Superkondensator UPS: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

För ett projekt ombads jag att planera ett backup -energisystem som kunde hålla mikrokontrollern igång cirka 10 sekunder efter strömavbrottet. Tanken är att under dessa 10 sekunder har regulatorn tillräckligt med tid

• Sluta vad det än gör
• Spara det aktuella läget i minnet
• Skicka meddelandet om energiförlust (IoT)
• Växlar till standbyläge och väntar på strömavbrottet

Den normala driften startar först efter en omstart. Det behövs fortfarande en del planering, vad som kan vara proceduren om strömmen återkommer under dessa 10 sekunder. Min uppgift var dock att fokusera på strömförsörjningen.

Den enklaste lösningen kan vara att använda en extern UPS eller något liknande. Uppenbarligen är det inte så och vi behövde något mycket billigare och mindre. De återstående lösningarna använder ett batteri eller en superkondensator. Precis under utvärderingsprocessen såg jag en trevlig YouTube -video om liknande ämne: Länk.

Efter några överväganden lät superkondensatorkretsen som den bästa lösningen för oss. Det är något mindre än batteriet (vi vill använda mycket använda komponenter, även om jag personligen inte är säker på om storleksanledningen faktiskt är sann), kräver mindre komponenter (vilket betyder att det är billigare) och viktigast av allt, det låter mycket bättre än ett batteri (konsekvenser av att arbeta med icke-ingenjörer).

En testinstallation byggdes för att testa teorin och för att kontrollera om superkondensatorns laddningssystem fungerar som de ska.

Denna instruktionsbok visar mer vad som har gjorts snarare än att förklara hur man gör det.

Steg 1: Systembeskrivningen

Systemarkitekturen kan ses i figuren. Först konverteras 230VAC till 24VDC som till 5VDC och i slutändan går mikrokontrollerkretsen på 3.3V. I det ideala fallet kan man upptäcka strömavbrottet redan på nätnivå (230VAC). Tyvärr kan vi inte göra det. Därför måste vi kontrollera om strömmen fortfarande finns där vid 24VDC. På samma sätt kan man inte använda lagerkondensatorer för AC/DC -strömförsörjning. Mikrokontrollen och all annan viktig elektronik är på 3.3V. Det har beslutats att i vårt fall är 5V -skenan det bästa stället att lägga till superkondensatorn. När kondensatorns spänning långsamt förfaller kan mikrokontrollern fortfarande arbeta med 3,3V.

Krav:

• Konstant ström - Ikon = 0,5 A (@ 5,0V)
• Minsta spänning (min. Tillåten spänning @ 5V skena) - Leverans = 3,0V
• Minsta tid som kondensatorn måste täcka - T = 10 sek

Det finns flera speciella superkondensatorladdnings-IC: er tillgängliga som kan ladda kondensatorn mycket snabbt. I vårt fall är laddningstiden inte kritisk. Således är en enklaste diodmotståndskrets tillräcklig. Denna krets är enkel och billig med några nackdelar. Laddningstidsfrågan nämndes redan. Den största nackdelen är dock att kondensatorn inte laddas till sin fulla spänning (diodspänningsfall). Ändå kan den lägre spänningen ge oss några positiva sidor också.

I superkondensatorns förväntade livslängdskurva från AVX SCM -seriens datablad (länk) kan man se den förväntade livslängden kontra driftstemperaturen och den applicerade spänningen. Om kondensatorn har lägre spänningsvärde ökar den förväntade livslängden. Det kan vara fördelaktigt eftersom kondensator med lägre spänning kan användas. Det behöver fortfarande klargöras.

Som kommer att visas i mätningarna kommer kondensatorns driftspänning att ligga runt 4,6V-4,7V-80% nominellt.

Steg 2: Testkrets

Efter lite utvärdering har AVX superkondensatorer valts för testning. De testade är klassade för 6V. Det är faktiskt för nära det värde vi planerar att använda. För teständamål är det dock tillräckligt. Tre olika kapacitansvärden testades: 1F, 2,5F och 5F (2x 2,5F parallellt). Bedömningen av kondensatorerna följer

• Kapacitansnoggrannhet - 0% +100%
• Märkspänning - 6V

• Tillverkarens del nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Livstid - 2000 timmar vid 65 ° C

För att matcha utspänningen med kondensatorns spänning används minimala framspänningsdioder. I testet implementeras VdiodeF2 = 0,22V dioder tillsammans med högström med VdiodeF1 = 0,5V.

Enkel LM2596 DC-DC-omvandlare IC används. Det är mycket robust IC och möjliggör flexibilitet. För testning planerades olika laster: huvudsakligen olika resistiv belastning.

De två parallella 3.09kΩ -motstånden parallella med superkondensatorn behövs för spänningsstabiliteten. I testkretsen är superkondensatorerna anslutna via switchar och om ingen av kondensatorerna är anslutna kan spänningen vara för hög. För att skydda kondensatorerna placeras en 5.1V Zenerdiod parallellt med dem.

