Süper kapasitör şarj devresi nasıl yapılır

Vadeli Süperkapasitörler ve Elektrikli Araçlar, Smartphone ve IOT cihazlarda olası kullanım son zamanlarda yaygın olarak kabul ama ilk depolama kapasitesini artırmak için General Electric tarafından tecrübe edildiği süper kapasitör kendisi fikri 1957 yılına dayanmaktadır ediliyor onun kapasitörler. Yıllar geçtikçe Süper kapasitör teknolojisi, günümüzde pil yedeklemeleri, güneş enerjisi bankaları ve kısa güç artışının gerekli olduğu diğer uygulamalar olarak kullanılmasına göre önemli ölçüde gelişmiştir. Birçoğunun, süper kapakları uzun vadede pilin yerini alması konusunda yanlış bir kanıya sahiptir, ancak en azından günümüz teknolojisinde süper kapasitörler, yüksek şarj kapasitesine sahip kapasitörlerden başka bir şey değildir, süper kapasitörler hakkında önceki makalelerimizden daha fazla bilgi edinebilirsiniz.

Bu yazıda , basit bir şarj devresi tasarlayarak bu tür süper kapasitörleri nasıl güvenli bir şekilde şarj edeceğimizi öğreneceğiz ve daha sonra bunu, enerji tutmada ne kadar iyi olduğunu kontrol etmek için süper kapasitörümüzü şarj etmek için kullanacağız. Akü hücrelerine benzer şekilde süper kapasitör, kapasitör güç bankaları oluşturmak için birleştirilebilir, bir kapasitör güç bankasını şarj etme yaklaşımı farklıdır ve bu makalenin kapsamı dışındadır. Burada, bir madeni para hücresine benzeyen basit ve yaygın olarak bulunan 5.5V 1F Coin Süper kapasitörünü kullanacaksınız. Madeni para tipi süper kapasitörün nasıl şarj edileceğini ve uygun uygulamalarda nasıl kullanılacağını öğreneceğiz.

Süper Kapasitörün Şarj Edilmesi

Bir süper kapasitörün bir batarya ile belirsiz bir şekilde karşılaştırılması, süper kapasitörler düşük şarj yoğunluğuna ve daha kötü kendi kendine deşarj özelliklerine sahiptir, ancak yine de şarj süresi, raf ömrü ve şarj döngüsü açısından süper kapasitörler pillerden daha iyi performans gösterir. Şarj akımı mevcudiyetine bağlı olarak süper kapasitörler bir dakikadan daha kısa sürede şarj edilebilir ve uygun şekilde kullanılırsa on yıldan fazla dayanabilir.

Akülerle karşılaştırıldığında süper kapasitörler çok düşük ESR (Eşdeğer seri direnç) değerine sahiptir, bu daha yüksek akım değerinin kapasitörün içine veya dışına akmasına izin vererek daha hızlı şarj edilmesini veya yüksek akımla deşarj olmasını sağlar. Ancak bu yüksek akımla başa çıkma yeteneği nedeniyle, termal kaçağı önlemek için bir süper kapasitör güvenli bir şekilde şarj edilmeli ve deşarj edilmelidir. Bir süper kapasitörün şarj edilmesi söz konusu olduğunda iki altın kural vardır, kapasitör doğru polariteyle ve toplam gerilim kapasitesinin % 90'ını geçmeyen bir gerilimle şarj edilmelidir.

Bugün piyasada bulunan süper kapasitörler normalde 2.5V, 2.7V veya 5.5V olarak derecelendirilmiştir. Tıpkı bir lityum hücre gibi, bu kapasitörlerin yüksek voltajlı pil paketleri oluşturmak için seri ve paralel kombinasyon halinde bağlanması gerekir. Akülerden farklı olarak, seri olarak bağlandığında bir kapasitör, toplam voltaj oranını karşılıklı olarak toplayacak ve bu da, makul değerde pil paketleri oluşturmak için daha fazla kapasitör eklemeyi gerekli kılacaktır. Bizim durumumuzda 5.5V 1F kapasitörümüz var, bu nedenle şarj voltajı 5.5'in% 90'ı, yani 4.95V'a yakın bir yerde olmalıdır.

