SAI Super condensador: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Per a un projecte, se’m va demanar que planifiqués un sistema d’alimentació de seguretat que pogués mantenir el microcontrolador en funcionament uns 10 segons després de la pèrdua d’alimentació. La idea és que durant aquests 10 segons el controlador tingui prou temps per fer-ho

• Atura el que faci
• Deseu l’estat actual a la memòria
• Enviar el missatge de pèrdua d'energia (IoT)
• Passa al mode d'espera i espera la pèrdua d'energia

L'operació normal només s'inicia després d'un reinici. Encara hi ha una planificació necessària, el que podria ser el procediment si la potència torna durant aquests 10 segons. No obstant això, la meva tasca era centrar-me en la font d'alimentació.

La solució més senzilla podria ser utilitzar un SAI extern o alguna cosa semblant. Obbviament, no és així i necessitàvem alguna cosa molt més barata i petita. La resta de solucions fan servir una bateria o un super condensador. Exactament durant el procés d’avaluació, vaig veure un bon vídeo de YouTube sobre un tema similar: Enllaç.

Després d'algunes consideracions, el circuit de supercondensador va semblar la millor solució per a nosaltres. És una mica més petita que la bateria (volem utilitzar components molt utilitzats, tot i que personalment no estic segur de si el motiu de la mida és realment cert), requereix menys components (és a dir, és més barat) i, sobretot, sona molt millor que una bateria (conseqüències de treballar amb no enginyers).

Es va crear una configuració de prova per provar la teoria i controlar si els sistemes de càrrega de supercondensadors funcionen com hauria de ser.

Aquest instructable mostra més el que s'ha fet en lloc d'explicar com fer-ho.

Pas 1: la descripció del sistema

L'arquitectura del sistema es pot veure a la figura. En primer lloc, el 230VAC es converteix a 24VDC que a 5VDC i al final el circuit del microcontrolador funciona a 3,3V. En el cas ideal, es podria detectar una fallada d’alimentació ja a nivell de xarxa (230VAC). Malauradament, no ho podem fer. Per tant, hem de comprovar si la potència continua existint al 24VDC. Així, no es poden utilitzar els condensadors d’emmagatzematge d’alimentació AC / DC. El microcontrolador i tota la resta d’electrònics importants estan a 3,3 V. S'ha decidit que en el nostre cas el carril de 5V és el millor lloc per afegir el supercondensador. Quan la tensió del condensador disminueix lentament, el microcontrolador encara pot funcionar a 3,3 V.

Requisits:

• Corrent constant: Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Tensió mínima (tensió mínima permesa @ ferroviari de 5V) - Vend = 3,0V
• Temps mínim que ha de cobrir el condensador - T = 10 seg

Hi ha diversos IC de càrrega de supercondensadors especials disponibles que poden carregar el condensador molt ràpidament. En el nostre cas, el temps de càrrega no és crític. Per tant, és suficient un circuit de resistors de díode més senzill. Aquest circuit és senzill i econòmic amb alguns inconvenients. El problema del temps de càrrega ja s'ha esmentat. No obstant això, el principal inconvenient és que el condensador no està carregat a la seva tensió completa (caiguda de tensió del díode). No obstant això, el voltatge més baix també ens pot aportar alguns costats positius.

A la corba de vida útil del supercondensador de la figura del full de dades de la sèrie AVX SCM (enllaç) es pot veure la vida útil esperada en comparació amb la temperatura de funcionament i la tensió aplicada. Si el condensador té un valor de tensió inferior, augmenta la vida útil esperada. Això podria ser beneficiós ja que es podria utilitzar condensador de baixa tensió. Això encara s’ha d’aclarir.

Com es mostrarà a les mesures, la tensió de funcionament del condensador serà al voltant de 4,6 V-4,7 V - 80% valorat.

Pas 2: prova el circuit

Després d’alguna avaluació, s’han triat els supercondensadors AVX per provar-los. Els provats tenen una qualificació de 6V. Això és realment massa proper al valor que planejem utilitzar. No obstant això, a efectes de proves n'hi ha prou. Es van provar tres valors de capacitat diferents: 1F, 2,5F i 5F (2x 2,5F en paral·lel). La qualificació dels condensadors és la següent

• Precisió de la capacitat: 0% + 100%
• Tensió nominal - 6V

• Fabricant núm.

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Vida útil: 2000 hores a 65 ° C

Per tal de fer coincidir la tensió de sortida amb la tensió del condensador s’utilitzen díodes de tensió directa mínima. A la prova, els díodes VdiodeF2 = 0,22V s’implementen juntament amb els de corrent elevat amb VdiodeF1 = 0,5V.

S'utilitza un simple convertidor de CC-CC LM2596. És un CI molt robust i permet flexibilitat. Per a la prova es van planejar diferents càrregues: principalment càrrega resistiva diferent.

Es necessiten les dues resistències paral·leles de 3.09kΩ paral·leles al supercondensador per a l’estabilitat de la tensió. Al circuit de prova, els súper condensadors es connecten mitjançant interruptors i si cap dels condensadors no estan connectats, la tensió pot ser massa alta. Per protegir els condensadors es col·loca un díode Zener de 5,1V paral·lel a ells.

