सुपर कैपेसिटर यूपीएस: 6 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:21

एक परियोजना के लिए, मुझे एक बैकअप पावर सिस्टम की योजना बनाने के लिए कहा गया था जो बिजली के नुकसान के बाद माइक्रोकंट्रोलर को लगभग 10 सेकंड तक चालू रख सके। विचार यह है कि इन 10 सेकंड के दौरान नियंत्रक के पास पर्याप्त समय है

• जो कुछ भी कर रहा है उसे रोको
• वर्तमान स्थिति को मेमोरी में सहेजें
• बिजली हानि संदेश भेजें (IoT)
• खुद को स्टैंडबाय मोड में बदल देता है और बिजली के नुकसान की प्रतीक्षा करता है

सामान्य ऑपरेशन पुनरारंभ होने के बाद ही शुरू होता है। अभी भी कुछ नियोजन की आवश्यकता है यदि इस 10 सेकंड के दौरान बिजली वापस आती है तो क्या प्रक्रिया हो सकती है। हालांकि, मेरा काम बिजली आपूर्ति पर ध्यान देना था।

सबसे आसान समाधान बाहरी यूपीएस या ऐसा कुछ उपयोग करना हो सकता है। जाहिर है, ऐसा नहीं है और हमें कुछ ज्यादा सस्ता और छोटा चाहिए था। शेष समाधान बैटरी या सुपर कैपेसिटर का उपयोग कर रहे हैं। ठीक मूल्यांकन प्रक्रिया के दौरान, मैंने इसी तरह के विषय के बारे में एक अच्छा YouTube वीडियो देखा: लिंक।

कुछ विचारों के बाद, सुपर कैपेसिटर सर्किट हमारे लिए सबसे अच्छा समाधान के रूप में लग रहा था। यह बैटरी से थोड़ा छोटा है (हम बहुत व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले घटकों का उपयोग करना चाहते हैं, हालांकि मुझे व्यक्तिगत रूप से यकीन नहीं है कि आकार का कारण वास्तव में सत्य है), कम घटकों की आवश्यकता होती है (अर्थ- यह सस्ता है) और सबसे महत्वपूर्ण- यह बहुत बेहतर लगता है एक बैटरी की तुलना में (गैर-इंजीनियरों के साथ काम करने के परिणाम)।

सिद्धांत का परीक्षण करने और सुपर कैपेसिटर चार्जिंग सिस्टम को काम करने के लिए नियंत्रित करने के लिए एक परीक्षण सेटअप बनाया गया था।

यह निर्देशयोग्य यह बताता है कि इसे कैसे करना है, यह समझाने के बजाय क्या किया गया है।

चरण 1: सिस्टम विवरण

सिस्टम आर्किटेक्चर को अंजीर में देखा जा सकता है। सबसे पहले, 230VAC को 24VDC में 5VDC में परिवर्तित किया जाता है और अंत में माइक्रोकंट्रोलर सर्किट 3.3V पर चल रहा है। आदर्श स्थिति में, कोई ग्रिड स्तर (230VAC) पर पहले से ही बिजली की विफलता का पता लगा सकता है। दुर्भाग्य से, हम ऐसा करने में सक्षम नहीं हैं। इसलिए, हमें यह जांचना होगा कि 24VDC में अभी भी बिजली है या नहीं। इस तरह, कोई एसी/डीसी बिजली आपूर्ति भंडारण कैपेसिटर का उपयोग नहीं कर सकता है। माइक्रोकंट्रोलर और अन्य सभी महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक्स 3.3V पर हैं। यह तय किया गया है कि हमारे मामले में सुपर कैपेसिटर जोड़ने के लिए 5V रेल सबसे अच्छी जगह है। जब संधारित्र वोल्टेज धीरे-धीरे क्षय हो रहा है, तब भी माइक्रोकंट्रोलर 3.3V पर काम कर सकता है।

आवश्यकताएं:

