UPS فوق خازن: 6 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

برای یک پروژه ، از من خواسته شد تا یک سیستم قدرت پشتیبان برنامه ریزی کنم که بتواند میکروکنترلر را حدود 10 ثانیه پس از قطع برق کار کند. ایده این است که در طول این 10 ثانیه کنترل کننده زمان کافی برای انجام این کار را دارد

• هر کاری که انجام می دهد را متوقف کنید
• حالت فعلی را در حافظه ذخیره کنید
• ارسال پیام قطع برق (اینترنت اشیا)
• خود را به حالت آماده به کار تبدیل می کند و منتظر قطع برق است

عملکرد عادی تنها پس از راه اندازی مجدد شروع می شود. هنوز برنامه ریزی هایی وجود دارد که اگر در این 10 ثانیه برق بازگردد ، این روش چگونه باشد. با این حال ، وظیفه من تمرکز بر منبع تغذیه بود.

ساده ترین راه حل می تواند استفاده از UPS خارجی یا مواردی از این قبیل باشد. بدیهی است که چنین نیست و ما به چیزی بسیار ارزان تر و کوچکتر نیاز داشتیم. راه حل های دیگر استفاده از باتری یا خازن فوق العاده است. دقیقاً در طول فرایند ارزیابی ، یک ویدیوی YouTube خوب در مورد موضوعات مشابه دیدم: پیوند.

پس از برخی ملاحظات ، مدار فوق خازن به عنوان بهترین راه حل برای ما به نظر می رسید. کمی کوچکتر از باتری است (ما می خواهیم از قطعات بسیار پرکاربرد استفاده کنیم ، اگرچه من شخصاً مطمئن نیستم که دلیل اندازه در واقع درست است) ، به قطعات کمتری نیاز دارد (یعنی ارزان تر است) و مهمتر از همه- بسیار بهتر به نظر می رسد از یک باتری (پیامدهای کار با غیر مهندسین).

یک مجموعه آزمایشی برای آزمایش نظریه و کنترل اینکه آیا سیستم های شارژ فوق خازن آنطور که باید کار می کند ، ساخته شد.

این دستورالعمل بیشتر از آنچه انجام شده نشان می دهد تا نحوه انجام آن را توضیح دهد.

مرحله 1: توضیحات سیستم

معماری سیستم در شکل قابل مشاهده است. ابتدا ، 230VAC به 24VDC تبدیل می شود که به 5VDC تبدیل می شود و در نهایت مدار میکروکنترلر با 3.3V کار می کند. در حالت ایده آل ، می توان قطع برق را در سطح شبکه (230VAC) تشخیص داد. متأسفانه ما قادر به انجام این کار نیستیم. بنابراین ، ما باید بررسی کنیم که آیا برق هنوز در 24VDC وجود دارد یا خیر. مانند این ، نمی توان از خازن های ذخیره منبع تغذیه AC/DC استفاده کرد. میکروکنترلر و سایر قطعات الکترونیکی مهم در 3.3V قرار دارند. تصمیم گرفته شده است که در مورد ما راه آهن 5 ولت بهترین مکان برای افزودن خازن فوق العاده است. هنگامی که ولتاژ خازن به آرامی در حال کاهش است ، میکروکنترلر هنوز می تواند در 3.3 ولت کار کند.

الزامات:

• جریان ثابت - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• حداقل ولتاژ (حداقل ولتاژ مجاز @ 5V ریل) - فروش = 3.0V
• حداقل زمان خازن برای پوشش - T = 10 ثانیه

چندین IC مخصوص شارژ فوق العاده خازن موجود است که می تواند خازن را بسیار سریع شارژ کند. در مورد ما ، زمان شارژ مهم نیست. بنابراین ، ساده ترین مدار مقاومت دیودی کافی است. این مدار ساده و ارزان است و دارای اشکالاتی است. مسئله زمان شارژ قبلاً ذکر شد. با این حال ، اشکال اصلی این است که خازن به ولتاژ کامل خود شارژ نمی شود (افت ولتاژ دیود). با این وجود ، ولتاژ پایین تر می تواند جنبه های مثبتی را برای ما به ارمغان بیاورد.

