วิธีสร้างวงจรชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

คำว่าSupercapacitorsและการใช้งานที่เป็นไปได้ในยานพาหนะไฟฟ้าอุปกรณ์สมาร์ทโฟนและ IoT กำลังได้รับการพิจารณาอย่างกว้างขวางในช่วงเวลาที่ผ่านมา แต่แนวคิดของตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์นั้นย้อนกลับไปในปีพ. ศ. 2500 เมื่อ General Electric ได้ทำการทดลองครั้งแรกเพื่อเพิ่มความจุในการจัดเก็บข้อมูล ตัวเก็บประจุ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาเทคโนโลยี Super capacitor ได้รับการปรับปรุงอย่างมากจนปัจจุบันมีการใช้เป็นแบตเตอรี่สำรองธนาคารพลังงานแสงอาทิตย์และแอพพลิเคชั่นอื่น ๆ ที่ต้องการการเพิ่มพลังงานในระยะสั้น หลายคนมีความเข้าใจผิดในการพิจารณาซูเปอร์แคปแทนแบตเตอรี่ในระยะยาว แต่อย่างน้อยด้วยเทคโนโลยีซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในปัจจุบันก็ไม่มีอะไรนอกจากตัวเก็บประจุที่มีความจุประจุสูงคุณสามารถทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้จากบทความก่อนหน้าของเรา

ในบทความนี้เราจะเรียนรู้วิธีการชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ดังกล่าวอย่างปลอดภัยโดยการออกแบบวงจรเครื่องชาร์จอย่างง่ายจากนั้นใช้เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ของเราเพื่อตรวจสอบว่าการเก็บพลังงานนั้นดีเพียงใด นอกจากนี้ยังสามารถรวมตัวเก็บประจุซุปเปอร์เซลล์ของเซลล์แบตเตอรี่เพื่อสร้างตัวเก็บประจุแบตเตอรีแบตเตอรีได้วิธีการชาร์จแบตเตอรีพาวเวอร์แบงค์ของตัวเก็บประจุจะแตกต่างกันและอยู่นอกขอบเขตของบทความนี้ ที่นี่จะใช้ตัวเก็บประจุ Super-capacitor 5.5V 1F Coin ที่เรียบง่ายและหาได้ทั่วไปซึ่งมีลักษณะคล้ายกับเซลล์เหรียญ เราจะได้เรียนรู้วิธีการคิดค่าใช้จ่ายประเภทเหรียญ supercapacitor และใช้มันในการใช้งานที่เหมาะสม

การชาร์จ Super-Capacitor

เมื่อเปรียบเทียบตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์กับแบตเตอรี่อย่างคลุมเครือตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์มีความหนาแน่นของประจุต่ำและลักษณะการคายประจุเองที่แย่ลงแต่ในแง่ของเวลาในการชาร์จอายุการเก็บรักษาและวงจรการชาร์จซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีประสิทธิภาพดีกว่าแบตเตอรี่ จากการชาร์จตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถชาร์จได้ภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาทีและหากใช้งานอย่างถูกต้องก็จะสามารถใช้งานได้นานกว่าทศวรรษ

เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แล้วตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์มีค่า ESR (ความต้านทานแบบเทียบเท่า) ที่ต่ำมากซึ่งจะช่วยให้ค่าที่สูงขึ้นของกระแสไหลเข้าหรือออกจากตัวเก็บประจุทำให้สามารถชาร์จได้เร็วขึ้นหรือปล่อยด้วยกระแสไฟฟ้าสูง แต่เนื่องจากความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าสูงนี้จึงควรชาร์จและปล่อยตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์อย่างปลอดภัยเพื่อป้องกันการระบายความร้อน เมื่อพูดถึงการชาร์จซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีกฎทองสองข้อควรชาร์จตัวเก็บประจุด้วยขั้วที่ถูกต้อง และมีแรงดันไฟฟ้าไม่เกิน90% ของความจุแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในตลาดปัจจุบันมักจะได้รับการจัดอันดับเป็น 2.5V, 2.7V หรือ 5.5V เช่นเดียวกับเซลล์ลิเธียมตัวเก็บประจุเหล่านี้ต้องเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานเพื่อสร้างชุดแบตเตอรี่แรงดันสูง ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ที่ตัวเก็บประจุเมื่อเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะรวมคะแนนแรงดันไฟฟ้ารวมซึ่งกันและกันทำให้จำเป็นต้องเพิ่มตัวเก็บประจุเพิ่มเติมเพื่อสร้างชุดแบตเตอรี่ที่มีมูลค่าที่เหมาะสม ในกรณีของเราเรามีตัวเก็บประจุ 5.5V 1F ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จควรเป็น 90% ของ 5.5 ซึ่งอยู่ใกล้ 4.95V

