Come realizzare un circuito di carica per supercondensatori

Il termine Supercondensatori e il suo possibile utilizzo in veicoli elettrici, smartphone e dispositivi IoT sono stati ampiamente presi in considerazione negli ultimi tempi, ma l'idea stessa del supercondensatore risale al 1957 quando fu sperimentata per la prima volta da General Electric per aumentare la capacità di immagazzinamento condensatori. Nel corso degli anni la tecnologia dei supercondensatori è migliorata in modo sostanziale che oggi viene utilizzata come batteria di backup, banchi di energia solare e altre applicazioni in cui è richiesto un breve aumento di potenza. Molti hanno un'idea sbagliata nel considerare i supercondensatori come sostituti della batteria a lungo termine, ma almeno con la tecnologia odierna i supercondensatori non sono altro che condensatori con elevata capacità di carica, puoi saperne di più sui supercondensatori dai nostri articoli precedenti.

In questo articolo impareremo come caricare questi super condensatori in modo sicuro progettando un semplice circuito di ricarica e poi usarlo per caricare il nostro super condensatore per verificare quanto è buono nel trattenere l'energia. Analogamente alle celle della batteria, il supercondensatore può anche essere combinato per formare banchi di alimentazione di condensatori, l'approccio per caricare un caricatore di condensatori è diverso ed esula dallo scopo di questo articolo. Qui verrà utilizzato il supercondensatore per monete da 5,5 V 1F, semplice e comunemente disponibile, simile a una cella a bottone. Impareremo come caricare un supercondensatore a moneta e utilizzarlo in applicazioni adeguate.

Ricarica di un supercondensatore

Confrontando vagamente un super condensatore con una batteria, i super condensatori hanno una bassa densità di carica e peggiori caratteristiche di autoscarica, ma in termini di tempo di ricarica, durata di conservazione e ciclo di carica i super condensatori superano le batterie. In base alla disponibilità di corrente di carica, i super condensatori possono essere caricati in meno di un minuto e, se gestiti correttamente, possono durare per più di un decennio.

Rispetto alle batterie, i supercondensatori hanno un valore ESR (resistenza in serie equivalente) molto basso, questo consente a un valore più elevato di corrente di fluire dentro o fuori il condensatore consentendo di caricarsi più velocemente o scaricarsi con alta corrente. Ma a causa di questa capacità di gestire correnti elevate, un super condensatore dovrebbe essere caricato e scaricato in modo sicuro per evitare la fuga termica. Quando si tratta di caricare un super-condensatore ci sono due regole d'oro, il condensatore deve essere caricato con la corretta polarità e con una tensione non superiore al 90% della sua capacità di tensione totale.

I supercondensatori oggi sul mercato sono normalmente classificati per 2,5 V, 2,7 V o 5,5 V. Proprio come una cella al litio, questi condensatori devono essere collegati in serie e in parallelo per formare pacchi batteria ad alta tensione. A differenza delle batterie, un condensatore quando è collegato in serie sommerà reciprocamente la sua tensione nominale totale, rendendo necessario aggiungere più condensatori per formare pacchi batteria di valore decente. Nel nostro caso abbiamo un condensatore da 5,5 V 1F, quindi la tensione di carica dovrebbe essere del 90% di 5,5 che è da qualche parte vicino a 4,95 V.

Energia immagazzinata in un super condensatore

Quando si utilizzano i condensatori come elementi di immagazzinamento dell'energia per alimentare i nostri dispositivi, è importante determinare l'energia immagazzinata in un condensatore per prevedere per quanto tempo il dispositivo potrebbe essere alimentato. Le formule per calcolare l' energia immagazzinata nel condensatore possono essere date da E = 1 / 2CV ². Quindi nel nostro caso per un condensatore da 5,5 V 1F quando caricato completamente, l'energia immagazzinata sarà

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Ora, usando questo valore possiamo calcolare per quanto tempo il condensatore può alimentare le cose, ad esempio se abbiamo bisogno di 500mA a 5V per 10 secondi. Quindi l'energia richiesta per questo dispositivo può essere calcolata utilizzando le formule Energia = Potenza x tempo. Qui la potenza è calcolata da P = VI, quindi per 500mA e 5V la potenza è 2,5 Watt.

Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 Wattora o 25 Joule

Da ciò possiamo concludere che avremo bisogno di almeno due di questi condensatori in parallelo (15 + 15 = 30) per ottenere un alimentatore da 30 Joule che sarà sufficiente per alimentare il nostro dispositivo per 10 secondi.

Identificazione della polarità sul super condensatore

Quando si tratta di condensatori e batterie dovremmo essere molto cauti con la sua polarità. Un condensatore con polarità inversa molto probabilmente si riscalderà e si scioglierà e talvolta scoppierà negli scenari peggiori. Il condensatore che abbiamo è del tipo a moneta, la cui polarità è indicata con una piccola freccia bianca come mostrato sotto.

Presumo che la direzione della freccia indichi la direzione della corrente. Puoi pensarlo come se la corrente scorre sempre da positivo a negativo e quindi la freccia parte dal lato positivo e punta verso il lato negativo. Una volta che conosci la polarità e se sei curioso di caricarla, puoi persino usare un RPS impostarlo su 5,5 V (o 4,95 V per sicurezza) e quindi collegare il cavo positivo di RPS al pin positivo e il cavo negativo al pin negativo e dovresti vedere il condensatore in carica.

In base alla corrente nominale dell'RPS è possibile notare che il condensatore si carica in pochi secondi e una volta raggiunto 5,5 V smetterà di assorbire più corrente. Questo condensatore completamente carico può ora essere utilizzato in un'applicazione adeguata prima che si scarichi automaticamente.

Invece di utilizzare un RPS in questo tutorial , costruiremo un caricabatterie che regola 5,5 V da un adattatore da 12V e lo useremo per caricare il super condensatore. La tensione del condensatore verrà monitorata utilizzando un comparatore op-amp e una volta caricato il condensatore, il circuito scollegherà automaticamente il super-condensatore dalla sorgente di tensione. Sembra interessante, quindi iniziamo.

Materiali richiesti

• Adattatore 12V
• Regolatore di tensione LM317 IC
• LM311
• IRFZ44N
• Transistor PNP BC557
• GUIDATO
• Resistore
• Condensatore

Schema elettrico

Di seguito è riportato lo schema del circuito completo per questo circuito di carica del supercondensatore. Il circuito è stato disegnato utilizzando il software Proteus la cui simulazione verrà mostrata in seguito.

Il circuito è alimentato da un adattatore 12V; quindi usiamo un LM317 per regolare 5,5 V per caricare il nostro condensatore. Ma questo 5,5 V verrà fornito al condensatore tramite un MOSFET che funge da interruttore. Questo interruttore si chiuderà solo se la tensione del condensatore è inferiore a 4,86 ​​V quando il condensatore si carica e l'aumento di tensione si aprirà e impedirà alla batteria di caricarsi ulteriormente. Questo confronto di tensione viene effettuato utilizzando un amplificatore operazionale e utilizziamo anche un transistor PNP BC557 per illuminare un LED quando il processo di carica è completo. Lo schema del circuito mostrato sopra è suddiviso in segmenti sottostanti per la spiegazione.

Regolazione della tensione LM317:

Le resistenze R1 e R2 vengono utilizzate per decidere la tensione di uscita del regolatore LM317 in base alle formule Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1). Qui abbiamo usato un valore di 1k e 3,3k per regolare una tensione di uscita di 5,3 V che è abbastanza vicina a 5,5 V. È possibile utilizzare il nostro calcolatore online per calcolare la tensione di uscita desiderata in base al valore del resistore disponibile con voi.

