- Pagsingil sa isang Super-Capacitor
- Itinago ang Enerhiya sa isang Super Capacitor
- Kinikilala ang polarity sa sobrang kapasitor
- Mga Materyal na Kinakailangan
- Diagram ng Circuit
- Simulation ng Supercapacitor Charger Circuit
- Supercapacitor Charger sa Hardware
- Mga Pagpapabuti sa Disenyo
Ang katagang Supercapacitors at ang posibleng paggamit nito sa mga de-kuryenteng Sasakyan, Smartphone at IoT na aparato ay isinasaalang-alang ng malawakan sa mga nagdaang panahon, ngunit ang ideya ng sobrang kapasitor mismo ay nagsimula pa noong 1957 nang ito ay unang nai-eksperimento ng General Electric upang madagdagan ang kapasidad ng imbakan nito mga capacitor Sa paglipas ng mga taon ang teknolohiya ng Super capacitor ay napabuti nang malaki na ngayon ay ginagamit ito bilang mga back-up ng baterya, mga bangko ng solar power at iba pang mga aplikasyon kung saan kinakailangan ng maikling lakas na lakas. Marami ang may maling kuru-kuro upang isaalang-alang ang mga sobrang takip bilang kapalit ng baterya sa pangmatagalan, ngunit hindi bababa sa mga supercapacitor sa teknolohiya ngayon ay walang iba kundi ang mga capacitor na may mataas na kapasidad na singil, maaari mong malaman ang higit pa tungkol sa mga supercapacitor mula sa aming mga nakaraang artikulo.
Sa artikulong ito matututunan natin kung paano singilin nang ligtas ang mga sobrang capacitor sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng isang simpleng charger circuit at pagkatapos ay gamitin ito upang singilin ang aming sobrang kapasitor upang suriin kung gaano ito kahawak sa enerhiya. Katulad ng mga cell ng baterya na super capacitor ay maaari ring pagsamahin upang bumuo ng mga capacitor power bank, ang diskarte upang singilin ang isang capacitor power bank ay iba at nasa labas ng saklaw ng artikulong ito. Gagamitin dito ang simple at karaniwang magagamit na 5.5V 1F Coin Super-capacitor na mukhang katulad sa isang coin cell. Malalaman namin kung paano singilin ang supercapacitor ng uri ng barya at gamitin ito sa mga naaangkop na application.
Pagsingil sa isang Super-Capacitor
Ang paghahambing ng isang sobrang capacitor ay malabo sa isang baterya, ang mga super capacitor ay may mababang density ng singil at mas masahol na mga katangian na naglalabas ng sarili ngunit pa rin sa mga tuntunin ng oras ng pagsingil, buhay ng istante at pag-charge ng cycle ng mga super capacitor ay higit pa sa mga baterya. Batay sa kasalukuyang singilin na magagamit na mga sobrang capacitor ay maaaring singilin nang mas mababa sa isang minuto at kung mapangasiwaan ng maayos maaari itong tumagal ng higit sa isang dekada.
Kung ikukumpara sa mga baterya ang mga sobrang capacitor ay may napakababang halaga ng ESR (Katumbas na paglaban ng serye) na pinapayagan ang mas mataas na halaga ng kasalukuyang dumaloy sa o labas ng capacitor na pinapagana itong mas mabilis na masingil o maalis na may mataas na kasalukuyang. Ngunit dahil sa kakayahang ito ng paghawak ng mataas na kasalukuyang, ang isang super capacitor ay dapat sisingilin at ligtas na matanggal upang maiwasan ang thermal runaway. Pagdating sa pagsingil ng isang super-capacitor mayroong dalawang gintong mga patakaran, ang capacitor ay dapat sisingilin ng wastong polarity at may isang boltahe na hindi lalagpas sa 90% ng kabuuang kapasidad ng boltahe.
