Hoe maak je een supercondensator-laadcircuit

De term supercondensatoren en het mogelijke gebruik ervan in elektrische voertuigen, smartphones en IoT-apparaten wordt de laatste tijd uitgebreid overwogen, maar het idee van supercondensator zelf dateert uit 1957 toen het voor het eerst werd geëxperimenteerd door General Electric om de opslagcapaciteit van zijn condensatoren. Door de jaren heen is de supercondensatortechnologie aanzienlijk verbeterd, zodat deze tegenwoordig wordt gebruikt als back-ups van batterijen, zonne-energiebanken en andere toepassingen waarbij een korte stroomstoot vereist is. Velen hebben een misvatting om supercondensatoren te beschouwen als een vervanging voor de batterij op de lange termijn, maar in ieder geval met de technologie van vandaag zijn supercondensatoren niets anders dan condensatoren met een hoge laadcapaciteit.U kunt meer weten over supercondensatoren in onze vorige artikelen.

In dit artikel zullen we leren hoe we dergelijke supercondensatoren veilig kunnen opladen door een eenvoudig oplaadcircuit te ontwerpen en deze vervolgens te gebruiken om onze supercondensator op te laden om te controleren hoe goed deze energie vasthoudt. Net als bij batterijcellen kan supercondensator ook worden gecombineerd om condensator-powerbanken te vormen, de benadering om een condensator-powerbank op te laden is anders en valt buiten het bestek van dit artikel. Hier wordt de eenvoudige en algemeen verkrijgbare 5.5V 1F Coin Super-condensator gebruikt die lijkt op een knoopcel. We zullen leren hoe u supercondensator van het munttype kunt opladen en deze in geschikte toepassingen kunt gebruiken.

Opladen van een supercondensator

Als je een supercondensator vaag vergelijkt met een batterij, hebben supercondensatoren een lage ladingsdichtheid en slechtere zelfontladingseigenschappen, maar toch presteren supercondensatoren in termen van laadtijd, houdbaarheid en laadcyclus beter dan batterijen. Op basis van de beschikbaarheid van de laadstroom kunnen supercondensatoren in minder dan een minuut worden opgeladen en kunnen ze, mits correct behandeld, meer dan een decennium meegaan.

In vergelijking met batterijen hebben de supercondensatoren een zeer lage ESR-waarde (Equivalent Series Resistance), waardoor een hogere stroomwaarde in of uit de condensator kan stromen, waardoor deze sneller kan worden opgeladen of ontladen met een hoge stroom. Maar vanwege dit vermogen om met hoge stroom om te gaan, moet een supercondensator veilig worden opgeladen en ontladen om thermisch weglopen te voorkomen. Als het gaat om het opladen van een supercondensator, zijn er twee gouden regels, de condensator moet worden opgeladen met de juiste polariteit en met een spanning van maximaal 90% van zijn totale spanningscapaciteit.

Supercondensatoren die tegenwoordig op de markt zijn, hebben normaal gesproken een vermogen van 2,5 V, 2,7 V of 5,5 V. Net als een lithiumcel moeten deze condensatoren in serie en parallel worden geschakeld om hoogspanningsaccu's te vormen. In tegenstelling tot batterijen zal een condensator, wanneer deze in serie is geschakeld, de totale spanningswaarde op een omgekeerde manier optellen, waardoor het nodig is om meer condensatoren toe te voegen om batterijpakketten van behoorlijke waarde te vormen. In ons geval hebben we een 5.5V 1F condensator, dus de laadspanning moet 90% van 5.5 zijn, dat is ergens in de buurt van 4.95V.

Energie opgeslagen in een supercondensator

Wanneer condensatoren worden gebruikt als energieopslagelementen om onze apparaten van stroom te voorzien, is het belangrijk om de energie te bepalen die is opgeslagen in een condensator om te voorspellen hoe lang het apparaat kan worden gevoed. De formules om de energie opgeslagen in de condensator te berekenen, kunnen worden gegeven door E = 1 / 2CV ². Dus in ons geval voor een 5.5V 1F condensator wanneer deze volledig is opgeladen, zal de energie worden opgeslagen

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 joule

Met deze waarde kunnen we nu berekenen hoe lang de condensator dingen kan voeden, bijvoorbeeld als we 500mA bij 5V gedurende 10 seconden nodig hebben. Vervolgens kan de energie die nodig is voor dit apparaat worden berekend met de formules Energie = Vermogen x tijd. Hier wordt het vermogen berekend door P = VI, dus voor 500mA en 5V is het vermogen 2,5 Watt.

