Laptop Raspberry Pi Bertenaga Super Kapasitor: 5 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Bergantung pada minat umum terhadap proyek ini, saya dapat menambahkan lebih banyak langkah, dll jika itu membantu menyederhanakan komponen yang membingungkan.

Saya selalu tertarik dengan teknologi kapasitor yang lebih baru yang bermunculan selama bertahun-tahun dan berpikir akan menyenangkan untuk mencoba menerapkannya sebagai semacam baterai untuk bersenang-senang. Ada banyak masalah unik yang saya temukan saat mengerjakan ini karena tidak dirancang dengan mempertimbangkan aplikasi ini, tetapi ingin membagikan apa yang telah saya temukan dan uji.

Ini lebih untuk menyoroti kesulitan mengisi daya, dan menarik daya dari bank kapasitor super dalam aplikasi seluler (meskipun dengan seberapa beratnya, tidak semua ponsel itu…).

Tanpa tutorial hebat di bawah ini, ini tidak akan membuahkan hasil:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Informasi mendalam tentang Superkapasitor
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial membuat rangkaian charging dan discharging
• Saya akan mencoba menggali lebih banyak yang saya gunakan jika saya dapat menemukan/mengingatnya.

• Jika Anda memiliki tutorial yang menurut Anda relevan, beri tahu saya agar saya dapat memasukkannya ke sini.

Alasan utama saya ingin mencoba ini adalah:

• Mengisi daya hingga penuh dalam SECONDS (arus listrik yang tinggi membatasi sistem ini hingga beberapa menit… dengan aman).
• Ratusan ribu siklus pengisian daya tanpa degradasi (lebih dari satu juta dalam kondisi yang tepat).
• Teknologi yang sangat khusus yang mungkin bisa masuk ke industri baterai arus utama.
• Kondisi operasi lingkungan. Suhu +60C hingga -60C untuk kapasitor yang digunakan di sini.
• Efisiensi pengisian daya >95% (baterai rata-rata <85%)
• Saya menemukan mereka menarik?

Sekarang untuk peringatan yang selalu diperlukan saat bekerja dengan listrik… Meskipun sangat kecil kemungkinan cedera bekerja dengan tegangan rendah ~5V, jumlah arus listrik yang luar biasa yang dapat dikeluarkan oleh kapasitor super akan menyebabkan luka bakar dan komponen langsung menggoreng. Artikel pertama menyebutkan memberikan penjelasan yang sangat baik dan langkah-langkah yang aman. Tidak seperti baterai, korslet penuh terminal tidak menimbulkan risiko ledakan (meskipun dapat mempersingkat masa pakai kapasitor super tergantung pada pengukur kawat). Masalah nyata dapat muncul ketika tegangan berlebih (pengisian melewati tegangan maksimum yang ditandai) di mana kapasitor super akan mendesis, 'meletup' dan mati dalam kekacauan berasap. Kasus ekstrim dapat terjadi di mana segel muncul cukup keras.

Sebagai contoh berapa banyak daya yang dapat dilepaskan, saya menjatuhkan kabel tembaga 16 gauge melintasi bank yang terisi penuh pada 5V (tentu saja secara tidak sengaja) dan sedikit dibutakan oleh kabel yang meledak dalam kilatan putih dan hijau saat terbakar. Dalam waktu kurang dari sedetik, seutas kawat 5cm itu HILANG. Ratusan amp melintasi kawat itu dalam waktu kurang dari satu detik.

Saya memilih laptop sebagai platform karena saya memiliki Raspberry Pi, koper aluminium, keyboard kios, dan printer 3D untuk prototipe. Awalnya idenya adalah membuat laptop ini agar bisa berjalan selama 10-20 menit dengan sedikit usaha. Dengan ruangan yang saya miliki ekstra di koper, terlalu menggoda untuk mencoba dan mendorong lebih banyak dari proyek ini dengan menjejalkan lebih banyak kapasitor super.

