- טעינת קבלים-על
- אנרגיה שמורה בקבל סופר
- זיהוי קוטביות בקבל העל
- חומרים נדרשים
- תרשים מעגל
- סימולציה של מעגל מטען העל
- מטען סופר-קבלים על חומרה
- שיפורי עיצוב
המונח Supercapacitors והשימוש האפשרי בו ברכבים חשמליים, מכשירי טלפון חכמים ומכשירי IoT נשקלים בהרחבה בתקופה האחרונה, אך הרעיון של קבלים-על עצמו מתוארך לשנת 1957, כאשר ניסו אותו ג'נרל אלקטריק לראשונה בכדי להגדיל את קיבולת האחסון קבלים. עם השנים טכנולוגיית הקבלים הסופר השתפרה משמעותית כי כיום היא משמשת כגיבוי סוללות, בנקים חשמליים סולאריים ויישומים אחרים שבהם נדרשת דחיפה קצרה יותר. לרבים יש תפיסה מוטעית להחשיב מכסי-על כמחליפים לסוללה בטווח הארוך, אך לפחות עם קבלים-טכנולוגיים של ימינו אינם אלא קבלים בעלי קיבולת טעינה גבוהה, תוכלו לדעת עוד על קבלים-על ממאמרים קודמים שלנו.
במאמר זה נלמד כיצד לטעון קבלים סופר כאלה בבטחה על ידי תכנון מעגל מטען פשוט ואז להשתמש בו כדי לטעון את קבלים העל שלנו כדי לבדוק עד כמה הוא טוב להחזיק אנרגיה. בדומה לתאי סוללה ניתן לשלב גם קבלים סופר ליצירת בנקי כוח קבלים, הגישה לטעון בנק כוח קבלים שונה והיא מחוץ לתחום מאמר זה. כאן ישתמש בקבל סופר-פשוט 5.5V 1F מטבע פשוט ונפוץ שנראה דומה לתא מטבע. נלמד כיצד לטעון קבלים-סוג מסוג מטבע ולהשתמש בו ביישומים מתאימים.
טעינת קבלים-על
בהשוואת קבלים סופר במעומעם עם סוללה, לקבלים סופר יש צפיפות טעינה נמוכה ומאפיינים גרועים יותר של פריקה עצמית, אך עם זאת מבחינת זמן הטעינה, חיי המדף וקבלי העל במחזור הטעינה עולים על הסוללות. בהתבסס על הזמינות הנוכחית של הטעינה ניתן לטעון קבלים סופר תוך פחות מדקה ואם מטפלים כראוי זה יכול להחזיק יותר מעשור.
בהשוואה לסוללות, בקבלים העל יש ערך ESR נמוך מאוד (התנגדות סדרת שווה ערך) זה מאפשר לערך זרם גבוה יותר לזרום פנימה או החוצה מהקבל ומאפשר לו לטעון מהר יותר או לפרוק עם זרם גבוה. אך בגלל יכולת זו של טיפול בזרם גבוה, יש לטעון ולקבל קבלים סופר בבטחה כדי למנוע בריחה תרמית. בכל הקשור לטעינה של קבלים-על ישנם שני כללי זהב, יש לטעון את הקבל בקוטביות נכונה ובמתח שלא יעלה על 90% מכלל יכולת המתח שלו.
קבלים-על הקיימים בשוק כיום מדורגים בדרך כלל ל -2.5 וולט, 2.7 וולט או 5.5 וולט. בדיוק כמו תא ליתיום יש לחבר את הקבלים הללו בסדרה ובשילוב מקביל ליצירת חבילות סוללות במתח גבוה. בניגוד לסוללות, קבלים כאשר הם מחוברים בסדרה יסכמו באופן הדדי את דירוג המתח הכולל שלו, מה שמצריך להוסיף עוד קבלים ליצירת ערכות סוללות בעלות ערך הגון. במקרה שלנו יש לנו קבלים 5.5V 1F ולכן מתח הטעינה צריך להיות 90% מ- 5.5 שנמצא איפשהו ליד 4.95V.
