UPS مكثف فائق: 6 خطوات (مع صور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

بالنسبة لمشروع ما ، طُلب مني التخطيط لنظام طاقة احتياطي يمكنه الحفاظ على عمل وحدة التحكم الدقيقة بعد حوالي 10 ثوانٍ من فقدان الطاقة. الفكرة هي أنه خلال هذه الثواني العشر ، يكون لدى وحدة التحكم الوقت الكافي لذلك

• توقف عن كل ما تفعله
• احفظ الحالة الحالية في الذاكرة
• أرسل رسالة فقد الطاقة (IoT)
• يحول نفسه إلى وضع الاستعداد وينتظر فقد الطاقة

تبدأ العملية العادية بعد إعادة التشغيل فقط. لا تزال هناك حاجة إلى بعض التخطيط لما يمكن أن يكون الإجراء إذا عادت الطاقة خلال هذه الثواني العشر. ومع ذلك ، كانت مهمتي التركيز على مصدر الطاقة.

يمكن أن يكون الحل الأبسط هو استخدام UPS خارجي أو شيء من هذا القبيل. من الواضح أن هذا ليس هو الحال وكنا بحاجة إلى شيء أرخص بكثير وأصغر. الحلول المتبقية تستخدم بطارية أو مكثف فائق. أثناء عملية التقييم بالضبط ، شاهدت مقطع فيديو رائعًا على YouTube حول موضوع مشابه: Link.

بعد بعض الاعتبارات ، بدت دائرة المكثف الفائق أفضل حل لنا. إنها أصغر قليلاً من البطارية (نريد استخدام مكونات مستخدمة على نطاق واسع ، على الرغم من أنني شخصياً لست متأكدًا مما إذا كان سبب الحجم صحيحًا بالفعل) ، تتطلب مكونات أقل (بمعنى أنها أرخص) والأهم من ذلك - أنها تبدو أفضل بكثير من البطارية (عواقب العمل مع غير المهندسين).

تم إنشاء إعداد اختبار لاختبار النظرية والتحكم في ما إذا كانت أنظمة الشحن ذات المكثف الفائق تعمل كما ينبغي.

يوضح Instructable المزيد ما تم القيام به بدلاً من شرح كيفية القيام بذلك.

الخطوة 1: وصف النظام

يمكن رؤية بنية النظام في الشكل. أولاً ، يتم تحويل 230VAC إلى 24VDC إلى 5VDC وفي النهاية تعمل دائرة الميكروكونترولر عند 3.3V. في الحالة المثالية ، يمكن للمرء أن يكتشف انقطاع التيار الكهربائي بالفعل على مستوى الشبكة (230VAC). لسوء الحظ ، نحن غير قادرين على القيام بذلك. لذلك ، علينا التحقق مما إذا كانت الطاقة لا تزال موجودة عند 24VDC. مثل هذا ، لا يمكن استخدام مكثفات تخزين امدادات الطاقة AC / DC. المتحكم الدقيق وجميع الإلكترونيات المهمة الأخرى عند 3.3 فولت. لقد تقرر في حالتنا أن سكة 5V هي أفضل مكان لإضافة مكثف فائق. عندما يتحلل جهد المكثف ببطء ، لا يزال بإمكان المتحكم الدقيق العمل عند 3.3 فولت.

متطلبات:

• تيار ثابت - Iconst = 0.5 أمبير (@ 5.0 فولت)
• الحد الأدنى للجهد (الحد الأدنى للجهد المسموح به عند سكة 5 فولت) - Vend = 3.0V
• الحد الأدنى من الوقت الذي يجب أن يغطيه المكثف - T = 10 ثوانٍ

هناك العديد من المكثفات الفائقة الخاصة بشحن IC-s المتاحة والتي يمكنها شحن المكثف بسرعة كبيرة. في حالتنا ، وقت الشحن ليس حرجًا. وبالتالي ، فإن أبسط دارة مقاومة للديود تكون كافية. هذه الدائرة بسيطة ورخيصة مع بعض السلبيات. تم ذكر مشكلة وقت الشحن بالفعل. ومع ذلك ، فإن العيب الرئيسي هو أن المكثف غير مشحون بجهده الكامل (انخفاض جهد الصمام الثنائي). ومع ذلك ، يمكن للجهد المنخفض أن يجلب لنا بعض الجوانب الإيجابية أيضًا.

