Cách làm mạch sạc siêu tụ điện

Thuật ngữ Siêu tụ điện và khả năng sử dụng của nó trong Xe điện, Điện thoại thông minh và các thiết bị IoT đang được xem xét rộng rãi trong thời gian gần đây, nhưng ý tưởng về siêu tụ điện có từ năm 1957 khi nó được General Electric thử nghiệm lần đầu tiên để tăng khả năng lưu trữ của nó. tụ điện. Trong những năm qua, công nghệ siêu tụ điện đã được cải thiện đáng kể mà ngày nay nó đang được sử dụng làm pin dự phòng, ngân hàng năng lượng mặt trời và các ứng dụng khác khi cần tăng cường điện trong thời gian ngắn. Nhiều người có quan niệm sai lầm khi coi siêu tụ là vật thay thế pin về lâu dài, nhưng ít nhất với công nghệ ngày nay thì siêu tụ không là gì ngoài tụ có khả năng tích điện cao, bạn có thể biết thêm về siêu tụ từ các bài viết trước của chúng tôi.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách sạc siêu tụ điện như vậy một cách an toàn bằng cách thiết kế một mạch sạc đơn giản và sau đó sử dụng nó để sạc siêu tụ điện của chúng tôi để kiểm tra mức độ giữ năng lượng của nó. Tương tự như các tế bào pin, siêu tụ điện cũng có thể được kết hợp để tạo thành các khối tụ điện, cách tiếp cận để sạc một khối tụ điện là khác nhau và nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Ở đây sẽ sử dụng Siêu tụ điện 5.5V 1F Coin đơn giản và thông dụng, trông giống như một ô đồng xu. Chúng ta sẽ tìm hiểu cách sạc siêu tụ điện loại xu và sử dụng nó trong các ứng dụng phù hợp.

Sạc siêu tụ điện

So sánh một cách mơ hồ giữa siêu tụ điện với pin, siêu tụ điện có mật độ điện tích thấp và đặc tính tự phóng điện kém hơn nhưng về thời gian sạc, thời hạn sử dụng và chu kỳ sạc thì siêu tụ điện lại vượt trội hơn so với pin. Dựa trên tính khả dụng của dòng điện sạc, siêu tụ điện có thể được sạc trong vòng chưa đầy một phút và nếu được xử lý đúng cách, nó có thể tồn tại hơn một thập kỷ.

So với pin, các siêu tụ điện có giá trị ESR (Điện trở dòng tương đương) rất thấp, điều này cho phép dòng điện chạy vào hoặc ra tụ điện có giá trị cao hơn cho phép nó được sạc nhanh hơn hoặc phóng điện với dòng điện cao. Nhưng do khả năng xử lý dòng điện cao này, một siêu tụ điện nên được sạc và xả một cách an toàn để ngăn chặn sự thoát nhiệt. Khi nói đến việc sạc siêu tụ điện, có hai quy tắc vàng, tụ điện phải được sạc đúng cực và với điện áp không vượt quá 90% tổng dung lượng điện áp của nó.

Các siêu tụ điện trên thị trường hiện nay thường được đánh giá là 2,5V, 2,7V hoặc 5,5V. Cũng giống như một tế bào lithium, các tụ điện này phải được kết nối nối tiếp và kết hợp song song để tạo thành các gói pin điện áp cao. Không giống như pin, một tụ điện khi mắc nối tiếp sẽ tổng tương hỗ tổng định mức điện áp của nó, do đó cần phải thêm nhiều tụ điện hơn để tạo thành các gói pin có giá trị tương đối. Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi có một tụ điện 5,5V 1F, vì vậy điện áp sạc phải là 90% của 5,5 ở một nơi nào đó gần 4,95V.

Năng lượng được lưu trữ trong một siêu tụ điện

Khi sử dụng tụ điện làm phần tử lưu trữ năng lượng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị của chúng tôi, điều quan trọng là phải xác định năng lượng được lưu trữ trong tụ điện để dự đoán thời gian thiết bị có thể được cấp nguồn. Công thức tính năng lượng tích trữ trong tụ điện có thể được cho bởi E = 1 / 2CV ². Vì vậy, trong trường hợp của chúng tôi đối với tụ điện 5.5V 1F khi được sạc đầy năng lượng tích trữ sẽ là

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joules

Bây giờ, sử dụng giá trị này, chúng ta có thể tính toán thời gian tụ điện có thể cung cấp năng lượng cho mọi thứ, chẳng hạn như nếu chúng ta cần 500mA ở 5V trong 10 giây. Sau đó, năng lượng cần thiết cho thiết bị này có thể được tính bằng công thức Năng lượng = Công suất x thời gian. Ở đây Công suất được tính bằng P = VI, vì vậy đối với nguồn 500mA và 5V là 2,5 Watts.