در منحنی طول عمر مورد انتظار از برگه اطلاعات سری AVX (پیوند) می توانید طول عمر مورد انتظار را در مقابل دمای کارکرد و ولتاژ اعمال شده مشاهده کنید. اگر خازن مقدار ولتاژ کمتری داشته باشد ، طول عمر مورد انتظار افزایش می یابد. این می تواند برای استفاده از خازن ولتاژ پایین مفید باشد. این هنوز باید روشن شود.

همانطور که در اندازه گیری ها نشان داده می شود ولتاژ کار خازن در حدود 4.6V-4.7V-80٪ Vrated است.

مرحله 2: آزمایش مدار

پس از ارزیابی ، خازن های AVX برای آزمایش انتخاب شده اند. نمونه های آزمایش شده برای ولتاژ 6 ولت هستند. این در واقع بسیار نزدیک به ارزشی است که ما قصد داریم از آن استفاده کنیم. با این وجود ، برای اهداف آزمایش کافی است. سه مقدار خازن مختلف مورد آزمایش قرار گرفت: 1F ، 2.5F و 5F (2x 2.5F به صورت موازی). رتبه بندی خازن ها به شرح زیر است

• دقت ظرفیت - 0٪ +100٪
• ولتاژ نامی - 6 ولت

• بخش تولید کننده شماره -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• مادام العمر - 2000 ساعت در 65 درجه سانتی گراد

به منظور مطابقت ولتاژ خروجی با ولتاژ خازن از حداقل دیودهای ولتاژ رو به جلو استفاده می شود. در آزمایش دیودهای VdiodeF2 = 0.22V همراه با دیودهای جریان بالا با VdiodeF1 = 0.5V پیاده سازی می شوند.

IC ساده مبدل DC-DC LM2596 استفاده می شود. این IC بسیار قوی است و انعطاف پذیری را امکان پذیر می کند. برای آزمایش بارهای مختلف برنامه ریزی شده بود: بارهای مقاومتی عمدتا متفاوت.

دو مقاومت موازی 3.09kΩ موازی با خازن فوق العاده برای ثبات ولتاژ مورد نیاز است. در مدار آزمایش ، خازن های فوق العاده از طریق سوئیچ ها متصل می شوند و اگر هیچ یک از خازن ها وصل نباشند ، ولتاژ می تواند بیش از حد بالا باشد. برای محافظت از خازنها یک دیود زنر 5.1 ولت به موازات آنها قرار داده شده است.

برای بار ، مقاومت 8.1kΩ و LED مقداری بار را تأمین می کنند. توجه شد که شرایط بدون بار ولتاژ می تواند بالاتر از مقدار مورد نظر باشد. دیودها می توانند باعث برخی رفتارهای غیر منتظره شوند.

مرحله 3: محاسبات نظری

مفروضات:

• جریان ثابت - Iconst = 0.5A
• قطع برق Vout @ - Vout = 5.0V
• ولتاژ شارژ خازن قبل از دیودها - Vin55 = Vout + Vdiode F1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• ولتاژ شروع (قطع برق Vcap @) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• قطع برق Vout @ - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• حداقل Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• حداقل زمان خازن برای پوشش - T = 10 ثانیه

زمان شارژ خازن (نظری): شارژ = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

برای خازن 1F R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 + است؟ + = 27 اهم

اگر C = 1.0F ، شارژ = 135 ثانیه = 2.5 دقیقه

اگر C = 2.5F ، Tcharging = 337 ثانیه = 5.7 دقیقه

اگر C = 5.0F ، شارژ = 675 ثانیه = 11 دقیقه

از مفروضات ، می توانیم فرض کنیم که قدرت ثابت تقریباً.: W = I * V = 2.5W

در یک خازن می توان مقدار مشخصی از انرژی را ذخیره کرد: W = 0.5 * C * V^2

با استفاده از این فرمول ، ظرفیت را می توان محاسبه کرد:

• من می خواهم x وات را برای t ثانیه بکشم ، چقدر ظرفیت نیاز دارم (پیوند)؟ C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• من می خواهم x آمپر را برای t ثانیه بکشم ، چقدر ظرفیت نیاز دارم؟ C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

اگر مقدار خازن را 5F انتخاب کنیم:

• مدت زمان لازم برای شارژ/تخلیه این خازن با جریان ثابت (پیوند) چیست؟ Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 ثانیه
• مدت زمان لازم برای شارژ/تخلیه این خازن با توان ثابت (W) چیست؟ Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 ثانیه

در صورت استفاده از Rcharge = 25 اهم ، جریان شارژ می شود

و زمان شارژ تقریبا: شارژ = 625 ثانیه = 10.5 دقیقه

مرحله 4: اندازه گیری های عملی

تنظیمات مختلف و مقادیر خازنی مورد آزمایش قرار گرفت. برای ساده سازی آزمایش ، یک مجموعه تست کنترل شده آردوینو ساخته شد. نمودارها در شکل های قبلی نشان داده شده است.