Ang mga super-capacitor sa merkado ngayon ay karaniwang na-rate para sa 2.5V, 2.7V o 5.5V. Tulad ng isang lithium cell ang mga capacitor na ito ay dapat na konektado sa serye at parallel na kumbinasyon upang bumuo ng mga boltahe ng baterya na may mataas na boltahe. Hindi tulad ng mga baterya ng isang capacitor kapag nakakonekta sa serye ay gagantimpalaan ang kabuuang rating ng boltahe, na ginagawang kinakailangan upang magdagdag ng higit pang mga capacitor upang mabuo ang mga pack ng baterya na disenteng halaga. Sa aming kaso mayroon kaming isang 5.5V 1F capacitor kaya ang boltahe ng pagsingil ay dapat na 90% ng 5.5 na sa isang lugar malapit sa 4.95V.
Itinago ang Enerhiya sa isang Super Capacitor
Kapag gumagamit ng mga capacitor bilang mga elemento ng pag-iimbak ng enerhiya upang mapagana ang aming mga aparato mahalaga na matukoy ang enerhiya na nakaimbak sa isang kapasitor upang mahulaan kung gaano katagal maaaring mapatakbo ang aparato. Ang mga formula upang makalkula ang enerhiya na nakaimbak sa capacitor ay maaaring ibigay ng E = 1 / 2CV 2. Kaya't sa aming kaso para sa isang 5.5V 1F capacitor kapag sisingilin nang buong buo ang enerhiya na nakaimbak
E = (1/2) * 1 * 5.5 2 E = 15 Joules
Ngayon, gamit ang halagang ito maaari nating kalkulahin kung gaano katagal ang kapangyarihan ng mga capacitor sa mga bagay, sabihin halimbawa kung kailangan namin ng 500mA sa 5V sa loob ng 10 segundo. Pagkatapos ang lakas na kinakailangan para sa aparatong ito ay maaaring kalkulahin gamit ang mga formula ng Enerhiya = Lakas x oras. Narito ang Power ay kinakalkula ng P = VI, kaya para sa 500mA at 5V na lakas ay 2.5 Watts.
Enerhiya = 2.5 x (10/60 * 60) Enerhiya = 0.00694 Watt-hour o 25 Joules
Mula dito maaari nating tapusin na kakailanganin natin ng hindi bababa sa dalawa sa mga capacitor na ito nang kahanay (15 + 15 = 30) upang makakuha ng isang power pack na 30 Joules na kung saan ay sapat na upang mapagana ang aming aparato sa loob ng 10 segundo.
Kinikilala ang polarity sa sobrang kapasitor
Pagdating sa kapasitor at baterya dapat tayong maging maingat sa polarity nito. Ang isang kapasitor na may kabaligtaran polarity ay malamang na init at matunaw at kung minsan ay sumabog sa pinakamasamang mga sitwasyon sa kaso. Ang capacitor na mayroon kami ay uri ng barya, ang polarity na kung saan ay ipinahiwatig ng maliit na puting arrow tulad ng ipinakita sa ibaba.
Ipinapalagay ko na ang direksyon ng arrow ay nagpapahiwatig ng direksyon ng kasalukuyang. Maaari mong isipin ito tulad ng, kasalukuyang palaging dumadaloy mula positibo hanggang negatibo at samakatuwid ang arrow ay nagsisimula mula sa positibong panig at tumuturo patungo sa negatibong bahagi. Kapag alam mo na ang polarity at kung gusto mo itong singilin, maaari mo ring gamitin ang isang RPS na itakda ito sa 5.5V (o 4.95V para sa kaligtasan) at pagkatapos ay ikonekta ang positibong tingga ng RPS sa positibong pin at negatibong humantong sa negatibong pin at dapat mong makita ang pagsingil ng capacitor.
