Cara membuat rangkaian charger supercapacitor

Istilah Supercapacitors dan kemungkinan penggunaannya dalam Kendaraan Listrik, Smartphone dan perangkat IoT sedang dipertimbangkan secara luas akhir-akhir ini, tetapi gagasan tentang kapasitor super itu sendiri sudah ada sejak tahun 1957 ketika pertama kali diujicobakan oleh General Electric untuk meningkatkan kapasitas penyimpanannya. kapasitor. Selama bertahun-tahun, teknologi kapasitor super telah meningkat secara substansial sehingga saat ini digunakan sebagai cadangan baterai, bank tenaga surya, dan aplikasi lain yang memerlukan peningkatan daya singkat. Banyak yang salah paham dengan menganggap super caps sebagai pengganti baterai dalam jangka panjang, namun setidaknya dengan teknologi saat ini supercapacitors tidak lain adalah kapasitor dengan kapasitas charge yang tinggi, anda bisa mengetahui lebih banyak tentang supercapacitors dari artikel kami sebelumnya.

Pada artikel ini kita akan belajar cara mengisi kapasitor super dengan aman dengan merancang rangkaian pengisi daya sederhana dan kemudian menggunakannya untuk mengisi kapasitor super kita untuk memeriksa seberapa bagusnya dalam menahan energi. Mirip dengan sel baterai kapasitor super juga dapat digabungkan untuk membentuk bank daya kapasitor, pendekatan untuk mengisi bank daya kapasitor berbeda dan berada di luar cakupan artikel ini. Di sini akan menggunakan kapasitor Super Koin 5,5V 1F yang sederhana dan umum tersedia yang terlihat mirip dengan sel koin. Kita akan belajar cara mengisi superkapasitor jenis koin dan menggunakannya dalam aplikasi yang sesuai.

Mengisi Kapasitor Super

Membandingkan kapasitor super secara samar-samar dengan baterai, kapasitor super memiliki kepadatan muatan yang rendah dan karakteristik pemakaian sendiri yang lebih buruk, tetapi dalam hal waktu pengisian, umur simpan, dan siklus pengisian kapasitor super mengungguli baterai. Berdasarkan ketersediaan arus pengisian kapasitor super dapat diisi dalam waktu kurang dari satu menit dan jika ditangani dengan benar dapat bertahan selama lebih dari satu dekade.

Dibandingkan dengan baterai, kapasitor super memiliki nilai ESR (Equivalent series resistance) yang sangat rendah, ini memungkinkan nilai arus yang lebih tinggi untuk mengalir masuk atau keluar kapasitor memungkinkannya untuk diisi lebih cepat atau dibuang dengan arus tinggi. Tetapi karena kemampuan menangani arus tinggi ini, kapasitor super harus diisi dan dikosongkan dengan aman untuk mencegah pelarian termal. Dalam hal pengisian kapasitor super ada dua aturan emas, kapasitor harus diisi dengan polaritas yang benar dan dengan tegangan tidak melebihi 90% dari total kapasitas tegangannya.

Kapasitor super yang ada di pasaran saat ini biasanya diberi nilai 2.5V, 2.7V atau 5.5V. Sama seperti sel lithium, kapasitor ini harus dihubungkan secara seri dan paralel untuk membentuk kemasan baterai tegangan tinggi. Tidak seperti baterai, kapasitor ketika dihubungkan secara seri akan menjumlahkan nilai tegangan totalnya secara timbal balik, sehingga perlu untuk menambahkan lebih banyak kapasitor untuk membentuk kemasan baterai dengan nilai yang layak. Dalam kasus kami, kami memiliki kapasitor 5,5V 1F sehingga tegangan pengisian harus 90% dari 5,5 yang berada di dekat 4,95V.

Energi Tersimpan dalam Kapasitor Super

Saat menggunakan kapasitor sebagai elemen penyimpanan energi untuk memberi daya pada perangkat kita, penting untuk menentukan energi yang disimpan dalam kapasitor untuk memprediksi berapa lama perangkat dapat diberi daya. Rumus untuk menghitung energi yang disimpan dalam kapasitor dapat diberikan oleh E = 1 / 2CV ². Jadi dalam kasus kami untuk kapasitor 5,5V 1F ketika diisi penuh energi yang disimpan akan

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Sekarang, dengan menggunakan nilai ini kita dapat menghitung berapa lama kapasitor dapat memberi daya, katakanlah misalnya jika kita membutuhkan 500mA pada 5V selama 10 detik. Maka energi yang dibutuhkan untuk alat ini dapat dihitung menggunakan rumus Energi = Daya x waktu. Disini Power dihitung dengan P = VI, jadi untuk 500mA dan daya 5V adalah 2.5 Watt.