אנרגיה שמורה בקבל סופר
כאשר משתמשים בקבלים כאלמנטים לאחסון אנרגיה להפעלת המכשירים שלנו חשוב לקבוע את האנרגיה המאוחסנת בקבל כדי לחזות כמה זמן המכשיר יכול להיות מופעל. הנוסחאות לחישוב האנרגיה המאוחסנת בקבל ניתנות על ידי E = 1 / 2CV 2. כך שבמקרה שלנו עבור קבלים 5.5V 1F כשהוא טעון במלואו האנרגיה המאוחסנת תהיה
E = (1/2) * 1 * 5.5 2 E = 15 ג'ול
כעת, באמצעות ערך זה נוכל לחשב כמה זמן הקבל יכול להניע דברים, למשל אם אנו זקוקים ל -500 mA על 5 וולט למשך 10 שניות. אז ניתן לחשב את האנרגיה הנדרשת למכשיר זה באמצעות נוסחאות אנרגיה = כוח x זמן. כאן הספק מחושב על ידי P = VI, ולכן עבור 500mA ו- 5V הספק הוא 2.5 וואט.
אנרגיה = 2.5 x (10/60 * 60) אנרגיה = 0.00694 שעה ואט או 25 ג'ול
מכאן אנו יכולים להסיק כי נצטרך לפחות שניים מהקבלים הללו במקביל (15 + 15 = 30) כדי לקבל חבילת חשמל של 30 ג'ול אשר תספיק להפעלת המכשיר שלנו למשך 10 שניות.
זיהוי קוטביות בקבל העל
כשמדובר בקבלים ובסוללות עלינו להיות זהירים מאוד בקוטביות שלו. סביר להניח שקבל בעל קוטביות הפוכה יתחמם ונמס ולעתים יתפוצץ בתרחישים במקרה הגרוע ביותר. הקבל שיש לנו הוא מסוג מטבעות, שקוטביותם מסומנת עם חץ לבן קטן כמוצג להלן.
אני מניח שכיוון החץ מציין את כיוון הזרם. אתה יכול לחשוב על זה כמו, זרם תמיד זורם מחיובי לשלילי ולכן החץ מתחיל מהצד החיובי ומצביע לכיוון הצד השלילי. ברגע שאתה יודע את הקוטביות ואם אתה סקרן לטעון אותו, אתה יכול אפילו להשתמש ב- RPS להגדיר אותו ל 5.5V (או 4.95V ליתר ביטחון) ואז לחבר את ההובלה החיובית של RPS לסיכה חיובית ולהוביל שלילי לסיכה שלילית ו אתה אמור לראות את הקבל נטען.
בהתבסס על הדירוג הנוכחי של ה- RPS ניתן לציין כי הקבל נטען תוך שניות וברגע שהוא מגיע ל -5.5 וולט הוא יפסיק לצייר יותר זרם. ניתן להשתמש בקבל טעון לחלוטין זה ביישום מתאים לפני שהוא מתפרק מעצמו.
במקום להשתמש ב- RPS במדריך זה אנו נבנה מטען המווסת 5.5 וולט ומתאם 12 וולט ונשתמש בו לטעינת קבל העל. המתח של הקבל יפקח באמצעות משווה מגבר אופטר וברגע טעינת הקבל המעגל ינתק אוטומטית את קבל העל ממקור המתח. נשמע מעניין נכון אז בואו נתחיל.
חומרים נדרשים
- מתאם 12 וולט
- ויסות מתח LM317 IC
- LM311
- IRFZ44N
- טרנזיסטור BC557 PNP
- לד
- נַגָד
- קַבָּל
תרשים מעגל
תרשים המעגל השלם עבור מעגל מטען-העל זה ניתן להלן. המעגל שורטט באמצעות תוכנת Proteus, הדמיית אותו תוצג בהמשך.
המעגל מופעל באמצעות מתאם 12 וולט; לאחר מכן אנו משתמשים ב- LM317 לוויסות 5.5V לטעינת הקבל שלנו. אבל 5.5V זה יסופק לקבל באמצעות MOSFET המשמש כמתג. מתג זה ייסגר רק אם במתח הקבל יש פחות מ -4.86 וולט שכן הקבל מקבל טעינות והגברת המתח המתג ייפתח וימנע מהסוללה להיטען עוד יותר. השוואת מתח זו נעשית באמצעות מגבר אופ, ואנו משתמשים גם בטרנזיסטור PN55 BC557 כדי להדליק נורית LED לאחר השלמת תהליך הטעינה. תרשים המעגל המוצג לעיל מחולק למקטעים למטה להסבר.
ויסות מתח LM317:
הנגד R1 ו- R2 משמש להחלטת מתח המוצא של הרגולטור LM317 בהתבסס על הנוסחאות Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1). כאן השתמשנו בערך של 1k ו- 3.3k כדי לווסת את מתח המוצא של 5.3V שקרוב מספיק ל- 5.5V. אתה יכול להשתמש במחשבון המקוון שלנו כדי לחשב את מתח המוצא הרצוי על סמך ערך הנגד הזמין איתך.