سه ولتاژ مختلف اندازه گیری شد و نتایج نسبتاً خوبی با نظریه مطابقت داشت. از آنجا که جریانهای بار بسیار کمتر از درجه دیود هستند ، افت ولتاژ رو به جلو کمی کمتر است. با این وجود ، همانطور که مشاهده می شود ولتاژ فوق خازن اندازه گیری شده دقیقاً با محاسبات نظری مطابقت دارد.

در شکل زیر می توانید اندازه گیری معمولی با خازن 2.5F را مشاهده کنید. زمان شارژ با ارزش نظری 340 ثانیه به خوبی مطابقت دارد. پس از 100 ثانیه دیگر ولتاژ خازن فقط 0.03 ولت دیگر افزایش یافته است ، به این معنی که تفاوت ناچیز است و در محدوده خطای اندازه گیری است.

در شکل otehr ، می توان دید که پس از قطع برق ، ولتاژ خروجی Vout VdiodeF2 کوچکتر از ولتاژ خازن Vcap است. تفاوت dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V است.

خلاصه ای از زمان های اندازه گیری شده را می توانید در جدول پیوست مشاهده کنید. همانطور که مشاهده می شود نتایج دقیقاً با محاسبات نظری مطابقت ندارد. زمانهای اندازه گیری شده بیشتر از زمانهای محاسبه شده بهتر است ، بدین معنی که برخی از انگلهای حاصله در محاسبات در نظر گرفته نشده اند. هنگام مشاهده مدار ساخته شده ، می توانید متوجه شوید که چندین نقطه اتصال به خوبی مشخص نشده است. علاوه بر این ، محاسبات رفتار بار را به خوبی در نظر نمی گیرند - هنگامی که ولتاژ کاهش می یابد ، جریان کاهش می یابد. با این وجود ، نتایج امیدوار کننده است و در محدوده مورد انتظار است.

مرحله 5: برخی از امکانات بهبود

در صورت استفاده از مبدل تقویت کننده به جای دیود پس از خازن فوق العاده ، می توان زمان کارکرد را بهبود بخشید. ما این را در نظر گرفته ایم ، با این وجود قیمت بالاتر از یک دیود ساده است.

شارژ خازن فوق العاده از طریق دیود (در مورد من دو دیود) به معنی افت ولتاژ است و اگر از IC مخصوص شارژ خازن مخصوص استفاده شود ، می توان آن را برطرف کرد. باز هم ، قیمت اصلی ترین نگرانی است.

از طرف دیگر ، می توان از سوئیچ های بلند بالا به همراه یک سوئیچ PNP استفاده کرد. راه حل احتمالی سریع در موارد زیر قابل مشاهده است. تمام سوئیچ ها از طریق یک دیود زنر که از ورودی 24 ولت تغذیه می شود ، کنترل می شوند. اگر ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ زنر دیود باشد ، کلید PNP روشن می شود و سایر کلیدهای سمت بالا خاموش می شوند. این مدار آزمایش نشده است و به احتمال زیاد به اجزای اضافی (منفعل) نیاز دارد.

مرحله 6: نتیجه گیری

اندازه گیری ها کاملاً با محاسبات مطابقت دارد. نشان می دهد که می توان از محاسبات نظری استفاده کرد-تعجب-شگفتی. در مورد خاص ما ، کمی بیشتر از 2.5F خازن برای تأمین مقدار کافی انرژی در بازه زمانی مورد نیاز است.

مهمتر از همه ، مدار شارژ خازن مطابق انتظار کار می کند. مدار ساده ، ارزان و کافی است. برخی از معایب ذکر شده وجود دارد ، اما قیمت پایین و سادگی آن را جبران می کند.

امیدوارم این خلاصه کوچک برای کسی مفید باشد.