Năng lượng = 2,5 x (10/60 * 60) Năng lượng = 0,00694 Watt-giờ hoặc 25 Joules

Từ đó, chúng ta có thể kết luận rằng chúng ta sẽ cần ít nhất hai trong số các tụ điện này mắc song song (15 + 15 = 30) để có được bộ nguồn 30 Joules đủ để cung cấp năng lượng cho thiết bị của chúng ta trong 10 giây.

Xác định cực tính trên siêu tụ điện

Khi nói đến tụ điện và pin, chúng ta nên rất thận trọng với cực của nó. Tụ điện có cực tính nghịch rất có thể sẽ nóng và nóng chảy và đôi khi nổ trong các tình huống xấu nhất. Tụ điện mà chúng ta có là loại đồng xu, cực tính của nó được biểu thị bằng mũi tên nhỏ màu trắng như hình dưới đây.

Tôi giả định rằng hướng của mũi tên chỉ ra hướng của dòng điện. Bạn có thể nghĩ về nó như là, dòng điện luôn chạy từ dương sang âm và do đó mũi tên bắt đầu từ phía dương và hướng về phía tiêu cực. Khi bạn biết cực tính và nếu bạn muốn sạc nó, bạn thậm chí có thể sử dụng RPS đặt nó thành 5,5V (hoặc 4,95V để an toàn) và sau đó kết nối dây dẫn dương của RPS với chân dương và dây dẫn âm với chân âm và bạn sẽ thấy tụ điện đang được sạc.

Dựa trên định mức hiện tại của RPS, bạn có thể lưu ý rằng tụ điện được sạc trong vòng vài giây và khi nó đạt đến 5.5V, nó sẽ ngừng tạo ra dòng điện nữa. Tụ điện đã được sạc đầy này hiện có thể được sử dụng trong các ứng dụng thích hợp trước khi nó tự phóng điện.

Thay vì sử dụng RPS trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ chế tạo một bộ sạc điều chỉnh 5,5V tạo thành một bộ chuyển đổi 12V và sử dụng nó để sạc siêu tụ điện. Điện áp của tụ điện sẽ được theo dõi bằng bộ so sánh op-amp và khi tụ điện được sạc, mạch sẽ tự động ngắt kết nối siêu tụ điện khỏi nguồn điện áp. Nghe có vẻ thú vị phải không, vì vậy hãy bắt đầu.

Vật liệu thiết yếu

Bộ chuyển đổi 12V
IC điều chỉnh điện áp LM317
LM311
IRFZ44N
Bóng bán dẫn PNP BC557
Đèn LED
Điện trở
Tụ điện

Sơ đồ mạch

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh cho Mạch sạc siêu tụ điện này được đưa ra dưới đây. Mạch được vẽ bằng phần mềm Proteus, phần mô phỏng tương tự sẽ được trình bày sau.

Mạch được cung cấp bởi một bộ chuyển đổi 12V; sau đó chúng tôi sử dụng một LM317 để điều chỉnh 5,5V để sạc tụ điện của chúng tôi. Nhưng 5.5V này sẽ được cung cấp cho tụ điện thông qua một MOSFET hoạt động như một công tắc. Công tắc này sẽ chỉ đóng nếu điện áp của tụ điện nhỏ hơn 4,86V vì tụ điện bị tích điện và tăng điện áp, công tắc sẽ mở và ngăn không cho pin được sạc thêm. So sánh điện áp này được thực hiện bằng cách sử dụng op-amp và chúng tôi cũng sử dụng bóng bán dẫn BC557 PNP để phát sáng đèn LED khi quá trình sạc hoàn tất. Sơ đồ mạch hiển thị ở trên được chia thành các đoạn dưới đây để giải thích.

Điều chỉnh điện áp LM317:

Điện trở R1 và R2 được sử dụng để quyết định điện áp đầu ra của Bộ điều chỉnh LM317 dựa trên công thức Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Ở đây chúng tôi đã sử dụng giá trị 1k và 3,3k để điều chỉnh điện áp đầu ra là 5,3V đủ gần với 5,5V. Bạn có thể sử dụng máy tính trực tuyến của chúng tôi để tính toán điện áp đầu ra mong muốn dựa trên giá trị điện trở có sẵn bên mình.