השוואה אופ-מגבר:
השתמשנו ב- IC המשווה LM311 להשוואת ערך המתח של קבל העל עם מתח קבוע. מתח קבוע זה מסופק לסיכה מספר 2 באמצעות מעגל מחלק מתח. הנגדים 2.2k ו- 1.5k מורידים מתח של 4.86V ויוצרים 12V. 4.86 וולט זה מושווה למתח ref (מתח הקבל) המחובר לסיכה 3. כאשר מתח ה- ref הוא פחות מ- 4.86V, פין המוצא 7 יעלה גבוה עם 12 וולט עם הנגד 10k המושך. מתח זה ישמש לאחר מכן להנעת MOSFET.
MOSFET ו- BC557:
MOSFET IRFZ44N משמש לחיבור קבלים סופר כדי לחייב מתח המבוססת על אותות מן המגבר-op. כאשר המגבר המתגבר גבוה הוא מוציא 12 וולט על סיכה 7 שמפעילה את ה- MOSFET דרך סיכת הבסיס שלה באופן דומה כאשר המגבר הנמוך מתח נמוך (0 וולט) ה- MOSFET ייפתח. יש לנו גם טרנזיסטור PNP BC557 שידליק את ה- LED כאשר ה- MOSFET כבוי מה שמעיד על מתח הקבל ביותר מ- 4.8V.
סימולציה של מעגל מטען העל
כדי לדמות את המעגל החלפתי את הסוללה נגד משתנה כדי לספק מתח משתנה לסיכה 3 של המגבר. הקבל העל מוחלף עם נורית לד כדי להראות אם הוא פועל או לא. את תוצאת הסימולציה ניתן למצוא בהמשך.
כפי שאתה יכול לראות כמשתמש בחיישני המתח, כאשר המתח על סיכה הפוכה נמוך מסיכה שאינה הופכת, מגבר ה- OP עולה גבוה עם 12 וולט על סיכה 7 שמדליקה את ה- MOSFET ובכך טוענת את הקבל (נורית צהובה). 12V זה גם מפעיל את הטרנזיסטור BC557 לכבות את הנורית הירוקה. ככל שמתח הקבל (פוטנציומטר) יגדל, נורית ה- LED הירוקה תידלק מאחר והמגבר יפיק 0V כפי שמוצג למעלה.
מטען סופר-קבלים על חומרה
המעגל פשוט למדי וניתן לבנות אותו על קרש לחם, אך החלטתי להשתמש בלוח Perf כך שאוכל לעשות שימוש חוזר במעגל בעתיד בכל ניסיון לטעון את קבל העל שלי. אני גם מתכוון להשתמש בו יחד עם פאנל סולארי לפרויקטים ניידים, ולכן ניסיתי לבנות אותו קטן ונוקשה ככל האפשר. המעגל השלם שלי שנלחם פעם על לוח מנוקד מוצג להלן.
ניתן להקיש על שתי מקלות הברג הנשיות באמצעות סיכות תנין כדי להטעין את הקבל. הנורית הצהובה מציינת את העוצמה למודול והנורית הכחולה מציינת את מצב הטעינה. לאחר סיום תהליך הטעינה נורית הנורית תידלק אחרת תישאר מכובה. לאחר שהמעגל מוכן פשוט חבר את הקבל ואתה אמור לראות את הנורית הכחולה נכבה ואחרי מתישהו היא תעלה שוב כדי לציין שתהליך הטעינה הושלם. אתה יכול לראות את הלוח במצב טעינה ומחויב למטה.
ניתן למצוא את העבודה המלאה בסרטון המופיע בתחתית עמוד זה, אם יש לך בעיה לגרום לכך לעבוד, פרסם אותם בסעיף ההערות או השתמש בפורומים שלנו לשאלות טכניות אחרות.
שיפורי עיצוב
תכנון המעגל שניתן כאן הוא גס ועובד למטרתו; כמה שיפורים חובה ששמתי לב אליהם לאחר הבנייה נדונים כאן. BC557 מתחמם בגלל 12 וולט על בסיס הבסיס והפולט, ולכן יש להשתמש בדיודת מתח גבוהה במקום BC557.
שנית, כאשר הקבל נטען, משווה המתח מודד את שינוי המתח, אך כאשר MOSFET מכבה לאחר טעינה המגבר חש את עליית המתח הנמוכה ומפעיל את ה- FET שוב, תהליך זה חוזר על עצמו כמה פעמים לפני שמגבר ה- OP נכבה לחלוטין. מעגל תפס על פלט המגבר הפותר יפתור את הבעיה.