Per a la càrrega, la resistència de 8,1 kΩ i el LED proporcionen certa càrrega. Es va notar que la condició sense càrrega del voltatge podia superar el desitjat. Els díodes poden provocar un comportament inesperat.

Pas 3: càlculs teòrics

Supòsits:

• Corrent constant: Iconst = 0,5A
• Vout @ fallada elèctrica - Vout = 5,0V
• Tensió de càrrega del condensador abans dels díodes - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V.
• Tensió d’inici (fallada d’alimentació de Vcap @) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ fallada de corrent - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Vcap mínim - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3V
• Temps mínim que ha de cobrir el condensador - T = 10 seg

Temps per carregar un condensador (teòric): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Per al condensador 1F és R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Si C = 1.0F, Tcharging = 135 seg = 2.5 minuntes

Si C = 2,5F, Tcharging = 337 seg = 5,7 minuntes

Si C = 5.0F, Tcharging = 675 seg = 11 minuntes

A partir dels supòsits, podem suposar que la potència constant és d’aproximadament: W = I * V = 2,5W

En un condensador, es pot emmagatzemar certa quantitat d'energia: W = 0,5 * C * V ^ 2

A partir d'aquesta fórmula, es podria calcular la capacitat:

• Vull dibuixar x watts per t segons, quanta capacitat necessito (enllaç)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Vull dibuixar x Amperes per t segons, quanta capacitat necessito? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Si escollim que el valor del condensador sigui 5F:

• Quant de temps trigarà a carregar / descarregar aquest condensador amb un corrent constant (enllaç)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11,0 seg
• Quant trigarà a carregar / descarregar aquest condensador amb una potència constant (W)? Descàrrega = 0,5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8,47 seg

Si s’utilitza una Rcharge = 25ohm el corrent de càrrega seria

I el temps de càrrega aproximadament: Càrrega = 625 seg = 10,5 minuts

Pas 4: Mesures pràctiques

Es van provar diferents configuracions i valors de capacitat. Per simplificar les proves es va crear una configuració de prova controlada per Arduino. Els esquemes es mostren a les figures anteriors.

Es van mesurar tres voltatges diferents i els resultats s’adapten relativament bé a la teoria. Com que els corrents de càrrega són molt inferiors a la qualificació del díode, la caiguda de tensió cap endavant és lleugerament inferior. No obstant això, com es pot veure, la tensió mesurada del super condensador coincideix exactament amb els càlculs teòrics.

A la figura següent, es pot veure una mesura típica amb condensador de 2,5 F. El temps de càrrega s’adapta bé al valor teòric de 340 segons. Després de 100 segons addicionals, el voltatge del condensador ha augmentat només 0,03 V addicional, la qual cosa significa que la diferència és insignificant i es troba en el rang d'errors de mesura.

A la figura següent, es pot veure que després de la fallada d’alimentació, el voltatge de sortida Vout és VdiodeF2 menor que el voltatge del condensador Vcap. La diferència és dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Es pot veure un resum dels temps mesurats a la taula adjunta. Com es pot veure, els resultats no s'ajusten exactament als càlculs teòrics. Els temps mesurats són majoritàriament millors que els calculats, de manera que alguns paràsits resultants no es van tenir en compte en els càlculs. Quan es mira el circuit construït, es pot notar que hi ha diversos punts de connexió no ben definits. A més, els càlculs no consideren bé el comportament de la càrrega: quan baixa la tensió el corrent baixa. No obstant això, els resultats són prometedors i es troben en el rang esperat.

Pas 5: algunes possibilitats de millora

Es podria millorar el temps de funcionament si s’utilitza un convertidor d’augment en lloc del díode després del supercondensador. Hem considerat que, tanmateix, el preu és superior al que té un díode simple.

Carregar el supercondensador a través d’un díode (en el meu cas, dos díodes) significa caiguda de tensió i això es podria eliminar si s’utilitza un circuit especial de càrrega de condensador. De nou, el preu és la principal preocupació.

Com a alternativa, es podrien utilitzar interruptors laterals alts junt amb un commutador PNP. A continuació es pot veure una possible solució pensada ràpidament. Tots els commutadors es controlen mitjançant un díode zener que s’alimenta des d’una entrada de 24 V. Si la tensió d'entrada cau per sota de la tensió zener del díode, l'interruptor PNP s'encén i els altres interruptors de la cara alta s'apaguen. Aquest circuit no està provat i probablement requereixi components addicionals (passius).

Pas 6: Conclusió

Les mesures s’adapten força bé als càlculs. Mostrant que es poden utilitzar els càlculs teòrics: sorpresa-sorpresa. En el nostre cas especial, es necessita poc més de 2,5 F condensador per proporcionar una quantitat suficient d’energia durant el període de temps donat.

El més important és que el circuit de càrrega del condensador funciona com s’esperava. El circuit és senzill, econòmic i suficient. Hi ha alguns desavantatges esmentats, però el baix preu i la simplicitat ho compensen.

Esperem que aquest petit resum pugui ser útil per a algú.