Saat ini, jumlah daya yang dapat digunakan berada di bawah baterai lithium ion TUNGGAL 3.7V 2Ah. Hanya sekitar 7Wh daya. Tidak mengherankan, tetapi dengan waktu pengisian kurang dari 15 menit dari kosong, setidaknya menarik.

Sayangnya, hanya sekitar 75% daya yang tersimpan dalam kapasitor yang dapat ditarik keluar dengan sistem ini… Sistem yang jauh lebih efisien pasti dapat diterapkan untuk menarik daya pada tegangan yang lebih rendah sekitar 1V atau kurang. Saya hanya tidak ingin menghabiskan lebih banyak uang untuk ini juga, di bawah 2V di kapasitor hanya menyisakan sekitar 2Wh daya yang tersedia dari total total 11Wh.

Menggunakan konverter 0,7-5V ke 5V daya rendah (~ efisiensi 75-85%) Saya dapat mengisi baterai ponsel 11Wh saya dari 3% hingga 65% menggunakan bank kapasitor (meskipun ponsel sangat tidak efisien dalam pengisian daya, di mana 60-80 % daya input sebenarnya disimpan).

Untuk suku cadang yang digunakan dalam proyek ini, mungkin ada suku cadang yang lebih baik untuk digunakan daripada yang saya miliki. Tapi di sini mereka adalah:

• 6x kapasitor super (2.5V, 2300 Farad - dari sistem pengereman regeneratif mobil. Dapat ditemukan di Ebay, dll.)
• 1x Raspberry Pi 3
• Layar bertenaga 1x 5V (Saya menggunakan layar AMOLED 5,5" dengan papan pengontrol HDMI)
• 2x ATTiny85 mikro-kontroler (saya akan menyertakan programnya)
• 2x 0.7V-5V ke konverter DC-DC 5V 500mA konstan
• 4x 1.9V-5V ke konverter DC-DC 5V 1A konstan
• 1x koper
• 3x 6A PWM mampu MOSFET
• 2x 10A dioda Schottky
• 10x Aluminium T-slot frame (dengan sambungan dll. tergantung pada apa yang ingin Anda gunakan untuk menahan barang di tempatnya)
• papan ketik kios
• Panel surya 20W 5V
• Kabel USB ke USB mikro
• kabel HDMI
• Berbagai macam komponen listrik dasar dan papan prototipe.
• banyak bagian cetak 3D (saya akan menyertakan file.stl)

Bagian-bagian ini dapat dengan mudah ditukar dengan bagian yang lebih tepat/efisien, tetapi inilah yang saya miliki. Juga, batasan dimensi akan berubah dengan komponen apa yang dipilih.

Jika Anda memiliki umpan balik tentang desain, jangan ragu untuk meninggalkan komentar!

Langkah 1: Karakteristik Daya

Untuk memberikan gambaran tentang apa yang diharapkan dari segi daya saat menggunakan kapasitor untuk sesuatu yang pasti tidak dirancang untuknya:

Ketika tegangan bank kapasitor turun terlalu rendah (1.9V), ATTinys telah diprogram untuk tidak menyalakan komponen sistem apa pun. Ini hanya untuk memastikan komponen tidak menarik daya apa pun saat tidak dapat berjalan secara konsisten pada voltase yang lebih rendah.

Sistem ini berjalan menggunakan konverter DC-DC pada level tegangan 4,5V hingga 1,9V dari bank kapasitor.

Tegangan pengisian input dapat dari 5V hingga 5,5V (tidak lebih tinggi dari 5A pada 5,5V). Adaptor 5V 10A atau lebih tinggi akan merusak MOSFET dan akan membakarnya pada tingkat pengisian setengah PWM.

Dengan karakteristik pengisian kapasitor, tingkat pengisian logaritmik/eksponensial akan menjadi yang terbaik, karena semakin sulit untuk mendorong daya semakin dekat Anda mendapatkan muatan penuh … tapi saya tidak pernah bisa membuat fungsi matematika bekerja dengan variabel tipe mengambang di ATTiny untuk beberapa alasan. Sesuatu untuk saya lihat nanti…

Pada kekuatan pemrosesan penuh, perkiraan waktu berjalan adalah 1 jam. Saat idle, 2 jam.