พลังงานที่เก็บไว้ใน Super Capacitor

เมื่อใช้ตัวเก็บประจุเป็นองค์ประกอบในการจัดเก็บพลังงานเพื่อให้พลังงานแก่อุปกรณ์ของเราสิ่งสำคัญคือต้องกำหนดพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเพื่อคาดการณ์ว่าอุปกรณ์จะขับเคลื่อนได้นานเพียงใด สูตรในการคำนวณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุจะได้รับทาง E = 1 / 2CV 2 ดังนั้นในกรณีของเราสำหรับตัวเก็บประจุ 5.5V 1F เมื่อชาร์จเต็มแล้วพลังงานที่เก็บไว้จะเป็น

E = (1/2) * 1 * 5.5 ² E = 15 จูล

ตอนนี้ใช้ค่านี้เราสามารถคำนวณระยะเวลาที่ตัวเก็บประจุสามารถจ่ายพลังงานให้กับสิ่งต่างๆได้เช่นถ้าเราต้องการ 500mA ที่ 5V เป็นเวลา 10 วินาที แล้วพลังงานที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์นี้สามารถคำนวณโดยใช้สูตรพลังงานไฟฟ้า = x เวลา ที่นี่กำลังคำนวณโดยP = VIดังนั้นสำหรับกำลังไฟ 500mA และ 5V คือ 2.5 วัตต์

พลังงาน = 2.5 x (10/60 * 60) พลังงาน = 0.00694 วัตต์ - ชั่วโมงหรือ 25 จูล

จากสิ่งนี้เราสามารถสรุปได้ว่าเราจะต้องใช้ตัวเก็บประจุเหล่านี้อย่างน้อยสองตัวแบบขนาน (15 + 15 = 30) เพื่อให้ได้ชุดไฟ 30 จูลซึ่งจะเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้อุปกรณ์ของเราเป็นเวลา 10 วินาที

การระบุขั้วของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

เมื่อพูดถึงตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่เราควรระมัดระวังขั้วของมันให้มาก ตัวเก็บประจุที่มีขั้วผกผันมักจะร้อนและละลายและบางครั้งก็ระเบิดในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด ตัวเก็บประจุที่เรามีเป็นประเภทเหรียญขั้วซึ่งระบุด้วยลูกศรสีขาวขนาดเล็กดังที่แสดงด้านล่าง

ฉันคิดว่าทิศทางของลูกศรแสดงทิศทางของกระแสคุณสามารถคิดได้ว่ากระแสจะไหลจากด้านบวกไปเป็นลบเสมอดังนั้นลูกศรจึงเริ่มจากด้านบวกและชี้ไปทางด้านลบ เมื่อคุณทราบขั้วและหากคุณอยากจะชาร์จมันคุณสามารถใช้ RPS ตั้งค่าเป็น 5.5V (หรือ 4.95V เพื่อความปลอดภัย) จากนั้นเชื่อมต่อขั้วบวกของ RPS กับขาบวกและขั้วลบกับขาลบและ คุณควรเห็นตัวเก็บประจุถูกชาร์จ

จากการจัดอันดับปัจจุบันของ RPS คุณสามารถสังเกตได้ว่าตัวเก็บประจุถูกชาร์จภายในไม่กี่วินาทีและเมื่อถึง 5.5V มันจะหยุดวาดกระแสอีกต่อไป ตอนนี้ตัวเก็บประจุที่ชาร์จเต็มแล้วนี้สามารถใช้ในแอพพลิเคชั่นที่เหมาะสมก่อนที่จะปล่อยออกมาเอง