Energi = 2,5 x (10/60 * 60) Energi = 0,00694 Watt-jam atau 25 Joule

Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa kita memerlukan setidaknya dua kapasitor ini secara paralel (15 + 15 = 30) untuk mendapatkan paket daya 30 Joule yang akan cukup untuk memberi daya pada perangkat kita selama 10 detik.

Mengidentifikasi polaritas pada kapasitor super

Ketika datang ke kapasitor dan baterai, kita harus sangat berhati-hati dengan polaritasnya. Kapasitor dengan polaritas terbalik kemungkinan besar akan panas dan meleleh dan terkadang meledak dalam skenario terburuk. Kapasitor yang kami miliki adalah jenis koin yang polaritasnya ditunjukkan dengan panah kecil berwarna putih seperti gambar di bawah ini.

Saya berasumsi bahwa arah panah menunjukkan arah arus. Anda dapat menganggapnya seperti, arus selalu mengalir dari positif ke negatif dan karenanya panah dimulai dari sisi positif dan mengarah ke sisi negatif. Setelah Anda mengetahui polaritasnya dan jika Anda penasaran untuk mengisinya, Anda bahkan dapat menggunakan RPS yang mengaturnya ke 5.5V (atau 4.95V untuk keamanan) dan kemudian menghubungkan kabel positif RPS ke pin positif dan kabel negatif ke pin negatif dan Anda akan melihat kapasitor sedang diisi.

Berdasarkan peringkat RPS saat ini, Anda dapat mencatat bahwa kapasitor sedang diisi dalam hitungan detik dan setelah mencapai 5,5V itu akan berhenti menarik arus lagi. Kapasitor yang terisi penuh ini sekarang dapat digunakan dalam aplikasi yang sesuai sebelum dilepaskan sendiri.

Alih-alih menggunakan RPS dalam tutorial ini kami akan membangun pengisi daya yang mengatur 5,5V membentuk adaptor 12V dan menggunakannya untuk mengisi daya kapasitor super. Tegangan kapasitor akan dipantau menggunakan komparator op-amp dan begitu kapasitor diisi, rangkaian secara otomatis akan memutuskan super-kapasitor dari sumber tegangan. Kedengarannya menarik, jadi mari kita mulai.

Bahan yang Dibutuhkan

• Adaptor 12V
• IC Regulator Tegangan LM317
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP Transistor
• LED
• Penghambat
• Kapasitor

Diagram Sirkuit

Diagram rangkaian lengkap untuk Sirkuit Pengisi Daya Superkapasitor ini diberikan di bawah ini. Sirkuit digambar menggunakan software Proteus, simulasi yang sama akan ditampilkan nanti.

Sirkuit ini didukung oleh adaptor 12V; kami kemudian menggunakan LM317 untuk mengatur 5,5V untuk mengisi kapasitor kami. Tetapi 5,5V ini akan disediakan untuk kapasitor melalui MOSFET yang bertindak sebagai sakelar. Sakelar ini akan menutup hanya jika tegangan kapasitor kurang dari 4.86V karena kapasitor mendapat muatan dan tegangan meningkat, sakelar akan terbuka dan mencegah baterai terisi lebih lanjut. Perbandingan tegangan ini dilakukan dengan menggunakan op-amp dan kami juga menggunakan transistor PNP BC557 untuk menyalakan LED saat proses pengisian selesai. Diagram sirkuit yang ditunjukkan di atas dipecah menjadi beberapa segmen di bawah ini untuk penjelasan.

Regulasi Tegangan LM317:

Resistor R1 dan R2 digunakan untuk menentukan tegangan keluaran Regulator LM317 berdasarkan rumus Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Di sini kami telah menggunakan nilai 1k dan 3.3k untuk mengatur tegangan keluaran 5.3V yang cukup dekat dengan 5.5V. Anda dapat menggunakan kalkulator online kami untuk menghitung tegangan output yang diinginkan berdasarkan nilai resistor yang tersedia untuk Anda.