Bộ so sánh Op-Amp:

Chúng tôi đã sử dụng IC so sánh LM311 để so sánh giá trị điện áp của siêu tụ điện với điện áp cố định. Điện áp cố định này được cung cấp cho chân số 2 bằng mạch phân áp. Các điện trở 2,2k và 1,5k thả một điện áp 4,86V tạo thành 12V. 4,86 volt này được so sánh với điện áp ref (điện áp của tụ điện) được kết nối với chân 3. Khi điện áp ref nhỏ hơn 4,86V, chân đầu ra 7 sẽ lên cao với 12V với điện trở kéo lên 10k. Điện áp này sau đó sẽ được sử dụng để điều khiển MOSFET.

MOSFET và BC557:

Các IRFZ44N MOSFET được sử dụng để kết nối các siêu tụ điện để sạc điện áp dựa trên các tín hiệu từ các op-amp. Khi op-amp lên cao, nó sẽ xuất ra 12V trên chân 7, bật MOSFET thông qua chân cơ sở của nó, tương tự khi op-amp xuống thấp (0V), MOSFET sẽ được mở. Chúng tôi cũng có một bóng bán dẫn PNP BC557 sẽ bật đèn LED khi MOSFET tắt cho biết điện áp tụ điện lớn hơn 4,8V.

Mô phỏng mạch sạc siêu tụ điện

Để mô phỏng mạch, tôi đã thay pin bằng một biến trở để cung cấp một điện áp thay đổi cho chân 3 của op-amp. Siêu tụ điện được thay thế bằng một đèn LED để hiển thị nếu nó được cấp nguồn hay không. Kết quả mô phỏng có thể được tìm thấy bên dưới.

Như bạn có thể thấy khi sử dụng các đầu dò điện áp, khi điện áp trên chân cắm ngược thấp hơn chân không đảo, op-amp tăng cao với 12V trên chân 7, bật MOSFET và do đó sạc tụ điện (đèn LED màu vàng). 12V này cũng kích hoạt bóng bán dẫn BC557 để tắt đèn LED màu xanh lá cây. Khi điện áp của Tụ điện (chiết áp) tăng, đèn LED màu xanh lá cây sẽ bật vì op-amp sẽ xuất ra 0V như hình trên.

Bộ sạc siêu tụ điện trên phần cứng

Mạch này khá đơn giản và có thể được xây dựng trên một breadboard, nhưng tôi đã quyết định sử dụng bảng Perf để có thể sử dụng lại mạch trong tương lai trong mọi nỗ lực sạc siêu tụ điện của mình. Tôi cũng có ý định sử dụng nó cùng với bảng điều khiển năng lượng mặt trời cho các dự án di động, do đó đã thử xây dựng nó càng nhỏ và cứng càng tốt. Mạch hoàn chỉnh của tôi sau khi được hàn trên một bảng chấm chấm được hiển thị bên dưới.

Hai que berg cái có thể được gõ bằng cách sử dụng chân cá sấu để sạc tụ điện. Đèn LED màu vàng cho biết nguồn điện vào mô-đun và đèn LED màu xanh lam cho biết trạng thái sạc. Khi quá trình sạc hoàn tất, đèn LED sẽ sáng, đèn LED sẽ vẫn tắt. Khi mạch đã sẵn sàng, bạn chỉ cần kết nối tụ điện và bạn sẽ thấy đèn LED màu xanh dương tắt và sau một thời gian, nó sẽ tăng cao trở lại để cho biết quá trình sạc đã hoàn tất. Bạn có thể thấy bảng ở trạng thái sạc và đã sạc bên dưới.

Quá trình hoạt động hoàn chỉnh có thể được tìm thấy trong video được cung cấp ở cuối trang này, nếu bạn có bất kỳ vấn đề nào để làm việc này, hãy đăng chúng trong phần bình luận hoặc sử dụng diễn đàn của chúng tôi cho các câu hỏi kỹ thuật khác.

Cải tiến thiết kế

Thiết kế mạch được đưa ra ở đây là thô và hoạt động đúng mục đích của nó; một số cải tiến bắt buộc tôi nhận thấy sau khi xây dựng được thảo luận ở đây. BC557 bị nóng do có 12V trên đế và bộ phát của nó, vì vậy một diode điện áp cao nên được sử dụng thay cho BC557.

Thứ hai khi bộ sạc tụ điện, bộ so sánh điện áp đo sự thay đổi điện áp nhưng khi MOSFET tắt sau khi sạc, op-amp cảm nhận được mức tăng điện áp thấp và bật lại FET, quá trình này được lặp lại vài lần trước khi op-amp tắt hoàn toàn. Một mạch chốt trên đầu ra op-amp sẽ giải quyết vấn đề.