Energie = 2,5 x (10/60 * 60) Energie = 0,00694 Wattuur of 25 joule

Hieruit kunnen we concluderen dat we ten minste twee van deze condensatoren parallel (15 + 15 = 30) nodig hebben om een power pack van 30 joule te krijgen, wat voldoende is om ons apparaat 10 seconden van stroom te voorzien.

Identificatie van polariteit op supercondensator

Als het gaat om condensator en batterijen, moeten we heel voorzichtig zijn met de polariteit. Een condensator met omgekeerde polariteit zal hoogstwaarschijnlijk verhitten en smelten en soms barsten in het ergste geval. De condensator die we hebben is van het munttype, waarvan de polariteit wordt aangegeven met een kleine witte pijl, zoals hieronder weergegeven.

Ik neem aan dat de richting van de pijl de stroomrichting aangeeft. Je kunt het zien als, stroom vloeit altijd van positief naar negatief en daarom begint de pijl vanaf de positieve kant en wijst naar de negatieve kant. Als je eenmaal de polariteit kent en als je nieuwsgierig bent om het op te laden, kun je zelfs een RPS gebruiken, deze instellen op 5,5 V (of 4,95 V voor de veiligheid) en dan de positieve kabel van RPS verbinden met de positieve pin en de negatieve kabel met de negatieve pin en je zou moeten zien dat de condensator wordt opgeladen.

Op basis van de huidige beoordeling van de RPS kunt u opmerken dat de condensator binnen enkele seconden wordt opgeladen en zodra deze 5,5 V bereikt, stopt deze met het trekken van stroom. Deze volledig opgeladen condensator kan nu in een geschikte toepassing worden gebruikt voordat hij zichzelf ontlaadt.

In plaats van een RPS te gebruiken in deze tutorial , zullen we een oplader bouwen die 5,5V regelt vanuit een 12V-adapter en deze gebruiken om de supercondensator op te laden. De spanning van de condensator wordt gecontroleerd met behulp van een op-amp-comparator en zodra de condensator is opgeladen, koppelt het circuit automatisch de supercondensator los van de spanningsbron. Klinkt interessant, dus laten we aan de slag gaan.

Vereiste materialen

12V adapter
LM317 Spanningsregelaar IC
LM311
IRFZ44N
BC557 PNP-transistor
LED
Weerstand
Condensator

Schakelschema

Het volledige schakelschema voor dit Supercapacitor-laadcircuit wordt hieronder gegeven. Het circuit is getekend met Proteus-software, de simulatie hiervan zal later worden getoond.

Het circuit wordt gevoed door een 12V-adapter; we gebruiken dan een LM317 om 5.5V te regelen om onze condensator op te laden. Maar deze 5,5 V wordt aan de condensator geleverd via een MOSFET die als schakelaar fungeert. Deze schakelaar sluit alleen als de spanning van de condensator minder is dan 4,86V, aangezien de condensator wordt opgeladen en de spanning toeneemt, gaat de schakelaar open en wordt voorkomen dat de batterij verder wordt opgeladen. Deze spanningsvergelijking wordt gedaan met behulp van een op-amp en we gebruiken ook een BC557 PNP-transistor om een LED te laten gloeien wanneer het laadproces is voltooid. Het hierboven getoonde schakelschema is voor uitleg onderverdeeld in segmenten.

LM317 Spanningsregeling:

De weerstand R1 en R2 wordt gebruikt om de uitgangsspanning van de LM317 Regulator te bepalen op basis van de formules Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Hier hebben we een waarde van 1k en 3,3k gebruikt om een uitgangsspanning van 5,3 V te regelen, die dicht genoeg bij 5,5 V ligt. Met onze online calculator kunt u de gewenste uitgangsspanning berekenen op basis van de bij u beschikbare weerstandswaarde.