För lasten ger 8.1kΩ -motståndet och lysdioden viss belastning. Det märktes att spänningen utan belastning kunde gå högre än önskat. Dioderna kan orsaka oväntat beteende.

Steg 3: Teoretiska beräkningar

Antaganden:

• Konstant ström - Ikon = 0,5A
• Vout @ strömavbrott - Vout = 5,0V
• Kondensatorns laddningsspänning före dioder - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Startspänning (Vcap @ strömavbrott) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ strömavbrott - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minsta Vcap - Vcap_min = Leverans VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3V
• Minsta tid som kondensatorn måste täcka - T = 10 sek

Dags att ladda en kondensator (teoretisk): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

För 1F kondensator är det R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Om C = 1,0F, laddning = 135 sek = 2,5 minuter

Om C = 2,5F, laddning = 337 sek = 5,7 minuter

Om C = 5.0F, laddning = 675 sek = 11 minuter

Utifrån antagandena kan vi anta att konstant effekt är ungefär: W = I * V = 2,5W

I en kondensator kan man lagra en viss mängd energi: W = 0,5 * C * V^2

Från denna formel kan kapacitansen beräknas:

• Jag vill rita x watt för t sekunder, hur mycket kapacitans behöver jag (länk)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• Jag vill dra x Amps för t sekunder, hur mycket kapacitans behöver jag? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Om vi väljer kondensatorns värde till 5F:

• Hur lång tid tar det att ladda/ladda ur denna kondensator med en konstant ström (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sek
• Hur lång tid tar det att ladda/ladda denna kondensator med konstant effekt (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sek

Om du använder en Rcharge = 25ohm skulle laddströmmen vara

Och laddningstiden ungefär: laddning = 625 sek = 10,5 minuter

Steg 4: Praktiska mätningar

Olika konfigurationer och kapacitansvärden testades. För att förenkla testningen byggdes en Arduino -kontrollerad testinställning. Schemat visas i de tidigare figurerna.

Tre olika spänningar mättes och resultaten passade relativt bra med teorin. Eftersom belastningsströmmarna är mycket lägre än diodvärdet är spänningsfallet något lägre. Men som framgår matchar den uppmätta superkondensatorns spänning exakt med de teoretiska beräkningarna.

I följande figur kan man se en typisk mätning med 2,5F kondensator. Laddningstiden passar bra med det teoretiska värdet 340sek. Efter ytterligare 100 sekunder har kondensatorns spänning bara ökat ytterligare 0,03V, vilket betyder att skillnaden är försumbar och i mätfelområdet.

På andra figuren kan man se att efter strömavbrottet är utspänningen Vout VdiodeF2 mindre än kondensatorns spänning Vcap. Skillnaden är dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

En sammanfattning av de uppmätta tiderna kan ses i den bifogade tabellen. Som framgår passar resultaten inte exakt med de teoretiska beräkningarna. De uppmätta tiderna är mestadels bättre än de beräknade, vilket betyder att vissa resulterande parasiter inte beaktades i beräkningarna. När man tittar på den inbyggda kretsen kan man märka att det finns flera inte väldefinierade anslutningspunkter. Dessutom tar beräkningarna inte hänsyn till belastningsbeteendet - när spänningen sjunker går strömmen ner. Ändå är resultaten lovande och ligger inom det förväntade intervallet.

Steg 5: Några förbättringsmöjligheter

Man kan förbättra drifttiden om man använder en boost -omvandlare istället för dioden efter superkondensatorn. Vi har ansett att priset ändå är högre än vad en enkel diod har.

Att ladda superkondensatorn genom en diod (i mitt fall två dioder) betyder spänningsfall och det kan tas bort om en speciell kondensatorladdnings -IC används. Återigen är priset det största problemet.

Alternativt kan en högsidebrytare användas tillsammans med en PNP -omkopplare. En snabb tänkbar lösning kunde ses i det följande. Alla omkopplare styrs via en zenerdiod som drivs från 24V ingång. Om ingångsspänningen sjunker under diodgeneratorns spänning slås PNP -omkopplaren på och de andra högsidans omkopplare stängs av. Denna krets är inte testad och kräver troligen några ytterligare (passiva) komponenter.

Steg 6: Slutsats

Mätningarna passar ganska bra med beräkningarna. Visar att de teoretiska beräkningarna kan användas-överraskning-överraskning. I vårt specialfall behövs lite mer än 2,5 F kondensator för att ge tillräcklig mängd energi under den angivna tidsperioden.

Viktigast är att kondensatorns laddningskrets fungerar som förväntat. Kretsen är enkel, billig och tillräcklig. Det finns några nämnda nackdelar, men det låga priset och enkelheten kompenserar det.

Förhoppningsvis kan denna lilla sammanfattning vara användbar för någon.