Wie man eine Superkondensator-Ladeschaltung herstellt

Der Begriff Superkondensatoren und seine mögliche Verwendung in Elektrofahrzeugen, Smartphones und IoT-Geräten werden in jüngster Zeit ausführlich behandelt. Die Idee des Superkondensators selbst stammt jedoch aus dem Jahr 1957, als General Electric erstmals experimentierte, um die Speicherkapazität seiner Geräte zu erhöhen Kondensatoren. Im Laufe der Jahre hat sich die Superkondensatortechnologie erheblich verbessert, da sie heute als Batterie-Backup, Solar-Powerbanks und andere Anwendungen verwendet wird, bei denen eine kurze Leistungssteigerung erforderlich ist. Viele haben ein Missverständnis, Super Caps langfristig als Ersatz für Batterien zu betrachten, aber zumindest mit der heutigen Technologie sind Superkondensatoren nichts anderes als Kondensatoren mit hoher Ladekapazität. Weitere Informationen zu Superkondensatoren finden Sie in unseren vorherigen Artikeln.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie solche Superkondensatoren sicher aufladen, indem Sie eine einfache Ladeschaltung entwerfen und sie dann zum Laden unseres Superkondensators verwenden, um zu überprüfen, wie gut er Energie hält. Ähnlich wie bei Batteriezellen kann der Superkondensator auch zu Kondensatorleistungsbänken kombiniert werden. Der Ansatz zum Laden einer Kondensatorleistungsbank ist unterschiedlich und liegt außerhalb des Geltungsbereichs dieses Artikels. Hier wird der einfache und allgemein erhältliche 5,5-V-1F-Münz-Superkondensator verwendet, der einer Knopfzelle ähnelt. Wir werden lernen, wie man Superkondensatoren vom Münztyp auflädt und in geeigneten Anwendungen verwendet.

Laden eines Superkondensators

Wenn man einen Superkondensator vage mit einer Batterie vergleicht, haben Superkondensatoren eine geringe Ladungsdichte und schlechtere Selbstentladungseigenschaften, aber in Bezug auf Ladezeit, Haltbarkeit und Ladezyklus übertreffen Superkondensatoren Batterien. Aufgrund der Verfügbarkeit des Ladestroms können Superkondensatoren in weniger als einer Minute aufgeladen werden und bei richtiger Handhabung länger als ein Jahrzehnt halten.

Im Vergleich zu Batterien haben die Superkondensatoren einen sehr niedrigen ESR-Wert (Equivalent Series Resistance). Dadurch kann ein höherer Stromwert in den Kondensator fließen oder aus diesem herausfließen, sodass er schneller geladen oder mit hohem Strom entladen werden kann. Aufgrund dieser Fähigkeit, mit hohem Strom umzugehen, sollte ein Superkondensator sicher geladen und entladen werden, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern. Wenn es um das Laden eines Superkondensators geht, gibt es zwei goldene Regeln: Der Kondensator sollte mit der richtigen Polarität und mit einer Spannung geladen werden, die 90% seiner Gesamtspannungskapazität nicht überschreitet.

Superkondensatoren auf dem heutigen Markt sind normalerweise für 2,5 V, 2,7 V oder 5,5 V ausgelegt. Genau wie eine Lithiumzelle müssen diese Kondensatoren in Reihe und parallel geschaltet werden, um Hochspannungsbatteriesätze zu bilden. Im Gegensatz zu Batterien summiert ein Kondensator, wenn er in Reihe geschaltet ist, gegenseitig seine Gesamtspannung, was es erforderlich macht, mehr Kondensatoren hinzuzufügen, um Batteriepacks mit angemessenem Wert zu bilden. In unserem Fall haben wir einen 5,5 V 1F-Kondensator, daher sollte die Ladespannung 90% von 5,5 betragen, was ungefähr 4,95 V entspricht.

In einem Superkondensator gespeicherte Energie

Wenn Sie Kondensatoren als Energiespeicherelemente zur Stromversorgung unserer Geräte verwenden, ist es wichtig, die in einem Kondensator gespeicherte Energie zu bestimmen, um vorherzusagen, wie lange das Gerät mit Strom versorgt werden kann. Die Formeln zur Berechnung der im Kondensator gespeicherten Energie können durch E = 1 / 2CV ^{2 angegeben werden}. In unserem Fall wird bei einem 5,5 V 1 F-Kondensator bei voller Ladung die gespeicherte Energie gespeichert

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joule

Mit diesem Wert können wir nun berechnen, wie lange der Kondensator Dinge mit Strom versorgen kann, beispielsweise wenn wir 10 Sekunden lang 500 mA bei 5 V benötigen. Dann kann die für dieses Gerät benötigte Energie unter Verwendung der Formeln Energie = Leistung x Zeit berechnet werden. Hier wird die Leistung mit P = VI berechnet , sodass die Leistung für 500 mA und 5 V 2,5 Watt beträgt.

