UPS Super Kapasitor: 6 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Untuk sebuah proyek, saya diminta untuk merencanakan sistem daya cadangan yang dapat menjaga mikrokontroler tetap berjalan sekitar 10 detik setelah listrik padam. Idenya adalah bahwa selama 10 detik ini pengontrol memiliki cukup waktu untuk

• Hentikan apapun yang dilakukannya
• Simpan status saat ini ke memori
• Kirim pesan kehilangan daya (IoT)
• Mengubah dirinya sendiri ke mode siaga dan menunggu hilangnya daya

Operasi normal dimulai hanya setelah restart. Masih ada beberapa perencanaan yang diperlukan apa yang bisa menjadi prosedur jika listrik kembali selama 10 detik ini. Namun, tugas saya adalah fokus pada catu daya.

Solusi paling sederhana bisa menggunakan UPS eksternal atau semacamnya. Jelas, bukan itu masalahnya dan kami membutuhkan sesuatu yang jauh lebih murah dan lebih kecil. Solusi yang tersisa adalah menggunakan baterai atau kapasitor super. Tepat selama proses evaluasi, saya melihat video YouTube yang bagus tentang topik serupa: Tautan.

Setelah beberapa pertimbangan, rangkaian kapasitor super terdengar sebagai solusi terbaik bagi kami. Ini sedikit lebih kecil dari baterai (kami ingin menggunakan komponen yang sangat banyak digunakan, meskipun saya pribadi tidak yakin apakah alasan ukuran sebenarnya benar), membutuhkan lebih sedikit komponen (artinya- lebih murah) dan yang paling penting- kedengarannya jauh lebih baik daripada baterai (konsekuensi bekerja dengan non-insinyur).

Pengaturan pengujian dibuat untuk menguji teori dan untuk mengontrol apakah sistem pengisian kapasitor super berfungsi sebagaimana mestinya.

Instruksi ini menunjukkan lebih banyak apa yang telah dilakukan daripada menjelaskan bagaimana melakukannya.

Langkah 1: Deskripsi Sistem

Arsitektur sistem dapat dilihat pada gambar. Pertama, 230VAC diubah menjadi 24VDC menjadi 5VDC dan pada akhirnya rangkaian mikrokontroler berjalan pada 3.3V. Dalam kasus yang ideal, seseorang dapat mendeteksi kegagalan daya pada tingkat jaringan (230VAC). Sayangnya, kami tidak dapat melakukan itu. Oleh karena itu, kita harus memeriksa apakah daya masih ada di 24VDC. Seperti ini, seseorang tidak dapat menggunakan kapasitor penyimpanan catu daya AC/DC. Mikrokontroler dan semua elektronik penting lainnya berada di 3.3V. Telah diputuskan bahwa dalam kasus kami, rel 5V adalah tempat terbaik untuk menambahkan kapasitor super. Ketika tegangan kapasitor perlahan meluruh, mikrokontroler masih dapat bekerja pada tegangan 3.3V.

Persyaratan:

• Arus konstan – Ikon = 0,5 A (@ 5.0V)
• Tegangan minimum (tegangan minimum yang diizinkan @ rel 5V) – Vend = 3.0V
• Waktu minimum yang harus ditempuh kapasitor – T = 10 detik

Ada beberapa IC pengisian kapasitor super khusus yang tersedia yang dapat mengisi kapasitor dengan sangat cepat. Dalam kasus kami, waktu pengisian tidak kritis. Dengan demikian, rangkaian dioda-resistor yang paling sederhana sudah cukup. Rangkaian ini sederhana dan murah dengan beberapa kekurangan. Masalah waktu pengisian sudah disebutkan. Namun, kelemahan utamanya adalah kapasitor tidak terisi tegangan penuh (diode voltage drop). Namun demikian, tegangan yang lebih rendah dapat membawa kita beberapa sisi positif juga.