Menggunakan transceiver LowRa memangkas masa pakai hingga ~15%. Menggunakan mouse laser eksternal memangkas masa pakai ~10%.

Tegangan bank kapasitor yang lebih rendah = efisiensi yang lebih rendah untuk mengkonversi ke 5V ke komponen daya. Sekitar 75% pada muatan kapasitor 2V, di mana banyak daya yang hilang sebagai panas di konverter.

Saat dicolokkan, laptop dapat berjalan tanpa batas waktu menggunakan adaptor 5.3V 8A. Menggunakan adaptor 2A, sistem memerlukan muatan penuh sebelum dinyalakan untuk penggunaan tak terbatas. Tingkat pengisian ATTiny PWM hanya 6,2% dari input daya ketika bank kapasitor 1,5V atau kurang naik secara linier ke tingkat pengisian 100% dengan muatan penuh.

Sistem ini membutuhkan waktu lebih lama untuk mengisi daya menggunakan adaptor ampere yang lebih rendah. Waktu pengisian daya dari 2V ke 4,5V tanpa ada yang mengalir dari bank kapasitor:

• Adaptor 5.2V 8A adalah 10-20 menit (biasanya sekitar 13 menit).
• Adaptor 5.1V 2A adalah 1-2 jam. Karena dioda menurunkan tegangan sekitar 0,6V, beberapa adaptor tepat 5V tidak akan pernah mengisi penuh sistem ini. Ini tidak masalah, karena adaptor tidak akan terpengaruh secara negatif.
• Panel surya 20W di bawah sinar matahari penuh adalah 0,5-2 jam. (banyak varians selama pengujian).

Ada masalah yang melekat dalam menggunakan kapasitor di mana mereka tidak menahan muatannya terlalu lama semakin dekat Anda dengan tegangan maks.

Selama 24 jam pertama, kapasitor bank melepaskan diri dari rata-rata 4,5V ke 4,3V. Kemudian selama 72 jam berikutnya perlahan-lahan akan turun ke 4.1V yang cukup konstan. ATTinys yang digabungkan dengan self discharge kecil akan menurunkan tegangan pada 0,05-0,1V per hari setelah 96 jam pertama (secara eksponensial lebih lambat karena tegangan turun mendekati nol). Ketika pada 1.5V dan lebih rendah, tegangan bank kapasitor turun sekitar 0,001-0,01V per hari tergantung pada suhu.

Dengan semua ini dipertimbangkan, perkiraan konservatif akan menjadi debit ke 0,7V dalam ~ 100 hari. Saya membiarkan ini duduk selama 30 hari dan masih tersisa dengan lebih dari 3.5V.

Sistem ini dapat berjalan tanpa batas di bawah sinar matahari langsung.

* * * UNTUK DIPERHATIKAN: * * Tegangan kritis sistem ini adalah 0,7V di mana konverter DC-DC yang memberi daya pada ATTinys akan gagal. Untungnya, tingkat pengisian daya pengontrol MOSFET akan menarik sendiri ~ 2% tinggi ketika daya terhubung pada tegangan ini atau lebih rendah, memungkinkan pengisian yang lambat. Saya masih belum tahu MENGAPA ini terjadi, tetapi ini adalah bonus keberuntungan.

Saya harus mengisi penuh dan mengosongkan bank kapasitor ~ 15 kali sebelum mereka menyeimbangkan secara kimiawi dan menahan muatan yang layak. Ketika saya pertama kali menghubungkannya, saya sangat frustrasi dengan jumlah muatan yang disimpan, tetapi menjadi jauh lebih baik selama 15 siklus pengisian penuh pertama.

Langkah 2: Pengontrol Daya Pi

Untuk menghidupkan dan mematikan Pi, saya harus menerapkan pengontrol daya dengan 4 konverter DC-DC dan MOSFET.