Op-Amp-vergelijker:

We hebben de LM311 comparator IC gebruikt om de spanningswaarde van de supercondensator te vergelijken met een vaste spanning. Deze vaste spanning wordt geleverd aan pin nummer 2 met behulp van een spanningsdelercircuit. De weerstanden 2.2k en 1.5k laten een spanning vallen van 4.86V van 12V. Deze 4,86 volt wordt vergeleken met de ref-spanning (spanning van de condensator) die is aangesloten op pin 3. Als de ref-spanning lager is dan 4,86 V zal de output-pin 7 hoog worden met 12 V met de pull-up 10k-weerstand. Deze spanning wordt dan gebruikt om de MOSFET aan te sturen.

MOSFET en BC557:

De IRFZ44N MOSFET wordt gebruikt om de supercondensator aan te sluiten op de laadspanning op basis van het signaal van de op-amp. Wanneer de op-amp hoog wordt, voert hij 12V uit op pin 7, die de MOSFET via zijn basispin op dezelfde manier inschakelt wanneer de op-amp laag wordt (0V), de MOSFET wordt geopend. We hebben ook een PNP-transistor BC557 die de LED zal inschakelen wanneer de MOSFET is uitgeschakeld, wat aangeeft dat de condensatorspanning hoger is dan 4.8V.

Simulatie van het Supercapacitor-laadcircuit

Om het circuit te simuleren heb ik de batterij vervangen door een variabele weerstand om een variabele spanning te leveren aan pin 3 van de op-amp. De supercondensator wordt vervangen door een LED om aan te geven of deze wordt gevoed of niet. Het simulatieresultaat vindt u hieronder.

Zoals je kunt zien bij het gebruik van de spanningssondes, wanneer de spanning op de inverterende pin laag is dan de niet-inverterende pin, gaat de op-amp hoog met 12V op pin 7, die de MOSFET inschakelt en dus de condensator laadt (gele LED). Deze 12V triggert ook de BC557-transistor om de groene LED uit te schakelen. Naarmate de spanning van de condensator (potentiometer) toeneemt, gaat de groene LED branden omdat de op-amp 0V zal uitvoeren zoals hierboven weergegeven.

Supercondensatoroplader op hardware

Het circuit is vrij eenvoudig en kan op een breadboard worden gebouwd, maar ik heb besloten om een Perf-bord te gebruiken, zodat ik het circuit in de toekomst opnieuw kan gebruiken bij elke poging om mijn supercondensator op te laden. Ik ben ook van plan het samen met een zonnepaneel te gebruiken voor draagbare projecten, en daarom heb ik geprobeerd het zo klein en stijf mogelijk te bouwen. Mijn volledige circuit dat ooit op een gestippeld bord was gesoldeerd, wordt hieronder weergegeven.

De twee vrouwelijke bergstokken kunnen worden afgetapt met behulp van krokodillenpinnen om de condensator op te laden. De gele LED geeft de stroom naar de module aan en de blauwe LED geeft de oplaadstatus aan. Zodra het laadproces is voltooid, gaat de LED branden, anders blijft het uitgeschakeld. Zodra het circuit klaar is, sluit u gewoon de condensator aan en u zou de blauwe LED moeten zien uitgaan en na enige tijd zal deze weer hoog worden om aan te geven dat het laadproces is voltooid. U kunt het bord in laad- en opgeladen toestand hieronder zien.

De volledige werking is te vinden in de video onderaan deze pagina. Als je problemen hebt om dit te laten werken, plaats ze dan in het commentaargedeelte of gebruik onze forums voor andere technische vragen.

Ontwerpverbeteringen

Het hier gegeven schakelingsontwerp is grof en werkt voor zijn doel; enkele verplichte verbeteringen die ik heb opgemerkt na de build worden hier besproken. De BC557 wordt heet vanwege de 12V over zijn basis en emitter, dus een hoogspanningsdiode moet worden gebruikt in plaats van de BC557.

Ten tweede, als de condensator wordt opgeladen, meet de spanningscomparator de verandering in spanning, maar wanneer de MOSFET uitschakelt na het opladen, detecteert de op-amp een lage spanningsversterking en schakelt hij de FET weer in, dit proces wordt enkele keren herhaald voordat de op-amp volledig wordt uitgeschakeld. Een vergrendelingscircuit op de op-amp-uitgang lost het probleem op.