan superkondensatorer laddas på mindre än en minut och om de hanteras ordentligt kan de hålla i mer än ett decennium.

Jämfört med batterier har superkondensatorerna ett mycket lågt ESR-värde (motsvarande seriemotstånd), vilket gör att högre ström kan strömma in eller ut i kondensatorn så att den laddas snabbare eller urladdas med hög ström. Men på grund av denna förmåga att hantera hög ström, bör en superkondensator laddas och urladdas säkert för att förhindra termisk utsläpp. När det gäller laddning av en superkondensator finns det två gyllene regler, kondensatorn bör laddas med korrekt polaritet och med en spänning som inte överstiger 90% av dess totala spänningskapacitet.

Superkondensatorer på marknaden idag är normalt klassade för 2,5V, 2,7V eller 5,5V. Precis som en litiumcell måste dessa kondensatorer anslutas i serie och parallell kombination för att bilda högspänningsbatteripaket. Till skillnad från batterier kommer en kondensator när den är seriekopplad att ömsesidigt summera sin totala spänning, vilket gör det nödvändigt att lägga till fler kondensatorer för att bilda batteripaket av anständigt värde. I vårt fall har vi en 5,5V 1F kondensator så laddningsspänningen ska vara 90% av 5,5 som är någonstans nära 4,95V.

Energi lagrad i en superkondensator

När du använder kondensatorer som energilagringselement för att driva våra enheter är det viktigt att bestämma energin som lagras i en kondensator för att förutsäga hur länge enheten kan drivas. Formlerna för att beräkna den energi som lagras i kondensatorn kan ges med E = 1 / 2CV ². Så i vårt fall för en 5,5V 1F kondensator när den är fulladdad kommer den lagrade energin att vara

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Nu kan vi använda detta värde för att beräkna hur länge kondensatorn kan driva saker, säg till exempel om vi behöver 500mA vid 5V i 10 sekunder. Då kan den energi som krävs för denna enhet beräknas med formlerna Energi = Effekt x tid. Här beräknas effekt av P = VI, så för 500mA och 5V är effekten 2,5 watt.

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

Från detta kan vi dra slutsatsen att vi kommer att behöva minst två av dessa kondensatorer parallellt (15 + 15 = 30) för att få ett kraftpaket på 30 Joule som räcker för att driva vår enhet i 10 sekunder.

Identifiera polaritet på superkondensator

När det gäller kondensator och batterier bör vi vara mycket försiktiga med dess polaritet. En kondensator med omvänd polaritet kommer sannolikt att värma och smälta och ibland spricka i värsta fall. Kondensatorn som vi har är av myntyp, vars polaritet indikeras med en liten vit pil som visas nedan.

Jag antar att pilens riktning anger strömriktningen. Du kan tänka på det som, strömmen flyter alltid från positiv till negativ och därför börjar pilen från positiv sida och pekar mot den negativa sidan. När du väl känner till polariteten och om du är nyfiken på att ladda den kan du till och med använda en RPS-inställning på 5,5V (eller 4,95V för säkerhet) och sedan ansluta den positiva ledningen till RPS till en positiv stift och en negativ ledning till en negativ stift och du bör se kondensatorn laddas.

Baserat på RPS: s nuvarande betyg kan du notera att kondensatorn laddas inom några sekunder och när den når 5.5V kommer den att sluta dra längre ström. Denna fulladdade kondensator kan nu användas i lämplig applikation innan den själv urladdas.

Istället för att använda en RPS i denna handledning kommer vi att bygga en laddare som reglerar 5,5 V från en 12 V-adapter och använder den för att ladda superkondensatorn. Kondensatorns spänning kommer att övervakas med en op-amp-komparator och när kondensatorn är laddad kommer kopplingen att koppla bort superkondensatorn automatiskt från spänningskällan. Låter intressant rätt så låt oss komma igång.

Material som krävs

• 12V-adapter
• LM317 Spänningsregulator IC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP-transistor
• LED
• Motstånd
• Kondensator

Kretsschema

Det fullständiga kretsschemat för denna Supercapacitor Charger Circuit ges nedan. Kretsen ritades med hjälp av Proteus-programvaran, simuleringen av densamma visas senare.

