UPS Super Capacitor: 6 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Para um projeto, fui solicitado a planejar um sistema de energia de backup que pudesse manter o microcontrolador funcionando cerca de 10 segundos após a perda de energia. A ideia é que durante esses 10 segundos o controlador tenha tempo suficiente para

• Pare o que quer que esteja fazendo
• Salve o estado atual na memória
• Envie a mensagem de perda de energia (IoT)
• Muda-se para o modo de espera e aguarda a perda de energia

A operação normal começa somente após uma reinicialização. Ainda é necessário um planejamento de qual poderia ser o procedimento caso a energia retornasse durante esses 10 segundos. No entanto, minha tarefa era me concentrar na fonte de alimentação.

A solução mais simples pode ser usar um UPS externo ou algo parecido. Obviamente, esse não é o caso e precisávamos de algo muito mais barato e menor. As demais soluções são usando bateria ou supercapacitor. Exatamente durante o processo de avaliação, vi um bom vídeo no YouTube sobre um tópico semelhante: Link.

Após algumas considerações, o circuito do supercapacitor parecia a melhor solução para nós. É um pouco menor que a bateria (queremos usar componentes amplamente usados, embora eu pessoalmente não tenha certeza se o motivo do tamanho é realmente verdadeiro), requer menos componentes (o que significa que é mais barato) e o mais importante - soa muito melhor do que uma bateria (consequências de trabalhar com não engenheiros).

Uma configuração de teste foi construída para testar a teoria e controlar se o sistema de carregamento do supercapacitor funciona como deveria.

Este Instructable mostra mais o que foi feito, em vez de explicar como fazê-lo.

Etapa 1: a descrição do sistema

A arquitetura do sistema pode ser vista na figura. Primeiro, o 230VAC é convertido para 24VDC que para 5VDC e no final o circuito do microcontrolador está funcionando a 3,3V. No caso ideal, pode-se detectar a falha de energia já no nível da rede (230VAC). Infelizmente, não podemos fazer isso. Portanto, temos que verificar se a energia ainda está lá em 24 VCC. Assim, não se pode usar os capacitores de armazenamento da fonte de alimentação AC / DC. O microcontrolador e todos os outros componentes eletrônicos importantes estão em 3,3V. Foi decidido que, em nosso caso, o trilho de 5 V é o melhor lugar para adicionar o supercapacitor. Quando a tensão do capacitor está diminuindo lentamente, o microcontrolador ainda pode funcionar a 3,3V.

Requisitos:

• Corrente constante - Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Tensão mínima (tensão mínima permitida em trilho de 5 V) - Vend = 3,0 V
• Tempo mínimo que o capacitor deve cobrir - T = 10 seg

Existem vários IC-s de carregamento de supercapacitor especiais disponíveis que podem carregar o capacitor muito rápido. Em nosso caso, o tempo de carregamento não é crítico. Assim, um circuito resistor de diodo mais simples é suficiente. Este circuito é simples e barato com algumas desvantagens. O problema do tempo de carregamento já foi mencionado. No entanto, a principal desvantagem é que o capacitor não é carregado com sua tensão total (queda de tensão do diodo). No entanto, a tensão mais baixa pode nos trazer alguns lados positivos também.

Na curva de vida útil esperada do supercapacitor da folha de dados da série AVX SCM (link), é possível ver a vida útil esperada versus temperatura de operação e a tensão aplicada. Se o capacitor tiver valor de tensão inferior, a vida útil esperada aumenta. Isso pode ser benéfico, pois um capacitor de tensão mais baixa pode ser usado. Isso ainda precisa ser esclarecido.

Como será mostrado nas medições, a tensão de operação do capacitor será em torno de 4,6 V-4,7 V - 80% Vrated.

Etapa 2: Circuito de teste

Após alguma avaliação, os supercapacitores AVX foram escolhidos para teste. Os testados são classificados para 6V. Na verdade, isso está muito próximo do valor que planejamos usar. No entanto, para fins de teste, é suficiente. Três valores de capacitância diferentes foram testados: 1F, 2,5F e 5F (2x 2,5F em paralelo). A classificação dos capacitores é a seguinte

• Precisão da capacitância - 0% + 100%
• Tensão nominal - 6V

• Número da peça do fabricante -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Vida - 2.000 horas a 65 ° C

Para combinar a tensão de saída com a tensão do capacitor, são usados diodos de tensão direta mínimos. No teste, diodos VdiodeF2 = 0,22 V são implementados juntamente com diodos de alta corrente com VdiodeF1 = 0,5 V.

É usado um conversor IC-DC LM2596 simples. Isso é um IC muito robusto e permite flexibilidade. Para testar diferentes cargas foram planejadas: principalmente cargas resistivas diferentes.

Os dois resistores paralelos de 3,09kΩ paralelos ao supercapacitor são necessários para a estabilidade da tensão. No circuito de teste, os supercapacitores são conectados por meio de interruptores e, se nenhum dos capacitores estiver conectado, a tensão pode estar muito alta. Para proteger os capacitores, um diodo Zener 5.1V é colocado paralelo a eles.