Comparatore op-amp:

Abbiamo utilizzato il comparatore IC LM311 per confrontare il valore di tensione del super condensatore con una tensione fissa. Questa tensione fissa viene fornita al pin numero 2 utilizzando un circuito divisore di tensione. I resistori 2.2k e 1.5k rilasciano una tensione di 4.86V da 12V. Questo 4,86 ​​volt viene confrontato con la tensione ref (tensione del condensatore) che è collegata al pin 3. Quando la tensione ref è inferiore a 4,86 ​​V, il pin di uscita 7 diventerà alto con 12V con il resistore pull-up da 10k. Questa tensione verrà quindi utilizzata per pilotare il MOSFET.

MOSFET e BC557:

Il MOSFET IRFZ44N viene utilizzato per collegare il super condensatore alla tensione di carica in base al segnale dell'amplificatore operazionale. Quando l'amplificatore operazionale diventa alto, emette 12V sul pin 7 che accende il MOSFET attraverso il suo pin di base allo stesso modo quando l'amplificatore operazionale si abbassa (0 V) il MOSFET verrà aperto. Abbiamo anche un transistor PNP BC557 che accenderà il LED quando il MOSFET è spento indicando che la tensione del condensatore è superiore a 4.8V.

Simulazione del circuito del caricatore del supercondensatore

Per simulare il circuito ho sostituito la batteria con un resistore variabile per fornire una tensione variabile al pin 3 dell'amplificatore operazionale. Il Super condensatore viene sostituito con un LED per mostrare se è alimentato o meno. Il risultato della simulazione può essere trovato di seguito.

Come puoi vedere usando le sonde di tensione, quando la tensione sul pin invertente è bassa rispetto al pin non invertente, l'amplificatore operazionale va alto con 12V sul pin 7 che accende il MOSFET e quindi carica il condensatore (LED giallo). Questo 12V attiva anche il transistor BC557 per spegnere il LED verde. Man mano che la tensione del condensatore (potenziometro) aumenta, il LED verde si accenderà poiché l'amplificatore operazionale emetterà 0 V come mostrato sopra.

Caricatore supercondensatore su hardware

Il circuito è piuttosto semplice e può essere costruito su una breadboard, ma ho deciso di utilizzare una scheda Perf in modo da poter riutilizzare il circuito in futuro in ogni tentativo di caricare il mio super condensatore. Ho anche intenzione di usarlo insieme al pannello solare per progetti portatili, quindi ho provato a costruirlo il più piccolo e rigido possibile. Di seguito è mostrato il mio circuito completo una volta saldato su una scheda tratteggiata.

I due berg stick femmina possono essere toccati utilizzando pin a coccodrillo per caricare il condensatore. Il LED giallo indica l'alimentazione al modulo e il LED blu indica lo stato di carica. Una volta completato il processo di ricarica il LED si accenderà altrimenti rimarrà spento. Una volta che il circuito è pronto, collega semplicemente il condensatore e dovresti vedere il LED blu spegnersi e dopo un po 'si accenderà di nuovo per indicare che il processo di ricarica è completo. Puoi vedere la scheda in carica e carica di seguito.

Il funzionamento completo può essere trovato nel video fornito in fondo a questa pagina, se hai problemi a farlo funzionare, pubblicali nella sezione commenti o usa i nostri forum per altre domande tecniche.

Miglioramenti del design

Il progetto del circuito qui fornito è grezzo e funziona per il suo scopo; alcuni miglioramenti obbligatori che ho notato dopo la compilazione sono discussi qui. Il BC557 si surriscalda a causa dei 12V alla base e all'emettitore, quindi al posto del BC557 è necessario utilizzare un diodo ad alta tensione.

In secondo luogo, quando il condensatore carica il comparatore di tensione misura la variazione di tensione, ma quando il MOSFET si spegne dopo la carica, l'amplificatore operazionale rileva il guadagno di bassa tensione e riaccende il FET, questo processo viene ripetuto alcune volte prima che l'amplificatore operazionale si spenga completamente. Un circuito latch sull'uscita dell'amplificatore operazionale risolverà il problema.