Batay sa kasalukuyang rating ng RPS maaari mong tandaan na ang capacitor ay sisingilin sa loob ng mga segundo at sa sandaling umabot sa 5.5V titigil ito sa pagguhit ngayon. Ang ganap na sisingilin na capacitor na ito ay maaari nang gamitin sa naaangkop na application bago ito matanggal.
Sa halip na gumamit ng isang RPS sa tutorial na ito magtatayo kami ng isang charger na kumokontrol sa 5.5V form na isang 12V adapter at gamitin ito upang singilin ang sobrang kapasitor. Ang boltahe ng capacitor ay susubaybayan gamit ang isang op-amp comparator at sa sandaling sisingilin ang capacitor ay awtomatikong ididiskonekta ng circuit ang super-capacitor mula sa pinagmulan ng boltahe. Tama ang kagiliw-giliw na tunog kaya't magsimula tayo.
Mga Materyal na Kinakailangan
- 12V Adapter
- LM317 Voltage Regulator IC
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP Transistor
- LED
- Resistor
- Kapasitor
Diagram ng Circuit
Ang kumpletong diagram ng circuit para sa Supercapacitor Charger Circuit na ito ay ibinibigay sa ibaba. Ang circuit ay iginuhit gamit ang Proteus software ang simulation ng pareho ay ipapakita sa paglaon.
Ang circuit ay pinalakas ng isang 12V adapter; pagkatapos ay gumagamit kami ng isang LM317 upang makontrol ang 5.5V upang singilin ang aming capacitor. Ngunit ang 5.5V na ito ay ibibigay sa kapasitor sa pamamagitan ng isang MOSFET na kumikilos bilang isang switch. Ang switch na ito ay isasara lamang kung ang boltahe ng capacitor ay may mas mababa sa 4.86V habang ang capacitor ay nakakakuha ng singil at pagtaas ng boltahe ang switch ay bubuksan at pipigilan ang baterya na mas singil pa. Ang paghahambing ng boltahe na ito ay ginagawa gamit ang isang op-amp at gumagamit din kami ng isang BC557 PNP transistor upang mag-glow ng isang LED kapag nakumpleto na ang proseso ng pagsingil. Ang circuit diagram na ipinakita sa itaas ay pinaghiwa-hiwalay sa mga segment sa ibaba para sa paliwanag.
Regulasyon ng Boltahe ng LM317:
Ang risistor R1 at R2 ay ginagamit upang magpasya ang output boltahe ng LM317 Regulator batay sa mga formula na Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1). Dito nagamit namin ang isang halaga ng 1k at 3.3k upang makontrol ang isang output boltahe ng 5.3V na sapat na malapit sa 5.5V. Maaari mong gamitin ang aming online calculator upang makalkula ang nais na boltahe ng output batay sa resistor na halaga na magagamit sa iyo.
Op-Amp Comparator:
Ginamit namin ang IC ng kumpare ng LM311 upang ihambing ang halaga ng boltahe ng sobrang kapasitor na may isang nakapirming boltahe. Ang nakapirming boltahe na ito ay ibinigay upang i-pin ang numero 2 gamit ang isang boltahe divider circuit. Ang Resistors 2.2k at 1.5k ay bumaba ng boltahe na 4.86V form 12V. Ang 4.86 volt na ito ay inihambing sa ref boltahe (boltahe ng capacitor) na konektado sa pin 3. Kapag ang boltahe ng ref ay mas mababa sa 4.86V ang output pin 7 ay magiging mataas na may 12V na may pull-up na 10k risistor. Gagamitin ang boltahe na ito upang himukin ang MOSFET.
MOSFET at BC557:
Ang IRFZ44N MOSFET ay ginagamit upang ikonekta ang sobrang kapasitor upang singilin ang boltahe batay sa signal mula sa op-amp. Kapag ang op-amp ay mataas na naglalabas ito ng 12V sa pin 7 na lumiliko sa MOSFET sa pamamagitan ng base pin na katulad nito kapag ang op-amp ay bumaba (0V) ang MOSFET ay bubuksan. Mayroon din kaming PNP transistor BC557 na magpapasara sa LED kapag naka-off ang MOSFET na nagpapahiwatig na ang boltahe ng capacitor ay higit sa 4.8V.