Para a carga, o resistor de 8,1kΩ e o LED estão fornecendo alguma carga. Percebeu-se que na condição sem carga a tensão poderia ficar acima do desejado. Os diodos podem causar algum comportamento inesperado.

Etapa 3: cálculos teóricos

Premissas:

• Corrente constante - Iconst = 0,5A
• Vout @ falha de energia - Vout = 5,0V
• Tensão de carga do capacitor antes dos diodos - Vin55 = Vout + VdiodoF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Tensão de partida (Vcap @ falha de energia) - Vcap = Vin55 - VdiodoF1 - VdiodoF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ falha de energia - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Vcap mínimo - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3V
• Tempo mínimo que o capacitor deve cobrir - T = 10 seg

Tempo para carregar um capacitor (teórico): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconexões

Para o capacitor 1F, é R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27 ohm

Se C = 1,0F, Tcharging = 135 seg = 2,5 minutos

Se C = 2,5F, Tcharging = 337 seg = 5,7 minutos

Se C = 5,0F, Tcharging = 675 seg = 11 minutos

A partir dos pressupostos, podemos assumir que a classificação de potência constante é de aprox.: W = I * V = 2,5W

Em um capacitor, pode-se armazenar certa quantidade de energia: W = 0,5 * C * V ^ 2

A partir desta fórmula, a capacitância pode ser calculada:

• Eu quero desenhar x Watts por t segundos, quanta capacitância eu preciso (Link)? C = 2 * T * W / (Vinício ^ 2 - Vend ^ 2) = 5,9F
• Eu quero desenhar x Amps para t Segundos, quanta capacitância eu preciso? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Se escolhermos o valor do capacitor como 5F:

• Quanto tempo vai demorar para carregar / descarregar este capacitor com uma corrente constante (Link)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11,0 seg
• Quanto tempo levará para carregar / descarregar este capacitor com uma potência constante (W)? Tdischarge = 0,5 * C * (Vinício ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8,47 seg

Se usar um Rcharge = 25ohm, a corrente de carga seria

E o tempo de carga aproximadamente: Tcharging = 625 seg = 10,5 minutos

Etapa 4: Medições práticas

Diferentes configurações e valores de capacitância foram testados. Para simplificar o teste, uma configuração de teste controlada pelo Arduino foi construída. Os esquemas são mostrados nas figuras anteriores.

Três tensões diferentes foram medidas e os resultados se encaixam relativamente bem com a teoria. Como as correntes de carga são muito mais baixas do que a classificação do diodo, a queda de tensão direta é um pouco menor. No entanto, como pode ser visto, a tensão do supercapacitor medida corresponde exatamente aos cálculos teóricos.

Na figura a seguir, pode-se ver uma medição típica com capacitor 2,5F. O tempo de carregamento se encaixa bem com o valor teórico de 340seg. Após 100 segundos adicionais, a tensão do capacitor aumentou apenas 0,03 V, o que significa que a diferença é insignificante e está na faixa de erro de medição.

Na figura a seguir, pode-se observar que após a queda de energia a tensão de saída Vout é VdiodeF2 menor que a tensão do capacitor Vcap. A diferença é dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Um resumo dos tempos medidos pode ser visto na tabela anexa. Como pode ser visto, os resultados não correspondem exatamente aos cálculos teóricos. Os tempos medidos são geralmente melhores do que os calculados, o que significa que alguns parasitas resultantes não foram considerados nos cálculos. Ao observar o circuito construído, pode-se notar que existem vários pontos de conexão não bem definidos. Além disso, os cálculos não consideram bem o comportamento da carga - quando a tensão cai, a corrente diminui. No entanto, os resultados são promissores e estão na faixa esperada.

Etapa 5: algumas possibilidades de melhoria

Pode-se melhorar o tempo de operação se usarmos um conversor boost em vez do diodo após o supercapacitor. Nós consideramos isso, no entanto, o preço é mais alto do que um diodo simples.

Carregar o supercapacitor através de um diodo (no meu caso, dois diodos) significa queda de tensão e isso pode ser removido se um capacitor especial de carregamento IC for usado. Novamente, o preço é a principal preocupação.

Alternativamente, uma chave do lado alto pode ser usada junto com uma chave PNP. Uma possível solução pensada rápida pode ser vista a seguir. Todos os interruptores são controlados por um diodo zener que é alimentado por uma entrada de 24V. Se a tensão de entrada cair abaixo da tensão zener do diodo, a chave PNP liga e as outras chaves do lado alto são desligadas. Este circuito não foi testado e provavelmente requer alguns componentes adicionais (passivos).

Etapa 6: Conclusão

As medidas se encaixam muito bem com os cálculos. Mostrando que os cálculos teóricos podem ser usados - surpresa-surpresa. Em nosso caso especial, um pouco mais do que um capacitor de 2,5 F é necessário para fornecer uma quantidade suficiente de energia para o período de tempo determinado.

Mais importante, o circuito de carga do capacitor funciona conforme o esperado. O circuito é simples, barato e suficiente. Existem algumas desvantagens mencionadas, no entanto, o preço baixo e a simplicidade compensam isso.

Esperançosamente, este pequeno resumo pode ser útil para alguém.