Süper Kapasitörde Depolanan Enerji

Cihazlarımıza güç sağlamak için enerji depolama öğeleri olarak kapasitörleri kullanırken, cihaza ne kadar süre güç verilebileceğini tahmin etmek için bir kapasitörde depolanan enerjiyi belirlemek önemlidir. Kapasitörde depolanan enerjiyi hesaplamak için formüller E = 1 / 2CV ² ile verilebilir . Yani bizim durumumuzda 5.5V 1F kapasitör için tam olarak şarj edildiğinde depolanan enerji

E = (1/2) * 1 * 5.5 ² E = 15 Joule

Şimdi, bu değeri kullanarak , kapasitörün eşyalara ne kadar güç verebileceğini hesaplayabiliriz, örneğin, 5V'de 10 saniye için 500mA'ya ihtiyacımız olursa. Daha sonra bu cihaz için gerekli enerji Enerji = Güç x zaman formülleri kullanılarak hesaplanabilir. Burada Güç, P = VI ile hesaplanır , yani 500mA ve 5V için güç 2.5 Watt'tır.

Enerji = 2,5 x (10/60 * 60) Enerji = 0,00694 Watt-saat veya 25 Joule

Buradan, cihazımıza 10 saniye güç sağlamak için yeterli olacak 30 Joule'luk bir güç paketi elde etmek için bu kapasitörlerden en az ikisine paralel (15 + 15 = 30) ihtiyacımız olacağı sonucuna varabiliriz.

Süper kapasitördeki polariteyi belirleme

Kondansatör ve piller söz konusu olduğunda, kutupları konusunda çok dikkatli olmalıyız. Ters polariteye sahip bir kapasitör büyük olasılıkla ısınır, erir ve bazen en kötü senaryolarda patlar. Sahip olduğumuz kondansatör, aşağıda gösterildiği gibi polaritesi küçük beyaz okla gösterilen madeni para tipindedir.

Ok yönünün akımın yönünü gösterdiğini varsayıyorum. Akım her zaman pozitiften negatife akar ve bu nedenle ok pozitif taraftan başlar ve negatif tarafı işaret eder gibi düşünebilirsiniz. Polariteyi öğrendikten ve şarj etmeyi merak ediyorsanız, bir RPS'yi 5.5V'ye (veya güvenlik için 4.95V) ayarlayabilir ve ardından RPS'nin pozitif kablosunu pozitif pime ve negatif ucu negatif pime bağlayabilirsiniz. kapasitörün şarj edildiğini görmelisiniz.

RPS'nin mevcut değerine bağlı olarak, kapasitörün saniyeler içinde şarj edildiğini ve 5.5V'a ulaştığında artık akım çekmeyi durduracağını not edebilirsiniz. Bu tam şarjlı kondansatör artık kendi kendine deşarj olmadan önce uygun uygulamalarda kullanılabilir.

Bu eğitimde bir RPS kullanmak yerine, 5.5V'yi 12V adaptörden düzenleyen bir şarj cihazı oluşturacağız ve süper kapasitörünü şarj etmek için kullanacağız. Kapasitörün voltajı, bir op-amp karşılaştırıcı kullanılarak izlenecek ve kapasitör şarj edildiğinde devre, süper kapasitörün voltaj kaynağından bağlantısını otomatik olarak kesecektir. Kulağa ilginç geliyor, öyleyse başlayalım.

Gerekli malzemeler

• 12V Adaptör
• LM317 Voltaj Regülatörü IC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP Transistör
• LED
• Direnç
• Kondansatör

Devre şeması

Bu Süper Kapasitör Şarj Devresi için tam devre şeması aşağıda verilmiştir. Devre, Proteus yazılımı kullanılarak çizilmiştir, aynısının simülasyonu daha sonra gösterilecektir.

Devre, 12V adaptör ile güçlendirilmiştir; daha sonra kapasitörümüzü şarj etmek için 5.5V'yi düzenlemek için bir LM317 kullanıyoruz. Ancak bu 5,5 V, anahtar görevi gören bir MOSFET aracılığıyla kondansatöre sağlanacaktır. Bu anahtar ancak kapasitörün voltajı 4.86V'den düşükse kapanır, kapasitör şarj olurken ve gerilim yükselirken anahtar açılır ve pilin daha fazla şarj olmasını engeller. Bu voltaj karşılaştırması bir op-amp kullanılarak yapılır ve ayrıca şarj işlemi tamamlandığında bir LED'i yakmak için bir BC557 PNP transistörü kullanırız. Yukarıda gösterilen devre şeması, açıklama için aşağıdaki bölümlere ayrılmıştır.

LM317 Gerilim Düzenlemesi:

R1 ve R2 direnci, Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1) formüllerine göre LM317 Regülatörünün çıkış voltajına karar vermek için kullanılır. Burada, 5.5V'a yeterince yakın olan 5.3V'luk bir çıkış voltajını düzenlemek için 1k ve 3.3k değerlerini kullandık. Sizin için mevcut direnç değerine göre istenen çıkış voltajını hesaplamak için çevrimiçi hesaplayıcımızı kullanabilirsiniz.