• लगातार चालू - चिह्न = 0.5 ए (@ 5.0V)
• न्यूनतम वोल्टेज (न्यूनतम अनुमत वोल्टेज @ 5V रेल) - वेंड = 3.0V
• संधारित्र को कवर करने में लगने वाला न्यूनतम समय - T = 10 sec

कई विशेष सुपर कैपेसिटर चार्जिंग IC-s उपलब्ध हैं जो कैपेसिटर को बहुत तेजी से चार्ज कर सकते हैं। हमारे मामले में, चार्जिंग समय महत्वपूर्ण नहीं है। इस प्रकार, एक सरल डायोड-रेसिस्टर सर्किट पर्याप्त है। यह सर्किट कुछ कमियों के साथ सरल और सस्ता है। चार्जिंग टाइम इश्यू का पहले ही उल्लेख किया गया था। हालांकि, मुख्य दोष यह है कि संधारित्र अपने पूर्ण वोल्टेज (डायोड वोल्टेज ड्रॉप) से चार्ज नहीं होता है। फिर भी, कम वोल्टेज हमें कुछ सकारात्मक पक्ष भी ला सकता है।

सुपर कैपेसिटर में AVX SCM सीरीज डेटाशीट (लिंक) फिगर से लाइफटाइम कर्व अपेक्षित जीवनकाल बनाम ऑपरेटिंग तापमान और लागू वोल्टेज देख सकता है। यदि संधारित्र का वोल्टेज मान कम है, तो अपेक्षित जीवनकाल बढ़ जाता है। यह फायदेमंद हो सकता है क्योंकि कम वोल्टेज कैपेसिटर का उपयोग किया जा सकता है। इसे अभी भी स्पष्ट करने की जरूरत है।

जैसा कि माप में दिखाया जाएगा संधारित्र ऑपरेटिंग वोल्टेज लगभग 4.6V-4.7V - 80% Vrated होगा।

चरण 2: टेस्ट सर्किट

कुछ मूल्यांकन के बाद, AVX सुपर कैपेसिटर को परीक्षण के लिए चुना गया है। परीक्षण किए गए लोगों को 6V के लिए रेट किया गया है। यह वास्तव में उस मूल्य के बहुत करीब है जिसका हम उपयोग करने की योजना बना रहे हैं। फिर भी, परीक्षण के उद्देश्य के लिए यह पर्याप्त है। तीन अलग-अलग समाई मूल्यों का परीक्षण किया गया: 1F, 2.5F और 5F (समानांतर में 2x 2.5F)। कैपेसिटर की रेटिंग निम्नलिखित है

• समाई सटीकता - 0% +100%
• रेटेड वोल्टेज - 6V

• निर्माता भाग एनआर -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• लाइफटाइम - 2000 बजे @ 65°C

कैपेसिटर वोल्टेज के साथ आउटपुट वोल्टेज का मिलान करने के लिए न्यूनतम फॉरवर्ड वोल्टेज डायोड का उपयोग किया जाता है। परीक्षण में VdiodeF2 = 0.22V डायोड को VdiodeF1 = 0.5V के साथ उच्च धारा वाले के साथ लागू किया जाता है।

साधारण LM2596 DC-DC कनवर्टर IC का उपयोग किया जाता है। यह बहुत मजबूत आईसी है और लचीलेपन की अनुमति देता है। परीक्षण के लिए विभिन्न भारों की योजना बनाई गई: मुख्य रूप से विभिन्न प्रतिरोधक भार।

वोल्टेज स्थिरता के लिए सुपर कैपेसिटर के समानांतर दो समानांतर 3.09kΩ प्रतिरोधों की आवश्यकता होती है। परीक्षण सर्किट में सुपर कैपेसिटर स्विच के माध्यम से जुड़े होते हैं और यदि कोई भी कैपेसिटर जुड़ा नहीं है तो वोल्टेज बहुत अधिक हो सकता है। कैपेसिटर की सुरक्षा के लिए उनके समानांतर एक 5.1V जेनर डायोड रखा गया है।

