Super condensatore UPS: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Per un progetto, mi è stato chiesto di pianificare un sistema di alimentazione di backup in grado di mantenere in funzione il microcontrollore circa 10 secondi dopo l'interruzione dell'alimentazione. L'idea è che durante questi 10 secondi il controller abbia abbastanza tempo per

• Interrompi qualunque cosa stia facendo
• Salva lo stato corrente nella memoria
• Invia il messaggio di perdita di alimentazione (IoT)
• Si porta in modalità standby e attende la perdita di potenza

Il normale funzionamento inizia solo dopo un riavvio. C'è ancora bisogno di pianificare quale potrebbe essere la procedura se l'alimentazione ritorna durante questi 10 secondi. Tuttavia, il mio compito era concentrarmi sull'alimentazione.

La soluzione più semplice potrebbe essere l'utilizzo di un UPS esterno o qualcosa del genere. Ovviamente non è così e avevamo bisogno di qualcosa di molto più economico e più piccolo. Le restanti soluzioni utilizzano una batteria o un super condensatore. Esattamente durante il processo di valutazione, ho visto un bel video di YouTube su un argomento simile: Link.

Dopo alcune considerazioni, il circuito a supercondensatore ci è sembrato la soluzione migliore. È leggermente più piccolo della batteria (vogliamo utilizzare componenti molto utilizzati, anche se personalmente non sono sicuro che il motivo delle dimensioni sia effettivamente vero), richiede meno componenti (il che significa che è più economico) e, cosa più importante, suona molto meglio di una batteria (conseguenze del lavoro con non tecnici).

È stata creata una configurazione di prova per testare la teoria e per controllare se i sistemi di carica dei supercondensatori funzionano come dovrebbero.

Questo Instructable mostra più cosa è stato fatto piuttosto che spiegare come farlo.

Passaggio 1: la descrizione del sistema

L'architettura del sistema è visibile nella figura. Innanzitutto, la 230 V CA viene convertita in 24 V CC che in 5 V CC e alla fine il circuito del microcontrollore funziona a 3,3 V. Nel caso ideale, si potrebbe rilevare la mancanza di alimentazione già a livello di rete (230VAC). Sfortunatamente, non siamo in grado di farlo. Pertanto, dobbiamo verificare se l'alimentazione è ancora presente a 24VDC. In questo modo, non è possibile utilizzare i condensatori di stoccaggio dell'alimentatore AC/DC. Il microcontrollore e tutta l'altra elettronica importante sono a 3,3V. È stato deciso che nel nostro caso la linea 5V è il posto migliore per aggiungere il super condensatore. Quando la tensione del condensatore diminuisce lentamente, il microcontrollore può ancora funzionare a 3,3 V.

Requisiti:

• Corrente costante – Iconst = 0,5 A (@ 5,0V)
• Tensione minima (tensione minima consentita @ 5V rail) – Vend = 3.0V
• Tempo minimo che il condensatore deve coprire – T = 10 sec

Sono disponibili diversi circuiti integrati speciali per la carica di supercondensatori che possono caricare il condensatore molto velocemente. Nel nostro caso, il tempo di ricarica non è critico. Pertanto, è sufficiente un circuito a diodo-resistenza più semplice. Questo circuito è semplice ed economico con alcuni inconvenienti. Il problema del tempo di ricarica è già stato menzionato. Tuttavia, lo svantaggio principale è che il condensatore non è caricato alla sua piena tensione (caduta di tensione del diodo). Tuttavia, la tensione più bassa può portarci anche dei lati positivi.

Nella curva della durata prevista del supercondensatore dalla figura del datasheet della serie AVX SCM (link) è possibile vedere la durata prevista rispetto alla temperatura di esercizio e alla tensione applicata. Se il condensatore ha un valore di tensione inferiore, la durata prevista aumenta. Ciò potrebbe essere vantaggioso poiché potrebbe essere utilizzato un condensatore a tensione inferiore. Ciò deve ancora essere chiarito.

Come verrà mostrato nelle misurazioni, la tensione di funzionamento del condensatore sarà di circa 4,6 V-4,7 V – 80% V nominale.

Passaggio 2: circuito di prova

Dopo alcune valutazioni, i supercondensatori AVX sono stati scelti per i test. Quelli testati sono classificati per 6V. In realtà è troppo vicino al valore che prevediamo di utilizzare. Tuttavia, a scopo di test è sufficiente. Sono stati testati tre diversi valori di capacità: 1F, 2,5F e 5F (2x 2,5F in parallelo). La valutazione dei condensatori è la seguente

• Precisione di capacità – 0% +100%
• Tensione nominale – 6V

• Cod. produttore –

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Durata: 2000 ore a 65°C

Per far corrispondere la tensione di uscita con la tensione del condensatore vengono utilizzati diodi a tensione diretta minima. Nel test VdiodeF2 = 0.22V sono implementati diodi insieme a quelli ad alta corrente con VdiodeF1 = 0.5V.

Viene utilizzato un semplice convertitore LM2596 DC-DC IC. Questo è un circuito integrato molto robusto e consente flessibilità. Per la prova sono stati previsti diversi carichi: principalmente diversi carichi resistivi.

I due resistori paralleli da 3,09 kΩ paralleli al supercondensatore sono necessari per la stabilità della tensione. Nel circuito di prova i supercondensatori sono collegati tramite interruttori e se nessuno dei condensatori è collegato la tensione può essere troppo alta. Per proteggere i condensatori è posto in parallelo ad essi un diodo Zener da 5,1V.