แทนที่จะใช้ RPS ในบทช่วยสอนนี้เราจะสร้างเครื่องชาร์จที่ควบคุม 5.5V ในรูปแบบอะแดปเตอร์ 12V และใช้เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะถูกตรวจสอบโดยใช้ตัวเปรียบเทียบ op-amp และเมื่อชาร์จตัวเก็บประจุแล้ววงจรจะตัดการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุซุปเปอร์จากแหล่งจ่ายแรงดันโดยอัตโนมัติ ฟังดูน่าสนใจงั้นมาเริ่มกันเลย

วัสดุที่จำเป็น

• อะแดปเตอร์ 12V
• LM317 IC ควบคุมแรงดันไฟฟ้า
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP ทรานซิสเตอร์
• LED
• ตัวต้านทาน
• คาปาซิเตอร์

แผนภูมิวงจรรวม

แผนภาพวงจรที่สมบูรณ์สำหรับ Supercapacitor Charger Circuit แสดงไว้ด้านล่าง วงจรถูกวาดโดยใช้ซอฟต์แวร์ Proteus การจำลองแบบเดียวกันจะแสดงในภายหลัง

วงจรใช้พลังงานจากอะแดปเตอร์ 12V; จากนั้นเราใช้ LM317 เพื่อควบคุม 5.5V เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุของเรา แต่ 5.5V นี้จะถูกจ่ายให้กับตัวเก็บประจุผ่าน MOSFET ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ สวิตช์นี้จะปิดก็ต่อเมื่อแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุมีค่าน้อยกว่า 4.86V เนื่องจากตัวเก็บประจุได้รับประจุและแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นสวิตช์จะเปิดและป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ชาร์จต่อไป การเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้านี้ทำได้โดยใช้ op-amp และเรายังใช้ทรานซิสเตอร์ BC557 PNP เพื่อเรืองแสง LED เมื่อกระบวนการชาร์จเสร็จสมบูรณ์ แผนภาพวงจรที่แสดงด้านบนแบ่งออกเป็นส่วนต่างๆด้านล่างเพื่ออธิบาย

LM317 การควบคุมแรงดันไฟฟ้า:

ตัวต้านทาน R1 และ R2 ใช้เพื่อกำหนดแรงดันไฟฟ้าขาออกของ LM317 Regulator ตามสูตร Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1) ที่นี่เราใช้ค่า 1k และ 3.3k เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต 5.3V ซึ่งใกล้พอที่ 5.5V คุณสามารถใช้เครื่องคำนวณออนไลน์ของเราเพื่อคำนวณแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต้องการตามค่าตัวต้านทานที่มีให้คุณ

ตัวเปรียบเทียบ Op-Amp:

เราได้ใช้ IC เปรียบเทียบ LM311 เพื่อเปรียบเทียบค่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุซุปเปอร์กับแรงดันไฟฟ้าคงที่ แรงดันไฟฟ้าคงที่นี้มีไว้สำหรับพินหมายเลข 2 โดยใช้วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า ตัวต้านทาน 2.2k และ 1.5k ปล่อยแรงดันไฟฟ้า 4.86V ในรูปแบบ 12V 4.86 โวลต์นี้ถูกเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง (แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ) ซึ่งเชื่อมต่อกับพิน 3 เมื่อแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงน้อยกว่า 4.86V ขาเอาต์พุต 7 จะสูงขึ้นด้วย 12V พร้อมกับตัวต้านทานแบบดึงขึ้น 10k จากนั้นแรงดันไฟฟ้านี้จะถูกใช้เพื่อขับเคลื่อน MOSFET

MOSFET และ BC557:

MOSFET IRFZ44Nจะใช้ในการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุซุปเปอร์ชาร์จแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสัญญาณจากสหกรณ์แอมป์ เมื่อ op-amp สูงขึ้นมันจะส่งสัญญาณออก 12V ที่พิน 7 ซึ่งจะเปิด MOSFET ผ่านพินฐานในทำนองเดียวกันเมื่อ op-amp ไปต่ำ (0V) MOSFET จะเปิดขึ้น นอกจากนี้เรายังมีทรานซิสเตอร์ PNP BC557ซึ่งจะเปิด LED เมื่อ MOSFET ดับแสดงว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุมากกว่า 4.8V