लोड के लिए, 8.1kΩ रेसिस्टर और LED कुछ लोड प्रदान कर रहे हैं। यह देखा गया कि नो लोड की स्थिति में वोल्टेज वांछित से अधिक जा सकता है। डायोड कुछ अप्रत्याशित व्यवहार का कारण बन सकते हैं।

चरण 3: सैद्धांतिक गणना

धारणाएं:

• निरंतर धारा - चिह्न = 0.5A
• वाउट @ बिजली की विफलता - वाउट = 5.0V
• डायोड से पहले कैपेसिटर चार्जिंग वोल्टेज - विन 55 = वाउट + वीडीओडएफ 1 = 5.0 + 0.5 = 5.5 वी
• प्रारंभ वोल्टेज (Vcap @ बिजली की विफलता) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ बिजली की विफलता - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• न्यूनतम Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• संधारित्र को कवर करने में लगने वाला न्यूनतम समय - T = 10 sec

संधारित्र को चार्ज करने का समय (सैद्धांतिक): टीचार्जिंग = 5*R*C

आर = चार्ज + आरकैपेसिटर सीरीज + रुपये + रेडियोड + आरकनेक्शन

1F संधारित्र के लिए यह R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 + है? + ? = 27ohm

यदि C=1.0F, चार्जिंग = 135 सेकंड = 2.5 मिनट

यदि C=2.5F, चार्जिंग = 337 सेकंड = 5.7 मिनट

यदि C=5.0F, चार्जिंग = 675 सेकंड = 11 मिनट

मान्यताओं से, हम मान सकते हैं कि निरंतर बिजली रेटिंग लगभग है: W = I * V = 2.5W

एक संधारित्र में, कोई निश्चित मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है: W = 0.5 * C * V^2

इस सूत्र से, समाई की गणना की जा सकती है:

• मैं t सेकंड के लिए x वाट्स ड्रा करना चाहता हूं, मुझे कितनी कैपेसिटेंस चाहिए (लिंक)?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• मैं t सेकंड के लिए x Amps बनाना चाहता हूँ, मुझे कितनी धारिता चाहिए? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

यदि हम संधारित्र का मान 5F चुनते हैं:

• इस संधारित्र को एक स्थिर धारा (लिंक) से चार्ज/डिस्चार्ज करने में कितना समय लगेगा? टीडिस्चार्ज = सी*(वीस्टार्ट-वेंड)/आई = 11.0 सेकंड
• इस संधारित्र को स्थिर शक्ति (W) से चार्ज/डिस्चार्ज करने में कितना समय लगेगा? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sec

यदि एक Rcharge = 25ohm का उपयोग कर रहे हैं तो चार्जिंग करंट होगा

और चार्ज समय लगभग: चार्जिंग = ६२५ सेकंड = १०.५ मिनट

चरण 4: व्यावहारिक माप

विभिन्न विन्यास और समाई मूल्यों का परीक्षण किया गया। परीक्षण को सरल बनाने के लिए एक Arduino नियंत्रित परीक्षण सेटअप बनाया गया था। योजनाबद्ध पिछले आंकड़ों में दिखाए गए हैं।

तीन अलग-अलग वोल्टेज को मापा गया और परिणाम सिद्धांत के साथ अपेक्षाकृत अच्छी तरह से फिट होते हैं। चूंकि डायोड रेटिंग की तुलना में लोड धाराएं बहुत कम हैं, आगे वोल्टेज ड्रॉप थोड़ा कम है। फिर भी, जैसा कि देखा जा सकता है मापा सुपर कैपेसिटर वोल्टेज सैद्धांतिक गणना के साथ बिल्कुल मेल खाता है।

