UPS z superkondensatorem: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

W przypadku projektu poproszono mnie o zaplanowanie systemu zasilania awaryjnego, który mógłby utrzymać działanie mikrokontrolera około 10 sekund po utracie zasilania. Chodzi o to, aby w ciągu tych 10 sekund kontroler miał wystarczająco dużo czasu, aby:

• Przestań cokolwiek to robi
• Zapisz aktualny stan w pamięci
• Wyślij wiadomość o utracie zasilania (IoT)
• Przełącza się w tryb gotowości i czeka na utratę zasilania

Normalne działanie rozpoczyna się dopiero po ponownym uruchomieniu. Nadal potrzebne jest pewne planowanie, jaka może być procedura, jeśli zasilanie powróci w ciągu tych 10 sekund. Moim zadaniem było jednak skupienie się na zasilaniu.

Najprostszym rozwiązaniem może być użycie zewnętrznego zasilacza UPS lub czegoś podobnego. Oczywiście tak nie jest i potrzebowaliśmy czegoś znacznie tańszego i mniejszego. Pozostałe rozwiązania wykorzystują akumulator lub superkondensator. Dokładnie podczas procesu oceny zobaczyłem ładny filmik na YouTube o podobnym temacie: Link.

Po kilku rozważaniach obwód superkondensatora brzmiał dla nas jako najlepsze rozwiązanie. Jest nieco mniejszy od baterii (chcemy zastosować bardzo powszechnie stosowane podzespoły, choć osobiście nie jestem pewien, czy powód rozmiaru jest rzeczywiście prawdziwy), wymaga mniej podzespołów (czyli jest tańszy) i co najważniejsze – brzmi znacznie lepiej niż bateria (konsekwencje pracy z nieinżynierami).

Zbudowano konfigurację testową, aby przetestować teorię i sprawdzić, czy systemy ładowania superkondensatorów działają tak, jak powinny.

Ta instrukcja pokazuje więcej, co zostało zrobione, zamiast wyjaśniać, jak to zrobić.

Krok 1: Opis systemu

Architekturę systemu widać na rysunku. Najpierw napięcie 230VAC jest zamieniane na 24VDC, które na 5VDC, a na końcu obwód mikrokontrolera pracuje na 3,3V. W idealnym przypadku awarię zasilania można by wykryć już na poziomie sieci (230VAC). Niestety nie jesteśmy w stanie tego zrobić. Dlatego musimy sprawdzić, czy nadal jest zasilanie na 24VDC. W ten sposób nie można używać kondensatorów magazynujących zasilanie AC/DC. Mikrokontroler i cała inna ważna elektronika mają napięcie 3,3V. Zdecydowano, że w naszym przypadku najlepszym miejscem na dodanie superkondensatora jest szyna 5V. Gdy napięcie kondensatora powoli zanika, mikrokontroler może nadal pracować przy napięciu 3,3V.

Wymagania:

• Prąd stały – Iconst = 0,5 A (@5,0V)
• Minimalne napięcie (min. dopuszczalne napięcie na szynie 5V) – Vend = 3.0V
• Minimalny czas, jaki kondensator musi pokryć – T = 10 s

Dostępnych jest kilka specjalnych układów scalonych do ładowania superkondensatorów, które mogą bardzo szybko ładować kondensator. W naszym przypadku czas ładowania nie jest krytyczny. W ten sposób wystarczy najprostszy obwód dioda-rezystor. Ten obwód jest prosty i tani z pewnymi wadami. Kwestia czasu ładowania została już wspomniana. Jednak główną wadą jest to, że kondensator nie jest ładowany do pełnego napięcia (spadek napięcia diody). Niemniej jednak niższe napięcie może przynieść nam również pozytywne strony.

Na krzywej oczekiwanej żywotności superkondensatora z arkusza danych AVX SCM Series (link) można zobaczyć oczekiwaną żywotność w zależności od temperatury roboczej i przyłożonego napięcia. Jeśli kondensator ma niższą wartość napięcia, oczekiwana żywotność wzrasta. Może to być korzystne, ponieważ można zastosować kondensator o niższym napięciu. To wymaga jeszcze wyjaśnienia.

Jak pokażą pomiary, napięcie pracy kondensatora będzie wynosić około 4,6-4,7 V – 80% Vrated.

Krok 2: Obwód testowy

Po pewnej ocenie do testów wybrano superkondensatory AVX. Testowane są oceniane na 6V. W rzeczywistości jest to zbyt blisko wartości, którą planujemy użyć. Niemniej jednak do celów testowych wystarczy. Przetestowano trzy różne wartości pojemności: 1F, 2.5F i 5F (2x 2.5F równolegle). Ocena kondensatorów jest następująca

• Dokładność pojemności – 0% +100%
• Napięcie znamionowe – 6V

• Nr części producenta –

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Żywotność – 2000 godzin w temperaturze 65°C

W celu dopasowania napięcia wyjściowego do napięcia kondensatora stosuje się diody minimalnego napięcia przewodzenia. W teście zastosowano diody VdiodeF2 = 0,22V razem z diodami wysokoprądowymi o VdiodeF1 = 0,5V.

Zastosowano prosty układ scalony konwertera DC-DC LM2596. To jest bardzo solidny układ scalony i zapewnia elastyczność. Do testowania zaplanowano różne obciążenia: głównie różne obciążenia rezystancyjne.

Dla stabilności napięcia potrzebne są dwa równoległe rezystory 3,09 kΩ równolegle do superkondensatora. W obwodzie testowym superkondensatory są połączone przełącznikami i jeśli żaden z kondensatorów nie jest podłączony, napięcie może być zbyt wysokie. W celu ochrony kondensatorów równolegle do nich umieszczona jest dioda Zenera o napięciu 5,1 V.