في منحنى العمر المتوقع للمكثف الفائق من ورقة بيانات سلسلة AVX SCM (رابط) ، يمكن للمرء أن يرى العمر المتوقع مقابل درجة حرارة التشغيل والجهد المطبق. إذا كان للمكثف قيمة جهد أقل ، يزداد العمر المتوقع. قد يكون ذلك مفيدًا حيث يمكن استخدام مكثف الجهد المنخفض. هذا لا يزال بحاجة إلى توضيح.

كما هو موضح في القياسات ، سيكون جهد تشغيل المكثف حوالي 4.6V-4.7V - 80٪ Vrated.

الخطوة 2: اختبار الدائرة

بعد إجراء بعض التقييم ، تم اختيار مكثفات AVX الفائقة للاختبار. تم تصنيف تلك المختبرة لـ 6V. هذا في الواقع قريب جدًا من القيمة التي نخطط لاستخدامها. ومع ذلك ، فإنه يكفي لغرض الاختبار. تم اختبار ثلاث قيم مختلفة للسعة: 1F و 2.5F و 5F (2x 2.5F على التوازي). يتبع تصنيف المكثفات

• دقة السعة - 0٪ + 100٪
• الفولطية المقدرة - 6V

• رقم القطعة من الشركة المصنعة -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• مدى الحياة - 2000 ساعة عند 65 درجة مئوية

من أجل مطابقة جهد الخرج مع جهد المكثف ، يتم استخدام صمام ثنائي للجهد الأمامي. في الاختبار ، يتم تنفيذ الثنائيات VdiodeF2 = 0.22V جنبًا إلى جنب مع الثنائيات الحالية العالية مع VdiodeF1 = 0.5V.

يتم استخدام محول IC بسيط LM2596 DC-DC. هذا هو IC قوي للغاية ويسمح بالمرونة. لاختبار الأحمال المختلفة ، تم التخطيط لها: حمولة مقاومة مختلفة بشكل أساسي.

هناك حاجة إلى اثنين من المقاومات المتوازية 3.09kΩ الموازية للمكثف الفائق من أجل استقرار الجهد. في دائرة الاختبار ، يتم توصيل المكثفات الفائقة من خلال مفاتيح ، وإذا لم يتم توصيل أي من المكثفات ، فقد يكون الجهد مرتفعًا جدًا. لحماية المكثفات ، يتم وضع الصمام الثنائي Zener 5.1V بالتوازي مع المكثفات.

بالنسبة للحمل ، يوفر المقاوم 8.1kΩ و LED بعض الحمل. لقد لوحظ أن حالة عدم التحميل يمكن أن يرتفع الجهد أعلى من المطلوب. يمكن أن تسبب الثنائيات بعض السلوك غير المتوقع.

الخطوة الثالثة: الحسابات النظرية

الافتراضات:

• تيار ثابت - Iconst = 0.5A
• Vout @ انقطاع التيار الكهربائي - Vout = 5.0V
• جهد شحن المكثف قبل الثنائيات - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• بدء الجهد (Vcap عند انقطاع التيار الكهربائي) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7 فولت
• Vout @ power failure - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• الحد الأدنى من Vcap - Vcap_min = VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3 فولت
• الحد الأدنى من الوقت الذي يجب أن يغطيه المكثف - T = 10 ثوانٍ

الوقت لشحن مكثف (نظري): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

بالنسبة لمكثف 1F ، يكون R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +؟ +؟ = 27 أوم

إذا كانت C = 1.0F ، Tcharging = 135 ثانية = 2.5 دقيقة

إذا كانت C = 2.5F ، فإن Tcharging = 337 ثانية = 5.7 دقيقة

إذا كانت C = 5.0F ، Tcharging = 675 ثانية = 11 دقيقة

من الافتراضات ، يمكننا أن نفترض أن معدل الطاقة الثابت هو تقريبًا: W = I * V = 2.5W

في المكثف ، يمكن تخزين كمية معينة من الطاقة: W = 0.5 * C * V ^ 2

من هذه الصيغة ، يمكن حساب السعة:

• أريد أن أرسم x وات لثواني t ، ما مقدار السعة التي أحتاجها (رابط)؟ C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• أريد أن أرسم x Amps لمدة t ثانية ، ما مقدار السعة التي أحتاجها؟ C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

إذا اخترنا أن تكون قيمة المكثف 5F:

• كم من الوقت سيستغرق شحن / تفريغ هذا المكثف بتيار ثابت (رابط)؟ Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11.0 ثانية
• كم من الوقت سيستغرق شحن / تفريغ هذا المكثف بقوة ثابتة (W)؟ Tdischarge = 0.5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8.47 ثانية

إذا كنت تستخدم Rcharge = 25ohm ، فسيكون تيار الشحن

وزمن الشحن بالتقريب: الشحن = 625 ثانية = 10.5 دقيقة

الخطوة 4: القياسات العملية

تم اختبار التكوينات المختلفة وقيم السعة. لتبسيط الاختبار ، تم إنشاء إعداد اختبار يتم التحكم فيه بواسطة Arduino. يتم عرض الخطط في الأشكال السابقة.