निम्नलिखित आकृति में, कोई 2.5F संधारित्र के साथ एक विशिष्ट माप देख सकता है। चार्जिंग समय 340sec के सैद्धांतिक मूल्य के साथ अच्छी तरह से फिट बैठता है। 100 अतिरिक्त सेकंड के बाद संधारित्र वोल्टेज केवल अतिरिक्त 0.03V बढ़ रहा है, जिसका अर्थ है कि अंतर नगण्य है और माप त्रुटि सीमा में है।

अन्य आंकड़े पर, कोई यह देख सकता है कि बिजली की विफलता के बाद आउटपुट वोल्टेज वाउट कैपेसिटर वोल्टेज Vcap से VdiodeF2 छोटा है। अंतर dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V है।

मापा समय का सारांश संलग्न तालिका में देखा जा सकता है। जैसा कि देखा जा सकता है कि परिणाम सैद्धांतिक गणनाओं के साथ बिल्कुल फिट नहीं होते हैं। मापा गया समय ज्यादातर परिकलित समय की तुलना में बेहतर होता है, जिसका अर्थ है कि कुछ परिणामी परजीवियों को गणना में नहीं माना गया था। निर्मित सर्किट को देखते समय कोई यह देख सकता है कि कई अच्छी तरह से परिभाषित कनेक्शन बिंदु नहीं हैं। इसके अतिरिक्त, गणना लोड व्यवहार को अच्छी तरह से नहीं मानती है - जब वोल्टेज गिरता है तो करंट कम हो जाता है। फिर भी, परिणाम आशाजनक हैं और अपेक्षित सीमा में हैं।

चरण 5: कुछ सुधार संभावनाएं

यदि कोई सुपर कैपेसिटर के बाद डायोड के बजाय बूस्ट कन्वर्टर का उपयोग करता है तो ऑपरेटिंग समय में सुधार हो सकता है। हमने माना है कि, फिर भी कीमत एक साधारण डायोड की तुलना में अधिक है।

एक डायोड (मेरे मामले में दो डायोड) के माध्यम से सुपर कैपेसिटर को चार्ज करने का मतलब वोल्टेज ड्रॉप है और इसे हटाया जा सकता है यदि एक विशेष कैपेसिटर चार्जिंग आईसी का उपयोग किया जाता है। फिर से, कीमत मुख्य चिंता है।

वैकल्पिक रूप से, पीएनपी स्विच के साथ एक उच्च साइड स्विच का उपयोग किया जा सकता है। एक तेजी से सोचा संभव समाधान निम्नलिखित में देखा जा सकता है। सभी स्विच एक जेनर डायोड के माध्यम से नियंत्रित होते हैं जो 24V इनपुट से संचालित होता है। यदि इनपुट वोल्टेज डायोड जेनर वोल्टेज से नीचे चला जाता है तो पीएनपी स्विच चालू हो जाता है और अन्य उच्च साइड स्विच बंद हो जाते हैं। इस सर्किट का परीक्षण नहीं किया गया है और संभवतः कुछ अतिरिक्त (निष्क्रिय) घटकों की आवश्यकता है।

चरण 6: निष्कर्ष

माप गणना के साथ काफी अच्छी तरह से फिट होते हैं। दिखा रहा है कि सैद्धांतिक गणना का उपयोग किया जा सकता है - आश्चर्य-आश्चर्य। हमारे विशेष मामले में, दी गई समय अवधि के लिए पर्याप्त मात्रा में ऊर्जा प्रदान करने के लिए 2.5F संधारित्र से थोड़ा अधिक की आवश्यकता होती है।

सबसे महत्वपूर्ण, कैपेसिटर चार्जिंग सर्किट उम्मीद के मुताबिक काम करता है। सर्किट सरल, सस्ता और पर्याप्त है। कुछ उल्लिखित नुकसान हैं, हालांकि, कम कीमत और सादगी इसकी भरपाई करती है।

उम्मीद है कि यह छोटा सा सारांश किसी के लिए उपयोगी हो सकता है।