Kretsen drivs av en 12V adapter; vi använder sedan en LM317 för att reglera 5,5 V för att ladda vår kondensator. Men denna 5,5 V kommer att tillhandahållas kondensatorn genom en MOSFET som fungerar som en switch. Den här omkopplaren stängs endast om kondensatorns spänning har mindre än 4,86 ​​V då kondensatorn får laddningar och spänningsökningen öppnas omkopplaren och förhindrar att batteriet laddas ytterligare. Denna spänningsjämförelse görs med en op-amp och vi använder också en BC557 PNP-transistor för att lysa en LED när laddningsprocessen är klar. Kretsschemat som visas ovan är uppdelat i segment nedan för förklaring.

LM317 Spänningsreglering:

Motståndet R1 och R2 används för att bestämma utgångsspänningen för LM317-regulatorn baserat på formlerna Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Här har vi använt ett värde på 1k och 3.3k för att reglera en utspänning på 5,3V som är tillräckligt nära 5,5V. Du kan använda vår online-kalkylator för att beräkna önskad utspänning baserat på det motståndsvärde som finns tillgängligt hos dig.

Op-Amp-komparator:

Vi har använt LM311-komparatorn IC för att jämföra spänningsvärdet för superkondensatorn med en fast spänning. Denna fasta spänning tillhandahålls till stift nummer 2 med en spänningsdelarkrets. Motstånden 2,2k och 1,5k tappar en spänning på 4,86V från 12V. Denna 4,86 ​​volt jämförs med ref-spänning (kondensatorns spänning) som är ansluten till stift 3. När ref-spänningen är lägre än 4,86V kommer utgångsstiftet 7 att bli högt med 12V med det uppdragbara 10k motståndet. Denna spänning kommer sedan att användas för att driva MOSFET.

MOSFET och BC557:

Den IRFZ44N MOSFET används för att ansluta den superkondensator till laddningsspänning baserat på signalen från op-förstärkaren. När op-förstärkaren går högt matar den ut 12V på stift 7 som slår på MOSFET genom basstiften på samma sätt när op-amp blir låg (0V) kommer MOSFET att öppnas. Vi har också en PNP-transistor BC557 som tänds lysdioden när MOSFET är avstängd vilket indikerar att kondensatorns spänning är mer än 4,8 V.

Simulering av Supercapacitor Charger Circuit

För att simulera kretsen har jag bytt ut batteriet med ett variabelt motstånd för att ge en variabel spänning till stift 3 på op-amp. Superkondensatorn byts ut mot en LED för att visa om den drivs eller inte. Simuleringsresultatet finns nedan.

Som du kan se som om du använder spänningssonderna, när spänningen på inverterande stift är låg än icke-inverterande stift, blir op-förstärkaren hög med 12V på stift 7 som slår på MOSFET och laddar därmed kondensatorn (gul lysdiod). Denna 12V utlöser också BC557-transistorn för att stänga av den gröna lysdioden. När kondensatorns (potentiometer) spänning ökar kommer den gröna lysdioden att tändas eftersom op-amp kommer att mata ut 0V som visas ovan.

Superkondensatorladdare på hårdvara

Kretsen är ganska enkel och kan byggas på en bräda, men jag bestämde mig för att använda ett Perf-kort så att jag kan återanvända kretsen i framtiden i varje försök att ladda min superkondensator. Jag tänker också använda den tillsammans med solpaneler för bärbara projekt, och försökte därför bygga den så liten och stel som möjligt. Min kompletta krets en gång lödd på ett prickat bräde visas nedan.

De två kvinnliga bergpinnarna kan knackas med alligatorstift för att ladda kondensatorn. Den gula lysdioden indikerar strömmen till modulen och den blå lysdioden visar laddningsstatus. När laddningsprocessen är klar tänds lysdioden, annars förblir den avstängd. När kretsen är klar är det bara att ansluta kondensatorn och du bör se den blå lysdioden släcka och efter en gång kommer den att gå hög igen för att indikera att laddningsprocessen är klar. Du kan se kortet i laddning och laddat tillstånd nedan.

Det fullständiga arbetet hittar du i videon längst ner på denna sida, om du har några problem att få detta att fungera, lägg upp dem i kommentarsektionen eller använd våra forum för andra tekniska frågor.

Designförbättringar

Kretsdesignen som ges här är rå och fungerar för sitt syfte; några obligatoriska förbättringar jag märkte efter byggnaden diskuteras här. BC557 blir varm på grund av 12V över basen och sändaren, så en högspänningsdiod bör användas istället för BC557.

För det andra när kondensatorns laddare mäter spänningskomparatorn spänningsförändringen, men när MOSFET stängs av efter laddning känner op-förstärkaren låg spänningsförstärkning och slår på FET igen, upprepas denna process några gånger innan op-amp stängs helt av. En låskrets på op-amp-utgången löser problemet.