Sayangnya Pi menarik sekitar 100mA bahkan saat mati, jadi saya harus menambahkan MOSFET untuk benar-benar memotong dayanya. Dengan pengontrol daya yang aktif, hanya ~2mA yang terbuang dengan muatan penuh (~0,5mA dengan muatan rendah).

Pada dasarnya controller melakukan hal berikut:

1. Mengatur level tegangan di bawah 2.5V di kapasitor untuk menghindari tegangan berlebih saat mengisi daya.
2. Empat DC-DC (masing-masing 1A maks, total 4A) menarik langsung dari kapasitor dari 4.5V ke 1.9V untuk 5.1V konstan.
3. Dengan menekan tombol, MOSFET memungkinkan daya mengalir ke Pi. Pers lain memutus aliran listrik.
4. ATTiny mengawasi level tegangan bank kapasitor. Jika terlalu rendah, MOSFET tidak dapat dihidupkan.

Tombol perak, saat ditekan menunjukkan daya yang tersisa di bank kapasitor. 10 kedipan pada 4.5V dan 1 pada 2.2V. Panel surya dapat mengisi daya hingga 5V penuh dan berkedip 12 kali pada tingkat itu.

Tegangan kapasitor diatur dengan regulator 2.5V cakram hijau yang mengeluarkan kelebihan daya. Ini penting karena panel surya secara pasif mengisi kapasitor melalui dioda 10A secara langsung hingga 5.2V yang akan mengisinya secara berlebihan.

Konverter DC-DC mampu menyediakan masing-masing hingga 1A dan merupakan output tegangan konstan variabel. Menggunakan potensiometer biru di bagian atas, voltase dapat diatur ke level apa pun yang Anda butuhkan. Saya mengaturnya ke masing-masing 5.2V yang turun sekitar 0.1V di mosfet. Yang satu akan menjadi keluaran tegangan paling kecil sedikit lebih tinggi daripada yang lain dan akan menjadi cukup panas, tetapi yang lain akan menangani lonjakan daya dari Pi. Semua 4 konverter dapat menangani lonjakan daya hingga 4A dengan muatan kapasitor penuh, atau 2A dengan muatan rendah.

Konverter menarik ~2mA arus diam dengan muatan penuh.

Terlampir adalah sketsa Arduino yang saya gunakan untuk menyelesaikan ini dengan ATTiny (Banyak catatan ditambahkan). Tombol dilampirkan ke interupsi untuk menarik ATTiny dari mode tidur dan memberi daya pada Pi. Jika daya terlalu rendah, LED daya berkedip 3 kali dan ATTiny dikembalikan ke mode tidur.

Jika tombol ditekan untuk kedua kalinya, daya Pi dimatikan dan ATTiny kembali ke mode tidur sampai tombol berikutnya ditekan. Ini menggunakan beberapa ratus nano amp dalam mode tidur. ATTiny menjalankan konverter DC DC 500mA yang dapat memberikan 5V konstan dari ayunan tegangan 5V-0,7V.

Rumah daya dirancang pada TinkerCAD (seperti semua cetakan 3D lainnya) dan dicetak.

Untuk rangkaiannya, lihat skema yang digambar secara kasar.

Langkah 3: Sistem Pengisian

Charge Controller terdiri dari tiga bagian:

1. Sirkuit pengontrol yang digerakkan oleh ATTiny
2. MOSFET dan dioda (dan kipas untuk pendinginan)
3. Saya menggunakan pengisi daya dinding 5.2V 8A untuk menyalakan laptop

Sirkuit pengontrol bangun setiap 8 detik untuk memeriksa koneksi ke ground pada port pengisian daya. Jika kabel pengisian daya tersambung, kipas akan menyala dan proses pengisian daya dimulai.