Energie = 2,5 x (10/60 * 60) Energie = 0,00694 Wattstunde oder 25 Joule

Daraus können wir schließen, dass wir mindestens zwei dieser Kondensatoren parallel benötigen (15 + 15 = 30), um ein Netzteil mit 30 Joule zu erhalten, das ausreicht, um unser Gerät 10 Sekunden lang mit Strom zu versorgen.

Polarität am Superkondensator erkennen

Wenn es um Kondensatoren und Batterien geht, sollten wir mit der Polarität sehr vorsichtig sein. Ein Kondensator mit umgekehrter Polarität erwärmt und schmilzt höchstwahrscheinlich und platzt im schlimmsten Fall manchmal. Der Kondensator, den wir haben, ist vom Münztyp, dessen Polarität wie unten gezeigt mit einem kleinen weißen Pfeil angezeigt wird.

Ich gehe davon aus, dass die Pfeilrichtung die Stromrichtung angibt. Sie können sich vorstellen, dass der Strom immer von positiv nach negativ fließt und daher der Pfeil von der positiven Seite beginnt und zur negativen Seite zeigt. Sobald Sie die Polarität kennen und neugierig sind, sie aufzuladen, können Sie sie sogar mit einem RPS auf 5,5 V (oder 4,95 V aus Sicherheitsgründen) einstellen und dann die positive Leitung von RPS mit dem positiven Pin und die negative Leitung mit dem negativen Pin und verbinden Sie sollten sehen, dass der Kondensator aufgeladen wird.

Anhand der Nennstromstärke des RPS können Sie feststellen, dass der Kondensator innerhalb von Sekunden aufgeladen wird und bei Erreichen von 5,5 V keinen Strom mehr zieht. Dieser voll geladene Kondensator kann jetzt in einer geeigneten Anwendung verwendet werden, bevor er sich selbst entlädt.

Anstatt in diesem Tutorial einen RPS zu verwenden , bauen wir ein Ladegerät, das 5,5 V regelt, aus einem 12-V-Adapter und laden damit den Superkondensator auf. Die Spannung des Kondensators wird mit einem Operationsverstärkerkomparator überwacht. Sobald der Kondensator aufgeladen ist, trennt die Schaltung den Superkondensator automatisch von der Spannungsquelle. Klingt interessant, also fangen wir an.

Erforderliche Materialien

12V Adapter
Spannungsregler-IC LM317
LM311
IRFZ44N
BC557 PNP-Transistor
LED
Widerstand
Kondensator

Schaltplan

Das vollständige Schaltbild für diese Superkondensator-Ladeschaltung ist unten angegeben. Die Schaltung wurde mit der Proteus-Software gezeichnet. Die Simulation derselben wird später gezeigt.

Die Schaltung wird von einem 12-V-Adapter gespeist. Wir verwenden dann einen LM317, um 5,5 V zu regulieren und unseren Kondensator aufzuladen. Diese 5,5 V werden dem Kondensator jedoch über einen MOSFET bereitgestellt, der als Schalter fungiert. Dieser Schalter schließt nur, wenn die Spannung des Kondensators weniger als 4,86 V beträgt, wenn der Kondensator aufgeladen wird und die Spannung ansteigt. Der Schalter öffnet sich und verhindert, dass die Batterie weiter aufgeladen wird. Dieser Spannungsvergleich wird mit einem Operationsverstärker durchgeführt. Außerdem verwenden wir einen PNP-Transistor BC557, um eine LED zu leuchten, wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist. Das oben gezeigte Schaltbild ist zur Erläuterung in Segmente unterteilt.

Spannungsregelung LM317:

Der Widerstand R1 und R2 wird verwendet, um die Ausgangsspannung des LM317-Reglers basierend auf den Formeln Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1) zu bestimmen. Hier haben wir einen Wert von 1k und 3,3k verwendet, um eine Ausgangsspannung von 5,3 V zu regeln, die nahe genug bei 5,5 V liegt. Mit unserem Online-Rechner können Sie die gewünschte Ausgangsspannung anhand des bei Ihnen verfügbaren Widerstandswerts berechnen.