การจำลองวงจร Supercapacitor Charger

ในการจำลองวงจรฉันได้เปลี่ยนแบตเตอรี่ด้วยตัวต้านทานแบบแปรผันเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าแปรผันไปที่ขา 3 ของ op-amp Super capacitor จะถูกแทนที่ด้วย LED เพื่อแสดงว่ามันขับเคลื่อนหรือไม่ ผลการจำลองสามารถพบได้ด้านล่าง

อย่างที่คุณเห็นว่าใช้หัววัดแรงดันไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขากลับด้านต่ำกว่าพินที่ไม่กลับหัว op-amp จะสูงด้วย 12V ที่พิน 7 ซึ่งจะเปิด MOSFET และชาร์จตัวเก็บประจุ (LED สีเหลือง) 12V นี้ยังกระตุ้นให้ทรานซิสเตอร์ BC557 ปิดไฟ LED สีเขียว เมื่อแรงดันไฟฟ้าของ Capacitor (โพเทนชิออมิเตอร์) เพิ่มขึ้น LED สีเขียวจะเปิดขึ้นเนื่องจาก op-amp จะส่งออก 0V ดังที่แสดงด้านบน

Supercapacitor Charger บนฮาร์ดแวร์

วงจรค่อนข้างเรียบง่ายและสามารถสร้างบนเขียงหั่นขนม แต่ฉันตัดสินใจใช้บอร์ด Perf เพื่อที่ฉันจะสามารถนำวงจรกลับมาใช้ใหม่ได้ในอนาคตในทุกๆครั้งที่พยายามชาร์จตัวเก็บประจุซุปเปอร์ของฉัน ฉันตั้งใจที่จะใช้มันร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์สำหรับโครงการพกพาดังนั้นจึงพยายามสร้างให้เล็กและแข็งที่สุด ฉันครบวงจรบัดกรีครั้งเดียวในคณะกรรมการประแสดงอยู่ด้านล่าง

แท่งเบอร์กตัวเมียสองตัวสามารถเคาะได้โดยใช้หมุดจระเข้เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ ไฟ LED สีเหลืองบ่งบอกถึงอำนาจในการโมดูลและไฟ LED สีฟ้าแสดงสถานะของการชาร์จ เมื่อขั้นตอนการชาร์จเสร็จสิ้นไฟ LED จะสว่างขึ้นอื่น ๆ จะยังคงดับอยู่ เมื่อวงจรพร้อมแล้วให้เชื่อมต่อตัวเก็บประจุและคุณจะเห็นไฟ LED สีน้ำเงินดับลงและหลังจากนั้นสักครู่ไฟจะสูงขึ้นอีกครั้งเพื่อแสดงว่ากระบวนการชาร์จเสร็จสมบูรณ์ คุณสามารถดูบอร์ดในสถานะการชาร์จและการชาร์จด้านล่าง

การทำงานทั้งหมดสามารถพบได้ในวิดีโอที่ให้ไว้ที่ด้านล่างของหน้านี้หากคุณมีปัญหาใด ๆ ในการดำเนินการนี้ให้โพสต์ไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมของเราสำหรับคำถามทางเทคนิคอื่น ๆ

การปรับปรุงการออกแบบ

การออกแบบวงจรที่ให้ไว้นี้เป็นแบบหยาบและใช้งานได้ตามวัตถุประสงค์ การปรับปรุงที่จำเป็นบางประการที่ฉันสังเกตเห็นหลังจากการสร้างจะกล่าวถึงที่นี่ BC557 ร้อนเนื่องจาก 12V ที่ฐานและตัวปล่อยดังนั้นจึงควรใช้ไดโอดไฟฟ้าแรงสูงแทน BC557

ประการที่สองเมื่อตัวเก็บประจุชาร์จตัวเปรียบเทียบแรงดันจะวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า แต่เมื่อ MOSFET ปิดหลังจากชาร์จแล้ว op-amp จะรับรู้แรงดันไฟฟ้าต่ำและเปิด FET อีกครั้งกระบวนการนี้จะทำซ้ำสองสามครั้งก่อนที่ op-amp จะปิดสนิท วงจรล็อคบนเอาต์พุต op-amp จะช่วยแก้ปัญหาได้