Simulation ng Supercapacitor Charger Circuit
Upang gayahin ang circuit pinalitan ko ang baterya ng isang variable na risistor upang magbigay ng isang variable na boltahe upang i-pin ang 3 ng op-amp. Ang Super capacitor ay pinalitan ng isang LED upang ipakita kung ito ay nagpapatakbo o hindi. Ang resulta ng simulation ay matatagpuan sa ibaba.
Tulad ng nakikita mo bilang paggamit ng mga boltahe na probe, kapag ang boltahe sa pag-invert ng pin ay mababa kaysa sa hindi pag-inverting na pin ang op-amp ay mataas na may 12V sa pin 7 na lumiliko sa MOSFET at sa gayon ay naniningil ng capacitor (dilaw na LED). Ang 12V na ito ay nagpapalitaw din sa transistor ng BC557 upang patayin ang berdeng LED. Tulad ng boltahe ng Capacitor (potentiometer) dagdagan ang berdeng LED ay bubukas dahil ang op-amp ay magpapalabas ng 0V tulad ng ipinakita sa itaas.
Supercapacitor Charger sa Hardware
Ang circuit ay medyo simple at maaaring maitayo sa isang breadboard, ngunit nagpasya akong gumamit ng isang Perf board upang magamit ko muli ang circuit sa hinaharap sa bawat pagtatangka na singilin ang aking sobrang kapasitor. Nilalayon ko din itong gamitin kasama ang solar panel para sa mga portable na proyekto, samakatuwid sinubukan ang pagbuo nito nang maliit at matigas hangga't maaari. Ang aking kumpletong circuit na minsang nahinang sa isang tuldok na board ay ipinapakita sa ibaba.
Ang dalawang babaeng berg stick ay maaaring i-tap gamit ang mga alligator pin upang singilin ang kapasitor. Ipinapahiwatig ng Yellow LED ang kapangyarihan sa module at ang asul na LED ay nagpapahiwatig ng katayuan ng pagsingil. Sa sandaling nakumpleto ang proseso ng pagsingil ang LED ay naiilawan iba pa ay mananatiling naka-off. Kapag handa na ang circuit ay ikonekta lamang ang capacitor at dapat mong makita ang asul na LED na patayin at pagkatapos ng ilang oras ito ay magiging mataas muli upang ipahiwatig na ang proseso ng pagsingil ay kumpleto na. Maaari mong makita ang board sa pagsingil at sisingilin na estado sa ibaba.
Ang kumpletong pagtatrabaho ay matatagpuan sa video na ibinigay sa ilalim ng pahinang ito, kung mayroon kang anumang problema sa pagtatrabaho nito i-post ang mga ito sa seksyon ng komento o gamitin ang aming mga forum para sa iba pang mga teknikal na katanungan.
Mga Pagpapabuti sa Disenyo
Ang disenyo ng circuit na ibinigay dito ay krudo at gumagana para sa layunin nito; ilang mga ipinag-uutos na pagpapabuti na napansin ko matapos ang pagtatayo ay tinalakay dito. Naging mainit ang BC557 dahil sa 12V sa kanyang base at emitter kaya't dapat gamitin ang isang mataas na boltahe na diode bilang kapalit ng BC557.
Pangalawa habang ang mga charger ng capacitor ay sinusukat ng kumpare ng boltahe ang pagbabago sa boltahe ngunit kapag naka-off ang MOSFET pagkatapos singilin ang op-amp na nararamdaman na mababa ang boltahe na nakuha at binubuksan muli ang FET, ang prosesong ito ay paulit-ulit na ilang beses bago ganap na ma-off ang op-amp. Ang isang latching circuit sa op-amp output ay malulutas ang problema.