Saat bank kapasitor semakin dekat dan mendekati muatan penuh, sinyal PWM yang mengendalikan MOSFET meningkat secara linier menjadi 100% ON pada 4.5V. Setelah tegangan target tercapai, sinyal PWM dimatikan (4.5V). Kemudian tunggu hingga batas bawah yang ditentukan tercapai untuk mulai mengisi daya lagi (4.3V).

Karena dioda menurunkan tegangan pengisian dari 5.2V ke ~4.6V, secara teoritis saya dapat membiarkan pengisi daya bekerja 24/7 dengan tegangan yang dibatasi sekitar 4.6-4.7V. Waktu pengisian hingga pengosongan saat atau hampir penuh adalah sekitar <1 menit pengisian dan 5 menit pengosongan.

Saat kabel pengisi daya dicabut, ATTiny akan tidur lagi.

MOSFET berasal dari Ebay. Mereka dapat digerakkan oleh sinyal PWM 5V dan masing-masing dapat menangani hingga 5A. Ini berada di jalur positif menggunakan tiga dioda schottky 10A untuk mencegah aliran balik ke pengisi daya dinding. Periksa kembali orientasi dioda SEBELUM menghubungkan ke pengisi daya dinding. Jika orientasinya salah untuk memungkinkan daya mengalir dari kapasitor ke pengisi daya dinding, pengisi daya akan menjadi sangat panas dan mungkin meleleh saat dicolokkan ke laptop.

Kipas 5V digerakkan oleh pengisi daya dinding dan mendinginkan komponen lain karena menjadi sangat panas di bawah setengah daya.

Pengisian daya menggunakan pengisi daya 5.2V 8A hanya membutuhkan waktu beberapa menit, sedangkan pengisi daya 5V 2A membutuhkan waktu lebih dari satu jam.

Sinyal PWM ke MOSFET hanya memungkinkan 6% daya melalui 1,5V atau kurang naik secara linier hingga 100% dengan muatan penuh 4,5V. Ini karena kapasitor bertindak sebagai arus pendek pada tegangan yang lebih rendah, tetapi menjadi lebih sulit secara eksponensial untuk diisi semakin dekat Anda dengan pemerataan.

Panel surya 20W menggerakkan sirkuit pengisi daya USB 5.6V 3.5A kecil. Ini memberi makan langsung melalui dioda 10A ke bank kapasitor. Regulator 2.5V menjaga kapasitor dari pengisian yang berlebihan. Yang terbaik adalah tidak meninggalkan sistem di bawah sinar matahari untuk waktu yang lama karena regulator dan sirkuit pengisi daya bisa menjadi sangat panas.

Lihat Sketsa Arduino terlampir, diagram sirkuit lain yang digambar dengan buruk dan file. STL untuk bagian cetakan 3D.

Untuk menjelaskan bagaimana rangkaian dihubungkan bersama, pengontrol muatan memiliki satu jalur untuk menguji tegangan input dari pengisi daya dan satu jalur ke pin PWM pada modul MOSFET.

Modul MOSFET dihubungkan ke sisi negatif bank kapasitor.

Sirkuit ini tidak akan mati tanpa kipas dihubungkan dari sisi negatif kapasitor ke sisi atas input pengisi daya. Karena sisi tinggi berada di belakang dioda dan MOSFET, sangat sedikit daya yang terbuang karena resistansi melebihi resistansi 40k. Kipas menarik sisi tinggi ke bawah saat pengisi daya tidak terhubung, tetapi tidak mengambil cukup arus untuk menurunkannya saat pengisi daya dicolokkan.

Langkah 4: Bank Kapasitor + Cetakan 3D Tambahan Digunakan

Kapasitor yang digunakan adalah superkapasitor 6x 2.5V @ 2300F. Mereka telah diatur dalam 2 set di seri 3 secara paralel. Ini datang ke bank 5V @ 3450F. Jika SEMUA energi dapat ditarik dari kapasitor, kapasitor dapat menyediakan daya ~11Wh atau baterai Li-ion 3.7V 2.5Ah.

