Com fer un circuit de carregador de supercondensadors

El terme Supercondensadors i el seu possible ús en vehicles elèctrics, dispositius intel·ligents i IoT s’està considerant àmpliament en els darrers temps, però la idea del supercondensador es remunta al 1957, quan General Electric va experimentar per primera vegada per augmentar la capacitat d’emmagatzematge de la seva condensadors. Al llarg dels anys, la tecnologia del supercondensador ha millorat substancialment, ja que actualment s’utilitza com a còpia de seguretat de la bateria, bancs d’energia solar i altres aplicacions on es requereix un augment curt de la potència. Molts tenen la idea errònia de considerar els supercaps com a substituts de la bateria a llarg termini, però almenys amb la tecnologia actual els supercondensadors no són res més que condensadors amb una capacitat de càrrega elevada. Podeu obtenir més informació sobre els supercondensadors dels nostres articles anteriors.

En aquest article, aprendrem a carregar aquests supercondensadors de manera segura dissenyant un senzill circuit de carregador i, a continuació, utilitzar-lo per carregar el nostre supercondensador per comprovar el bo que és mantenir l’energia. De manera semblant a les cèl·lules de la bateria, el supercondensador també es pot combinar per formar bancs de potència del condensador; l’enfocament per carregar un banc de potència del condensador és diferent i queda fora de l’abast d’aquest article. Aquí s’utilitzarà el supercondensador de monedes de 5,5 V 1F, senzill i habitualment disponible, que té un aspecte similar a una cel·la de moneda. Aprendrem a carregar un supercondensador tipus moneda i utilitzar-lo en aplicacions adequades.

Carregant un supercondensador

En comparar vagament un supercondensador amb una bateria, els supercondensadors tenen una densitat de càrrega baixa i pitjors característiques d’autodescàrrega, però, en termes de temps de càrrega, vida útil i cicle de càrrega, els supercondensadors superen les bateries. Basant-se en la disponibilitat actual de càrrega, els supercondensadors es poden carregar en menys d'un minut i, si es manipulen correctament, poden durar més d'una dècada.

En comparació amb les bateries, els supercondensadors tenen un valor ESR (Resistència de sèrie equivalent) molt baix, això permet que el valor més alt del corrent flueixi dins o fora del condensador, cosa que li permet carregar-se més ràpidament o descarregar-se amb un alt corrent. Però, a causa d'aquesta capacitat de maneig de corrent elevat, s'hauria de carregar i descarregar un supercondensador de forma segura per evitar fugides tèrmiques. A l’hora de carregar un supercondensador, hi ha dues regles d’or, el condensador s’ha de carregar amb una polaritat correcta i amb una tensió que no excedeixi el 90% de la seva capacitat de tensió total.

Actualment, els supercondensadors del mercat normalment es classifiquen en 2,5V, 2,7V o 5,5V. Igual que una cèl·lula de liti, aquests condensadors s'han de connectar en sèrie i en combinació paral·lela per formar paquets de bateries d'alta tensió. A diferència de les bateries, un condensador quan es connecta en sèrie sumarà recíprocament la seva tensió nominal, per la qual cosa és necessari afegir més condensadors per formar bateries de valor decent. En el nostre cas, tenim un condensador de 5,5 V 1F, de manera que la tensió de càrrega hauria de ser del 90% de 5,5, aproximadament a 4,95 V.

Energia emmagatzemada en un supercondensador

Quan s'utilitzen condensadors com a elements d'emmagatzematge d'energia per alimentar els nostres dispositius, és important determinar l'energia emmagatzemada en un condensador per predir quant de temps es pot alimentar el dispositiu. Les fórmules per calcular l' energia emmagatzemada al condensador es poden donar per E = 1 / 2CV ². Així doncs, en el nostre cas, per a un condensador de 5,5 V 1F, quan es carregui completament, l’energia emmagatzemada serà

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joules

Ara, utilitzant aquest valor , podem calcular quant de temps pot alimentar el condensador, per exemple, si necessitem 500 mA a 5 V durant 10 segons. Llavors, l'energia necessària per a aquest dispositiu es pot calcular mitjançant fórmules Energia = Potència x temps. Aquí la potència es calcula per P = VI, de manera que per a 500mA i 5V la potència és de 2,5 watts.

Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 Watt-hora o 25 Joules

D’això podem concloure que necessitarem almenys dos d’aquests condensadors en paral·lel (15 + 15 = 30) per obtenir un paquet de potència de 30 Joules que serà suficient per alimentar el nostre dispositiu durant 10 segons.

Identificació de la polaritat en el supercondensador

Quan es tracta de condensadors i bateries, hem de ser molt prudents amb la seva polaritat. Un condensador amb polaritat inversa és probable que s’escalfi i es fon i de vegades esclati en els pitjors casos. El condensador que tenim és de tipus moneda, la polaritat de la qual s’indica amb una petita fletxa blanca com es mostra a continuació.

Suposo que la direcció de la fletxa indica la direcció del corrent. Es pot pensar que el corrent sempre flueix de positiu a negatiu i, per tant, la fletxa comença del costat positiu i apunta cap al costat negatiu. Un cop coneguda la polaritat i si teniu curiositat per carregar-la, fins i tot podeu utilitzar un RPS que el defineixi a 5,5 V (o 4,95 V per seguretat) i, a continuació, connecteu el cable positiu de RPS al pin positiu i el negatiu al pin negatiu i hauríeu de veure que es carrega el condensador.

Basant-vos en la valoració actual del RPS, podeu observar que el condensador es carrega en qüestió de segons i, un cop arriba a 5,5 V, deixarà de dibuixar més corrent. Aquest condensador completament carregat ara es pot utilitzar en aplicacions adequades abans que es descarregui automàticament.

En lloc d’utilitzar un RPS en aquest tutorial , construirem un carregador que regula 5,5 V i un adaptador de 12 V i l’utilitzarem per carregar el supercondensador. El voltatge del condensador es controlarà mitjançant un comparador d'amplificadors operatius i, un cop carregat el condensador, el circuit desconnectarà automàticament el supercondensador de la font de tensió. Sona interessant, així que comencem.

Materials necessaris

• Adaptador de 12V
• IC regulador de tensió LM317
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP Transistor
• LED
• Resistència
• Condensador

Esquema de connexions

A continuació es mostra el diagrama de circuits complet d’aquest circuit de carregador de supercondensadors. El circuit es va dibuixar mitjançant el programari Proteus; la simulació del mateix es mostrarà més endavant.

El circuit s’alimenta d’un adaptador de 12V; llavors fem servir un LM317 per regular 5,5 V per carregar el nostre condensador. Però aquest 5.5V es subministrarà al condensador mitjançant un MOSFET que actua com a commutador. Aquest commutador només es tancarà si el voltatge del condensador té menys de 4,86 ​​V, ja que el condensador es carrega i augmenta la tensió, el commutador s'obrirà i evitarà que la bateria es carregui més. Aquesta comparació de voltatge es fa amb un amplificador operacional i també fem servir un transistor PNP BC557 per encendre un LED quan el procés de càrrega estigui complet. El diagrama de circuits que es mostra a dalt es divideix en segments a continuació per obtenir una explicació.

Regulació de tensió LM317:

La resistència R1 i R2 s’utilitza per decidir la tensió de sortida del regulador LM317 en funció de les fórmules Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Aquí hem utilitzat un valor d'1k i 3.3k per regular una tensió de sortida de 5.3V prou propera a 5.5V. Podeu utilitzar la nostra calculadora en línia per calcular el voltatge de sortida desitjat en funció del valor de resistència disponible.