Dalam kurva masa pakai kapasitor Super yang diharapkan dari lembar data Seri AVX SCM (tautan) gambar orang dapat melihat masa pakai yang diharapkan versus suhu operasi dan tegangan yang diterapkan. Jika kapasitor memiliki nilai tegangan yang lebih rendah, masa pakai yang diharapkan meningkat. Itu bisa bermanfaat karena kapasitor tegangan rendah dapat digunakan. Itu masih perlu diklarifikasi.

Seperti yang akan ditunjukkan dalam pengukuran tegangan operasi kapasitor akan menjadi sekitar 4.6V-4.7V – 80% Vrated.

Langkah 2: Sirkuit Uji

Setelah beberapa evaluasi, kapasitor super AVX telah dipilih untuk pengujian. Yang diuji dinilai untuk 6V. Itu sebenarnya terlalu dekat dengan nilai yang kami rencanakan untuk digunakan. Namun demikian, untuk tujuan pengujian itu sudah cukup. Tiga nilai kapasitansi yang berbeda diuji: 1F, 2.5F dan 5F (2x 2.5F secara paralel). Peringkat kapasitor adalah sebagai berikut:

• Akurasi kapasitansi – 0% +100%
• Nilai tegangan – 6V

• Bagian produsen nr -

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Seumur Hidup – 2000 Jam @ 65 °C

Untuk mencocokkan tegangan keluaran dengan tegangan kapasitor, dioda tegangan maju minimal digunakan. Dalam pengujian VdiodeF2 = 0.22V dioda diimplementasikan bersama dengan dioda arus tinggi dengan VdiodeF1 = 0.5V.

IC konverter DC-DC LM2596 sederhana digunakan. Itu adalah IC yang sangat kuat dan memungkinkan fleksibilitas. Untuk pengujian beban yang berbeda direncanakan: beban resistif terutama berbeda.

Dua resistor paralel 3.09kΩ paralel dengan kapasitor super diperlukan untuk stabilitas tegangan. Dalam rangkaian uji kapasitor super dihubungkan melalui sakelar dan jika tidak ada kapasitor yang terhubung, tegangannya bisa terlalu tinggi. Untuk melindungi kapasitor, dioda Zener 5.1V ditempatkan sejajar dengan mereka.

Untuk beban, resistor 8.1kΩ dan LED menyediakan beberapa beban. Diperhatikan bahwa kondisi tanpa beban tegangan bisa lebih tinggi dari yang diinginkan. Dioda dapat menyebabkan beberapa perilaku yang tidak terduga.

Langkah 3: Perhitungan Teoretis

Asumsi:

• Arus konstan – Ikon = 0,5A
• Vout @ kegagalan daya – Vout = 5.0V
• Tegangan pengisian kapasitor sebelum dioda – Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Tegangan awal (Vcap @ kegagalan daya) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ kegagalan daya – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Vcap Minimum – Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Waktu minimum yang harus ditempuh kapasitor – T = 10 detik

Waktu untuk mengisi kapasitor (teoretis): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdioda + Rkoneksi

Untuk kapasitor 1F adalah R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 + ? + ? = 27ohm

Jika C=1.0F, Tcharging = 135 detik = 2.5 menit

Jika C=2.5F, Tcharging = 337 detik = 5,7 menit

Jika C=5.0F, Tcharging = 675 detik = 11 menit

Dari asumsi, kita dapat mengasumsikan bahwa rating daya konstan adalah kira-kira.: W = I * V = 2.5W

Dalam kapasitor, seseorang dapat menyimpan sejumlah energi: W = 0,5 * C * V^2

Dari rumus ini, kapasitansi dapat dihitung:

• Saya ingin menggambar x Watt selama t Detik, berapa kapasitansi yang saya butuhkan (Link)?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Saya ingin menggambar x Amp selama t Detik, berapa kapasitansi yang saya butuhkan? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Jika kita memilih nilai kapasitor menjadi 5F:

• Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi/mengosongkan kapasitor ini dengan arus konstan (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 detik
• Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi/mengosongkan kapasitor ini dengan daya konstan (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 detik

Jika menggunakan muatan R = 25ohm, arus pengisian akan menjadi

Dan waktu pengisian daya kira-kira: Tcharging = 625 detik = 10,5 menit

Langkah 4: Pengukuran Praktis

Konfigurasi yang berbeda dan nilai kapasitansi diuji. Untuk menyederhanakan pengujian, pengaturan pengujian terkontrol Arduino dibangun. Skema ditunjukkan pada gambar sebelumnya.