Op-Amp Karşılaştırıcı:

Süper kapasitörün voltaj değerini sabit bir voltajla karşılaştırmak için LM311 karşılaştırıcı IC'yi kullandık. Bu sabit voltaj, bir voltaj bölücü devre kullanılarak 2 numaralı pime sağlanır. Dirençler 2.2k ve 1.5k 12V'den 4.86V'luk bir voltajı düşürür. Bu 4.86 volt, pim 3'e bağlanan ref voltajı (kapasitör voltajı) ile karşılaştırılır. Ref voltajı 4.86V'den düşük olduğunda, çıkış pini 7, yukarı çekme 10k direnç ile 12V ile yüksek gidecektir. Bu voltaj daha sonra MOSFET'i çalıştırmak için kullanılacaktır.

MOSFET ve BC557:

IRFZ44N MOSFET op-amp gelen sinyale göre şarj voltajı süper kondansatör bağlamak için kullanılır. Op-amp yükseldiğinde, op-amp düştüğünde (0V) MOSFET'i benzer şekilde taban pimi aracılığıyla açan pim 7'de 12V çıkış verir. MOSFET açılacaktır. Ayrıca, MOSFET kapandığında LED'i açacak ve kapasitör voltajının 4.8V'den fazla olduğunu gösteren bir PNP transistör BC557'ye sahibiz.

Süper Kapasitör Şarj Devresi Simülasyonu

Devreyi simüle etmek için, op-amp'in 3. pinine değişken bir voltaj sağlamak için pili değişken bir dirençle değiştirdim. Süper kapasitör, enerjili olup olmadığını göstermek için bir LED ile değiştirilir. Simülasyon sonucu aşağıda bulunabilir.

Voltaj problarını kullanırken görebileceğiniz gibi, ters çevirme pimindeki voltaj ters çevirmeyen pinden düşük olduğunda op-amp, MOSFET'i açan ve böylece kondansatörü (sarı LED) şarj eden pim 7'deki 12V ile yükselir. Bu 12V, yeşil LED'i kapatmak için BC557 transistörünü de tetikler. Kondansatörün (potansiyometre) voltajı arttıkça yeşil LED yanacaktır çünkü op-amp yukarıda gösterildiği gibi 0V çıkacaktır.

Donanımda Süper Kapasitör Şarj Cihazı

Devre oldukça basittir ve bir devre tahtası üzerine inşa edilebilir, ancak bir Perf kartı kullanmaya karar verdim, böylece süper kapasitörümü her şarj etme girişiminde devreyi gelecekte yeniden kullanabilirim. Ayrıca onu taşınabilir projeler için güneş paneliyle birlikte kullanmayı planlıyorum, bu nedenle mümkün olduğunca küçük ve sert bir şekilde inşa etmeyi denedim. Benim bir kere noktalı gemide lehimlenmiş komple devre aşağıda gösterilmiştir.

İki dişi berg çubuğu, kapasitörü şarj etmek için timsah pimleri kullanılarak vurulabilir. Sarı LED modüle giden gücü ve mavi LED şarj durumunu gösterir. Şarj işlemi tamamlandığında LED yanacaktır, aksi takdirde kapalı kalacaktır. Devre hazır olduğunda, basitçe kondansatörü bağlayın ve mavi LED'in söndüğünü ve bir süre sonra şarj işleminin tamamlandığını göstermek için tekrar yükseleceğini görmelisiniz. Kartın şarjlı ve şarjlı durumda olduğunu aşağıda görebilirsiniz.

Çalışmanın tamamı, bu sayfanın altında verilen videoda bulunabilir, eğer bunu çalıştırmak için herhangi bir sorun yaşarsanız, onları yorum bölümünde yayınlayın veya diğer teknik sorular için forumlarımızı kullanın.

Tasarım İyileştirmeleri

Burada verilen devre tasarımı kabadır ve amacına uygun çalışır; Yapımdan sonra fark ettiğim birkaç zorunlu iyileştirme burada tartışılıyor. BC557, tabanı ve yayıcı üzerindeki 12V nedeniyle ısınıyor, bu nedenle BC557 yerine yüksek voltajlı bir diyot kullanılmalıdır.

İkincisi, kondansatör şarj ederken, voltaj karşılaştırıcısı voltajdaki değişikliği ölçer, ancak MOSFET şarjdan sonra kapandığında op-amp düşük voltaj kazancını algılar ve FET'i tekrar açar, bu işlem op-amp tamamen kapanmadan önce birkaç kez tekrarlanır. Op-amp çıkışındaki kilitleme devresi sorunu çözecektir.