Dla obciążenia rezystor 8,1 kΩ i dioda LED zapewniają pewne obciążenie. Zauważono, że w przypadku braku obciążenia napięcie może wzrosnąć powyżej pożądanego. Diody mogą powodować nieoczekiwane zachowanie.

Krok 3: Obliczenia teoretyczne

Założenia:

• Prąd stały – Iconst = 0,5A
• Vout @ awaria zasilania – Vout = 5.0V
• Napięcie ładowania kondensatora przed diodami – Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Napięcie początkowe (Vcap @ awaria zasilania) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ awaria zasilania – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minimalne Vcap – Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V
• Minimalny czas, jaki kondensator musi pokryć – T = 10 s

Czas ładowania kondensatora (teoretycznie): Tładowanie = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + diody + Rpołączenia

Dla kondensatora 1F jest to R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 + ? + ? = 27ohm

Jeśli C=1,0F, Tładowanie = 135 s = 2,5 minuty

Jeśli C=2,5F, Tładowanie = 337 s = 5,7 minuty

Jeśli C=5,0F, Tładowanie = 675 s = 11 minut

Z założeń możemy przyjąć, że stała moc znamionowa wynosi ok.: W = I * V = 2,5W

W kondensatorze można przechowywać pewną ilość energii: W = 0,5 * C * V^2

Z tego wzoru można obliczyć pojemność:

• Chcę narysować x watów przez t sekund, ile pojemności potrzebuję (Link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Chcę narysować x Amps dla t sekund, ile pojemności potrzebuję? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Jeśli wybierzemy wartość kondensatora na 5F:

• Ile czasu zajmie naładowanie/rozładowanie tego kondensatora prądem stałym (połączenie)?Trozładowanie = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 s
• Ile czasu zajmie naładowanie/rozładowanie tego kondensatora ze stałą mocą (W)? Trozładowanie = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sek.

Jeśli użyjesz Rcharge = 25 omów, prąd ładowania będzie

A czas ładowania około: Tładowanie = 625 s = 10,5 minuty

Krok 4: Pomiary praktyczne

Testowano różne konfiguracje i wartości pojemności. Aby uprościć testowanie, zbudowano kontrolowany przez Arduino układ testowy. Schematy pokazano na poprzednich rysunkach.

Zmierzono trzy różne napięcia, a wyniki stosunkowo dobrze pasują do teorii. Ponieważ prądy obciążenia są znacznie niższe niż wartości znamionowe diody, spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest nieco niższy. Niemniej jednak, jak widać, zmierzone napięcie superkondensatora dokładnie zgadza się z obliczeniami teoretycznymi.

Na poniższym rysunku widać typowy pomiar z kondensatorem 2,5F. Czas ładowania dobrze wpisuje się w teoretyczną wartość 340sek. Po 100 dodatkowych sekundach napięcie kondensatora wzrosło tylko o dodatkowe 0,03V, co oznacza, że różnica jest znikoma i mieści się w zakresie błędu pomiarowego.

Na innym rysunku widać, że po zaniku zasilania napięcie wyjściowe Vout jest VdiodeF2 mniejsze niż napięcie kondensatora Vcap. Różnica wynosi dV = 0,23 V = VdiodeF2 = 0,22 V.

Podsumowanie zmierzonych czasów można zobaczyć w załączonej tabeli. Jak widać wyniki nie pasują dokładnie do obliczeń teoretycznych. Zmierzone czasy są w większości lepsze niż wyliczone, co oznacza, że niektóre wynikające z nich pasożyty nie zostały uwzględnione w obliczeniach. Patrząc na zbudowany obwód można zauważyć, że istnieje kilka słabo zdefiniowanych punktów połączeń. Dodatkowo obliczenia nie uwzględniają dobrze zachowania obciążenia – gdy napięcie spada, prąd maleje. Niemniej jednak wyniki są obiecujące i mieszczą się w oczekiwanym zakresie.

Krok 5: Niektóre możliwości poprawy

Można poprawić czas pracy, jeśli zastosuje się przetwornicę doładowania zamiast diody za superkondensatorem. Rozważaliśmy to, niemniej jednak cena jest wyższa niż zwykła dioda.

Ładowanie superkondensatora przez diodę (w moim przypadku dwie diody) oznacza spadek napięcia i można go usunąć, jeśli zastosuje się specjalny układ ładowania kondensatora. Ponownie głównym problemem jest cena.

Alternatywnie, przełączniki strony wysokiego napięcia mogą być używane razem z przełącznikiem PNP. Szybko pomyślane możliwe rozwiązanie można zobaczyć poniżej. Wszystkie przełączniki sterowane są diodą Zenera zasilaną z wejścia 24V. Jeśli napięcie wejściowe spadnie poniżej napięcia diody Zenera, przełącznik PNP włącza się, a pozostałe przełączniki strony wysokiego napięcia wyłączają się. Układ ten nie jest testowany i najprawdopodobniej wymaga dodatkowych (pasywnych) elementów.

Krok 6: Wniosek

Pomiary całkiem dobrze pasują do obliczeń. Pokazanie, że obliczenia teoretyczne można wykorzystać – niespodzianka-niespodzianka. W naszym szczególnym przypadku, aby zapewnić wystarczającą ilość energii na dany okres czasu, potrzeba nieco więcej niż 2,5F kondensatora.

Co najważniejsze, obwód ładowania kondensatora działa zgodnie z oczekiwaniami. Obwód jest prosty, tani i wystarczający. Jest kilka wspomnianych wad, jednak rekompensuje to niska cena i prostota.

Mam nadzieję, że to krótkie podsumowanie może komuś się przydać.