Tiga voltase berbeda diukur dan hasilnya relatif sesuai dengan teori. Karena arus beban jauh lebih rendah daripada peringkat dioda, penurunan tegangan maju sedikit lebih rendah. Namun demikian, seperti yang dapat dilihat tegangan kapasitor super yang diukur sama persis dengan perhitungan teoritis.

Pada gambar berikut, seseorang dapat melihat pengukuran tipikal dengan kapasitor 2.5F. Waktu pengisian sesuai dengan nilai teoretis 340 detik. Setelah 100 detik tambahan, tegangan kapasitor hanya naik 0,03V tambahan, yang berarti perbedaannya dapat diabaikan dan dalam rentang kesalahan pengukuran.

Pada gambar lain, dapat dilihat bahwa setelah listrik padam tegangan keluaran Vout adalah VdiodeF2 lebih kecil dari tegangan kapasitor Vcap. Perbedaannya adalah dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Rangkuman waktu terukur dapat dilihat pada tabel terlampir. Seperti yang dapat dilihat, hasilnya tidak sesuai dengan perhitungan teoritis. Waktu yang diukur sebagian besar lebih baik daripada yang dihitung, artinya beberapa parasit yang dihasilkan tidak dipertimbangkan dalam perhitungan. Saat melihat sirkuit yang dibangun, orang dapat melihat bahwa ada beberapa titik koneksi yang tidak terdefinisi dengan baik. Selain itu, perhitungan tidak mempertimbangkan dengan baik perilaku beban – ketika tegangan turun, arus turun. Namun demikian, hasilnya menjanjikan dan berada dalam kisaran yang diharapkan.

Langkah 5: Beberapa Kemungkinan Peningkatan

Seseorang dapat meningkatkan waktu pengoperasian jika menggunakan konverter boost sebagai ganti dioda setelah kapasitor super. Kami telah mempertimbangkan itu, namun harganya lebih tinggi daripada dioda sederhana.

Mengisi kapasitor super melalui dioda (dalam kasus saya dua dioda) berarti penurunan tegangan dan itu dapat dihilangkan jika IC pengisian kapasitor khusus digunakan. Sekali lagi, harga menjadi perhatian utama.

Atau, sakelar sisi tinggi dapat digunakan bersama dengan sakelar PNP. Solusi yang mungkin dipikirkan dengan cepat dapat dilihat di bawah ini. Semua sakelar dikendalikan melalui dioda zener yang ditenagai dari input 24V. Jika tegangan input turun di bawah tegangan dioda zener, sakelar PNP menjadi ON dan sakelar sisi tinggi lainnya OFF. Sirkuit ini tidak diuji dan kemungkinan besar memerlukan beberapa komponen tambahan (pasif).

Langkah 6: Kesimpulan

Pengukuran cukup cocok dengan perhitungan. Menunjukkan bahwa perhitungan teoretis dapat digunakan – kejutan-kejutan. Dalam kasus khusus kami, diperlukan sedikit lebih dari 2.5F kapasitor untuk menyediakan jumlah energi yang cukup untuk periode waktu tertentu.

Yang terpenting, rangkaian pengisian kapasitor bekerja sesuai harapan. Rangkaiannya sederhana, murah dan memadai. Ada beberapa kelemahan yang disebutkan, namun, harga rendah dan kesederhanaan mengkompensasi itu.

Semoga ringkasan kecil ini dapat bermanfaat bagi seseorang.