Per il carico, il resistore da 8,1 kΩ e il LED forniscono un po' di carico. Si è notato che in assenza di carico la tensione potrebbe andare più alta di quella desiderata. I diodi possono causare comportamenti imprevisti.

Passaggio 3: calcoli teorici

Ipotesi:

• Corrente costante – Iconst = 0.5A
• Vout @ interruzione di corrente – Vout = 5,0V
• Tensione di carica del condensatore prima dei diodi – Vin55 = Vout + VdiodoF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Tensione di spunto (Vcap @ power failure) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ mancanza di alimentazione – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Vcap minimo – Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Tempo minimo che il condensatore deve coprire – T = 10 sec

Tempo per caricare un condensatore (teorico): Tcarica = 5*R*C

R = Rcarica + RcondensatoreSerie + Rsw + Rdiodi + Rconnessioni

Per il condensatore 1F è R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 + ? + ? = 27ohm

Se C=1,0F, Tcarica = 135 sec = 2,5 minuti

Se C=2,5F, Tcarica = 337 sec = 5,7 minuti

Se C=5.0F, Tcarica = 675 sec = 11 minuti

Dalle ipotesi, possiamo assumere che la potenza nominale costante sia approssimativamente: W = I * V = 2,5 W

In un condensatore si può immagazzinare una certa quantità di energia: W = 0,5 * C * V^2

Da questa formula si può calcolare la capacità:

• Voglio disegnare x Watt per t Secondi, quanta capacità ho bisogno (Link)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Voglio disegnare x Ampere per t Secondi, di quanta capacità ho bisogno? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Se scegliamo che il valore del condensatore sia 5F:

• Quanto tempo ci vorrà per caricare/scaricare questo condensatore con una corrente costante (Link)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sec
• Quanto tempo ci vorrà per caricare/scaricare questo condensatore con una potenza costante (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sec

Se si utilizza una Rcarica = 25 ohm la corrente di carica sarebbe

E il tempo di ricarica approssimativamente: Tricarica = 625 sec = 10,5 minuti

Passaggio 4: misurazioni pratiche

Sono state testate diverse configurazioni e valori di capacità. Per semplificare il test è stata creata una configurazione di test controllata da Arduino. Gli schemi sono riportati nelle figure precedenti.

Sono state misurate tre diverse tensioni ei risultati si adattano relativamente bene alla teoria. Poiché le correnti di carico sono molto inferiori al valore nominale del diodo, la caduta di tensione diretta è leggermente inferiore. Tuttavia, come si può vedere, la tensione del supercondensatore misurata corrisponde esattamente ai calcoli teorici.

Nella figura seguente si può vedere una tipica misura con condensatore da 2,5F. Il tempo di ricarica si adatta bene al valore teorico di 340sec. Dopo altri 100 secondi la tensione del condensatore è aumentata solo di 0,03 V aggiuntivi, il che significa che la differenza è trascurabile e rientra nell'intervallo di errore di misurazione.

Nell'altra figura si può vedere che dopo l'interruzione dell'alimentazione la tensione di uscita Vout è VdiodoF2 minore della tensione del condensatore Vcap. La differenza è dV = 0,23 V = Vdiodo F2 = 0,22 V.

Un riepilogo dei tempi misurati è visibile nella tabella allegata. Come si può vedere i risultati non corrispondono esattamente ai calcoli teorici. I tempi misurati sono per lo più migliori di quelli calcolati, il che significa che alcuni parassiti risultanti non sono stati considerati nei calcoli. Guardando il circuito costruito si può notare che ci sono diversi punti di connessione non ben definiti. Inoltre, i calcoli non considerano bene il comportamento del carico: quando la tensione diminuisce, la corrente diminuisce. Tuttavia, i risultati sono promettenti e sono nella gamma prevista.

Passaggio 5: alcune possibilità di miglioramento

Si potrebbe migliorare il tempo di funzionamento se si utilizza un convertitore boost invece del diodo dopo il super condensatore. Abbiamo considerato che, tuttavia, il prezzo è superiore a quello di un semplice diodo.

Caricare il supercondensatore attraverso un diodo (nel mio caso due diodi) significa caduta di tensione e che potrebbe essere rimossa se viene utilizzato uno speciale circuito integrato di carica del condensatore. Ancora una volta, il prezzo è la preoccupazione principale.

In alternativa, è possibile utilizzare un interruttore laterale alto insieme a un interruttore PNP. Una possibile soluzione rapida pensata potrebbe essere vista di seguito. Tutti gli interruttori sono controllati tramite un diodo zener alimentato da un ingresso a 24V. Se la tensione di ingresso scende al di sotto della tensione del diodo zener, l'interruttore PNP si porta su ON e gli altri interruttori sul lato alto si disattivano. Questo circuito non è testato e molto probabilmente richiede alcuni componenti aggiuntivi (passivi).

Passaggio 6: conclusione

Le misurazioni si adattano abbastanza bene ai calcoli. Dimostrare che i calcoli teorici possono essere utilizzati – sorpresa-sorpresa. Nel nostro caso speciale, è necessario poco più di un condensatore da 2,5F per fornire una quantità sufficiente di energia per un determinato periodo di tempo.

La cosa più importante è che il circuito di carica del condensatore funziona come previsto. Il circuito è semplice, economico e sufficiente. Ci sono alcuni svantaggi menzionati, tuttavia, il prezzo basso e la semplicità lo compensano.

Speriamo che questo piccolo riassunto possa essere utile a qualcuno.