Operationsverstärker-Komparator:

Wir haben den LM311-Komparator-IC verwendet, um den Spannungswert des Superkondensators mit einer festen Spannung zu vergleichen. Diese feste Spannung wird an Pin Nummer 2 unter Verwendung einer Spannungsteilerschaltung bereitgestellt. Die Widerstände 2.2k und 1.5k lassen eine Spannung von 4.86V von 12V abfallen. Diese 4,86 Volt werden mit der Referenzspannung (Spannung des Kondensators) verglichen, die an Pin 3 angeschlossen ist. Wenn die Referenzspannung kleiner als 4,86 V ist, wird der Ausgangspin 7 mit dem Pull-up-10k-Widerstand mit 12 V hoch. Diese Spannung wird dann zum Ansteuern des MOSFET verwendet.

MOSFET und BC557:

Der IRFZ44N-MOSFET wird verwendet, um den Superkondensator basierend auf dem Signal vom Operationsverstärker an die Ladespannung anzuschließen. Wenn der Operationsverstärker hoch geht, gibt er 12 V an Pin 7 aus, wodurch der MOSFET über seinen Basisstift eingeschaltet wird. Wenn der Operationsverstärker niedrig (0 V) wird, wird der MOSFET geöffnet. Wir haben auch einen PNP-Transistor BC557, der die LED einschaltet, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, was anzeigt, dass die Kondensatorspannung mehr als 4,8 V beträgt.

Simulation der Superkondensator-Ladeschaltung

Um die Schaltung zu simulieren, habe ich die Batterie durch einen variablen Widerstand ersetzt, um Pin 3 des Operationsverstärkers mit einer variablen Spannung zu versorgen. Der Superkondensator wird durch eine LED ersetzt, um anzuzeigen, ob er mit Strom versorgt wird oder nicht. Das Simulationsergebnis finden Sie unten.

Wie Sie bei der Verwendung der Spannungssonden sehen können, geht der Operationsverstärker mit 12 V an Pin 7 hoch, wenn die Spannung am invertierenden Pin niedrig ist als am nicht invertierenden Pin, wodurch der MOSFET eingeschaltet und somit der Kondensator aufgeladen wird (gelbe LED). Diese 12 V lösen auch den BC557-Transistor aus, um die grüne LED auszuschalten. Wenn die Spannung des Kondensators (Potentiometers) ansteigt, leuchtet die grüne LED auf, da der Operationsverstärker wie oben gezeigt 0 V ausgibt.

Superkondensator-Ladegerät auf Hardware

Die Schaltung ist ziemlich einfach und kann auf einem Steckbrett aufgebaut werden, aber ich habe mich für ein Perf-Board entschieden, damit ich die Schaltung in Zukunft bei jedem Versuch, meinen Superkondensator aufzuladen, wiederverwenden kann. Ich beabsichtige auch, es zusammen mit Solarpanel für tragbare Projekte zu verwenden, und habe daher versucht, es so klein und starr wie möglich zu bauen. Meine komplette Schaltung, die einmal auf eine gepunktete Platine gelötet wurde, ist unten gezeigt.

Die beiden weiblichen Bergsticks können mit Krokodilstiften zum Laden des Kondensators abgegriffen werden. Die gelbe LED zeigt die Stromversorgung des Moduls an und die blaue LED zeigt den Ladezustand an. Sobald der Ladevorgang abgeschlossen ist, leuchtet die LED auf, andernfalls bleibt sie ausgeschaltet. Sobald der Stromkreis fertig ist, schließen Sie einfach den Kondensator an und Sie sollten sehen, dass die blaue LED erlischt und nach einiger Zeit wieder hoch geht, um anzuzeigen, dass der Ladevorgang abgeschlossen ist. Sie können die Karte unten im Lade- und Ladezustand sehen.

Die vollständige Arbeitsweise finden Sie in dem Video unten auf dieser Seite. Wenn Sie Probleme haben, diese zum Laufen zu bringen, veröffentlichen Sie sie im Kommentarbereich oder nutzen Sie unsere Foren für andere technische Fragen.

Designverbesserungen

Das hier angegebene Schaltungsdesign ist grob und funktioniert für seinen Zweck; Einige obligatorische Verbesserungen, die ich nach dem Build bemerkt habe, werden hier besprochen. Der BC557 wird aufgrund der 12 V an Basis und Emitter heiß, daher sollte anstelle des BC557 eine Hochspannungsdiode verwendet werden.

Zweitens misst der Spannungskomparator beim Laden des Kondensators die Spannungsänderung. Wenn sich der MOSFET jedoch nach dem Laden ausschaltet, erkennt der Operationsverstärker eine niedrige Spannungsverstärkung und schaltet den FET wieder ein. Dieser Vorgang wird einige Male wiederholt, bevor der Operationsverstärker vollständig ausgeschaltet wird. Eine Verriegelungsschaltung am Operationsverstärkerausgang löst das Problem.