Comparador Op-Amp:

Hem utilitzat el comparador IC LM311 per comparar el valor de tensió del supercondensador amb un voltatge fix. Aquesta tensió fixa es proporciona al pin número 2 mitjançant un circuit divisor de tensió. Les resistències de 2,2k i 1,5k cauen un voltatge de 4,86V fins a 12V. Aquest 4,86 ​​volts es compara amb el voltatge de ref (voltatge del condensador) que es connecta al pin 3. Quan el voltatge de ref és inferior a 4,86 ​​V, el pin de sortida 7 augmentarà amb 12 V amb la resistència de tracció de 10 k. Aquest voltatge s'utilitzarà per accionar el MOSFET.

MOSFET i BC557:

El MOSFET IRFZ44N s'utilitza per connectar el supercondensador a la tensió de càrrega basada en el senyal de l'amplificador operatiu. Quan l’amplificador operatiu augmenta, surt 12 V al pin 7 que engega el MOSFET a través del seu pin base de manera similar quan l’ampli operatiu baixa (0V), s’obrirà el MOSFET. També tenim un transistor PNP BC557 que encén el LED quan el MOSFET està apagat, cosa que indica que la tensió del condensador és superior a 4,8 V.

Simulació del circuit del carregador del supercondensador

Per simular el circuit, he substituït la bateria per una resistència variable per proporcionar una tensió variable al pin 3 de l'amplificador operatiu. El condensador súper es reemplaça per un LED per mostrar si està alimentat o no. El resultat de la simulació es pot trobar a continuació.

Com podeu veure com s’utilitzen les sondes de tensió, quan el voltatge del pin inversor és baix que el pin no inversor, l’ampli operatiu puja amb 12V al pin 7, que encén el MOSFET i, per tant, carrega el condensador (LED groc). Aquest 12V també activa el transistor BC557 per apagar el LED verd. A mesura que augmenta la tensió del condensador (potenciòmetre), el LED verd s’encendrà, ja que l’amplificador operatiu produirà 0V com es mostra a dalt.

Carregador de supercondensador al maquinari

El circuit és bastant senzill i es pot construir sobre una placa, però vaig decidir utilitzar una placa Perf per poder tornar a utilitzar el circuit en el futur en tots els intents de carregar el meu supercondensador. També tinc la intenció d’utilitzar-lo juntament amb el panell solar per a projectes portàtils, de manera que he intentat construir-lo el més petit i rígid possible. A continuació es mostra el meu circuit complet un cop soldat en un tauler de punts.

Es poden copejar les dues varetes femelles amb cargols de cocodril per carregar el condensador. El LED groc indica l’alimentació del mòdul i el LED blau indica l’estat de la càrrega. Un cop s'hagi completat el procés de càrrega, el LED s'encendrà, de manera que quedarà apagat. Un cop el circuit estigui a punt, simplement connecteu el condensador i hauríeu de veure com s’apaga el LED blau i, al cap de temps, tornarà a pujar per indicar que el procés de càrrega s’ha completat. A continuació, podeu veure el tauler en estat carregat i carregat.

Podeu trobar el funcionament complet al vídeo que apareix a la part inferior d’aquesta pàgina, si teniu algun problema perquè funcioni, publiqueu-los a la secció de comentaris o utilitzeu els nostres fòrums per a altres qüestions tècniques.

Millores en el disseny

El disseny del circuit que es presenta aquí és cru i funciona per al seu propòsit; aquí es comenten algunes millores obligatòries que vaig observar després de la compilació. El BC557 s’escalfa a causa dels 12V que hi ha a la base i l’emissor, de manera que s’hauria d’utilitzar un díode d’alta tensió en lloc del BC557.

En segon lloc, a mesura que el condensador es carrega, el comparador de tensió mesura el canvi de voltatge, però quan el MOSFET s'apaga després de la càrrega, l'amplificador operatiu detecta un guany de baixa tensió i torna a engegar el FET, aquest procés es repeteix unes quantes vegades abans que l'ampli operador s'apagui completament. Un circuit de bloqueig a la sortida de l'amplificador operatiu solucionarà el problema.