Pembanding Op-Amp:

Kami telah menggunakan IC komparator LM311 untuk membandingkan nilai tegangan kapasitor super dengan tegangan tetap. Tegangan tetap ini diberikan ke pin nomor 2 menggunakan rangkaian pembagi tegangan. Resistor 2.2k dan 1.5k menurunkan tegangan 4.86V dari 12V. 4.86 volt ini dibandingkan dengan tegangan ref (tegangan kapasitor) yang dihubungkan ke pin 3. Ketika tegangan ref lebih kecil dari 4.86V maka pin keluaran 7 akan menjadi tinggi dengan 12V dengan resistor 10k pull-up. Tegangan ini kemudian akan digunakan untuk menggerakkan MOSFET.

MOSFET dan BC557:

The IRFZ44N MOSFET digunakan untuk menghubungkan kapasitor super untuk pengisian tegangan berdasarkan sinyal dari op-amp. Ketika op-amp menjadi tinggi, ia mengeluarkan 12V pada pin 7 yang menyalakan MOSFET melalui pin dasarnya sama seperti ketika op-amp menjadi rendah (0V), MOSFET akan dibuka. Kami juga memiliki transistor PNP BC557 yang akan menyalakan LED ketika MOSFET mati yang menunjukkan bahwa tegangan kapasitor lebih dari 4,8V.

Simulasi Rangkaian Charger Supercapacitor

Untuk mensimulasikan rangkaian saya telah mengganti baterai dengan resistor variabel untuk memberikan tegangan variabel ke pin 3 op-amp. Kapasitor Super diganti dengan LED untuk menunjukkan apakah itu dinyalakan atau tidak. Hasil simulasi dapat dilihat di bawah.

Seperti yang Anda lihat saat menggunakan probe tegangan, ketika tegangan pada pin pembalik lebih rendah daripada pin non-pembalik, op-amp menjadi tinggi dengan 12V pada pin 7 yang menyalakan MOSFET dan dengan demikian mengisi kapasitor (LED kuning). 12V ini juga memicu transistor BC557 untuk mematikan LED hijau. Saat tegangan Kapasitor (potensiometer) meningkat, LED hijau akan menyala karena op-amp akan mengeluarkan 0V seperti yang ditunjukkan di atas.

Pengisi Daya Superkapasitor pada Perangkat Keras

Rangkaiannya cukup sederhana dan dapat dibuat di papan tempat memotong roti, tetapi saya memutuskan untuk menggunakan papan Perf sehingga saya dapat menggunakan kembali rangkaian tersebut di masa mendatang dalam setiap upaya untuk mengisi kapasitor super saya. Saya juga berniat untuk menggunakannya bersama dengan panel surya untuk proyek portabel, oleh karena itu mencoba membuatnya sekecil dan sekaku mungkin. Sirkuit lengkap saya setelah disolder pada papan bertitik ditunjukkan di bawah ini.

Dua tongkat berg betina dapat disadap menggunakan pin buaya untuk mengisi kapasitor. LED kuning menunjukkan daya ke modul dan LED biru menunjukkan status pengisian. Setelah proses pengisian selesai, LED akan tetap menyala. Setelah rangkaian siap, cukup sambungkan kapasitor dan Anda akan melihat LED biru mati dan setelah beberapa saat akan tinggi lagi untuk menunjukkan proses pengisian selesai. Anda dapat melihat papan dalam status pengisian dan terisi di bawah.

Pekerjaan lengkap dapat ditemukan di video yang diberikan di bagian bawah halaman ini, jika Anda memiliki masalah untuk membuatnya berfungsi, posting di bagian komentar atau gunakan forum kami untuk pertanyaan teknis lainnya.

Perbaikan Desain

Desain sirkuit yang diberikan di sini kasar dan berfungsi sesuai tujuannya; beberapa perbaikan wajib yang saya perhatikan setelah pembuatan dibahas di sini. BC557 menjadi panas karena 12V melintasi basis dan emitornya sehingga dioda tegangan tinggi harus digunakan sebagai pengganti BC557.

Kedua, sebagai pengisi daya kapasitor, pembanding tegangan mengukur perubahan tegangan tetapi ketika MOSFET mati setelah pengisian, op-amp merasakan penguatan tegangan rendah dan menyalakan FET lagi, proses ini diulangi beberapa kali sebelum op-amp mati sepenuhnya. Sirkuit pengunci pada keluaran op-amp akan menyelesaikan masalah.