Tautan ke lembar data:

Persamaan yang saya gunakan untuk menghitung kapasitansi dan selanjutnya watt jam yang tersedia:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F + 2.5V 6900F(6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5VMenggunakan 4,5V hingga 1,9V potensi yang tersedia pada kapasitor 3450F((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joule Total((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 detik = Watt jam28704 / 3600 = 7,97 Wh (daya maksimum teoretis yang tersedia)

Bank ini sangat besar. dengan tinggi 5cm x panjang 36cm x lebar 16cm. Cukup berat jika termasuk bingkai aluminium yang saya gunakan… Sekitar 5Kg atau 11lbs, tidak termasuk koper dan semua periferal lainnya.

Saya menghubungkan terminal kapasitor menggunakan konektor terminal 50A yang disolder bersama dengan kawat tembaga 12 gauge. Ini menghindari hambatan hambatan di terminal.

Menggunakan bingkai aluminium T-bar, laptop ini sangat kokoh (meskipun juga SANGAT berat). Semua komponen ditahan di tempatnya menggunakan bingkai ini. Memakan sedikit ruang di dalam laptop tanpa harus mengebor lubang di mana-mana dalam casing.

Banyak potongan cetak 3D digunakan dalam proyek ini:

• Pemegang bank kapasitor penuh
• penyangga pemegang bank kapasitor
• Pemegang kapasitor bawah
• Pemisah antara terminal kapasitor positif dan negatif
• Piring pemegang Raspberry Pi
• Penutup atas untuk sekitar keyboard dan kapasitor (hanya untuk estetika)
• Dudukan dan penutup layar AMOLED
• Pemegang papan pengontrol AMOLED
• Panduan kabel HDMI dan USB untuk menampilkan pengontrol dari Pi
• Tombol dan akses atas pelat LED untuk kontrol daya
• yang lain akan ditambahkan saat saya mencetaknya

Langkah 5: Kesimpulan

Jadi karena ini hanya proyek hobi, saya yakin ini membuktikan bahwa superkapasitor dapat digunakan untuk menyalakan laptop, tetapi mungkin tidak untuk batasan ukuran. Kepadatan daya untuk kapasitor yang digunakan dalam proyek ini lebih dari 20x lebih rapat daripada baterai Li-ion. Selain itu, bobotnya tidak masuk akal.

Yang sedang berkata, ini bisa memiliki kegunaan yang berbeda dari laptop konvensional. Sebagai contoh, saya menggunakan laptop ini sebagian besar dari pengisian solar. Ini dapat digunakan di hutan tanpa terlalu khawatir tentang pengisian dan pemakaian 'baterai' berulang kali, beberapa kali per hari. Saya telah sedikit memodifikasi sistem sejak pembuatan awal untuk memasukkan outlet 5v 4A di satu sisi kasing untuk menyalakan penerangan dan mengisi daya ponsel saat memeriksa sensor di hutan. Beratnya masih menjadi pembunuh bahu …

Karena siklus pengisian daya sangat cepat, tidak perlu khawatir kehabisan daya. Saya dapat memasangnya selama 20 menit (atau kurang tergantung pada level saat ini) di mana saja dan baik untuk digunakan selama lebih dari satu jam penggunaan intensif.

Salah satu kelemahan dari desain ini adalah terlihat sangat mencurigakan bagi orang yang lewat… Saya tidak akan mengambil ini di angkutan umum. Setidaknya tidak menggunakannya di dekat orang banyak. Saya telah diberitahu oleh beberapa teman bahwa saya seharusnya membuatnya terlihat sedikit kurang 'mengancam'.

Tapi secara keseluruhan, saya senang membangun proyek ini, dan telah belajar sedikit tentang bagaimana menerapkan teknologi superkapasitor ke proyek lain di masa depan. Juga, memasukkan semua yang ada di dalam koper adalah teka-teki 3D yang tidak terlalu membuat frustrasi, bahkan tantangan yang cukup menarik.

Jika Anda memiliki pertanyaan, beri tahu saya!