تم قياس ثلاثة جهود مختلفة وكانت النتائج متوافقة نسبيًا مع النظرية. نظرًا لأن تيارات الحمل أقل بكثير من تصنيف الصمام الثنائي ، يكون انخفاض الجهد الأمامي أقل قليلاً. ومع ذلك ، كما يتضح ، فإن جهد المكثف الفائق المقاس يتطابق تمامًا مع الحسابات النظرية.

في الشكل التالي ، يمكن للمرء أن يرى قياسًا نموذجيًا باستخدام مكثف 2.5F. يتناسب وقت الشحن جيدًا مع القيمة النظرية البالغة 340 ثانية. بعد 100 ثانية إضافية ، ارتفع جهد المكثف بمقدار 0.03 فولت إضافي فقط ، مما يعني أن الفرق ضئيل وفي نطاق خطأ القياس.

في الشكل otehr ، يمكن للمرء أن يرى أنه بعد انقطاع التيار الكهربائي ، يكون جهد الخرج VdiodeF2 أصغر من جهد المكثف Vcap. الفرق هو dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

يمكن رؤية ملخص للأوقات التي تم قياسها في الجدول المرفق. كما يتضح ، فإن النتائج لا تتناسب تمامًا مع الحسابات النظرية. الأوقات التي تم قياسها هي في الغالب أفضل من الأوقات المحسوبة ، مما يعني أن بعض الطفيليات الناتجة لم يتم أخذها في الاعتبار في الحسابات. عند النظر إلى الدائرة المبنية ، يمكن للمرء أن يلاحظ أن هناك عدة نقاط اتصال غير محددة جيدًا. بالإضافة إلى ذلك ، لا تأخذ الحسابات في الاعتبار سلوك الحمل جيدًا - عندما ينخفض الجهد ، ينخفض التيار. ومع ذلك ، فإن النتائج واعدة وهي في النطاق المتوقع.

الخطوة 5: بعض إمكانيات التحسين

يمكن للمرء تحسين وقت التشغيل إذا استخدم أحد محول التعزيز بدلاً من الصمام الثنائي بعد المكثف الفائق. لقد اعتبرنا ذلك ، ومع ذلك فإن السعر أعلى من الصمام الثنائي البسيط.

إن شحن المكثف الفائق من خلال الصمام الثنائي (في حالتي صمامان) يعني انخفاض الجهد ويمكن إزالته إذا تم استخدام مكثف خاص يشحن IC. مرة أخرى ، السعر هو الشاغل الرئيسي.

بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام مفاتيح عالية الجانب مع مفتاح PNP. يمكن رؤية حل ممكن سريع التفكير في ما يلي. يتم التحكم في جميع المفاتيح من خلال الصمام الثنائي زينر الذي يتم تشغيله من إدخال 24 فولت. إذا انخفض جهد الدخل عن جهد زينر الصمام الثنائي ، يتم تشغيل مفتاح PNP ويتم إيقاف تشغيل المفاتيح الجانبية العالية الأخرى. لم يتم اختبار هذه الدائرة وربما تتطلب بعض المكونات الإضافية (السلبية).

الخطوة السادسة: الخاتمة

تتلاءم القياسات تمامًا مع الحسابات. إظهار أنه يمكن استخدام الحسابات النظرية - مفاجأة - مفاجأة. في حالتنا الخاصة ، نحتاج إلى مكثف يزيد قليلاً عن 2.5F لتوفير كمية كافية من الطاقة لفترة زمنية معينة.

الأهم من ذلك ، أن دائرة شحن المكثف تعمل كما هو متوقع. الدائرة بسيطة ورخيصة وكافية. هناك بعض العيوب المذكورة ، ولكن السعر المنخفض والبساطة يعوضان ذلك.

نأمل أن يكون هذا الملخص الصغير مفيدًا لشخص ما.