Skocz do zawartości

Ładowanie superkondensatora


Sabre

Pomocna odpowiedź

Projektuję pewne urządzenie z mikrokontrolerem, gdzie podtrzymanie zasilania będzie zapewnione przez dwa połączone szeregowo superkondensatory o pojemności 10F każdy. Mam dylemat odnośnie ładowania tej baterii kondensatorów. Wynika on z małej wydajności prądowej głównego źródła zasilania, będę miał teoretycznie około 120mA, ale prawdę mówiąc nie sądzę, że stabilizatorowi liniowemu spodoba się podłączenie bezpośrednio takiej pojemności nawet przez diodę schottky'ego. Chcę uzyskać napięcie na kondensatorach jak najbardziej zbliżone do 5V, aby było jak najwyższe. Zastanawiam się nad dwoma sposobami ładowania tej baterii, pierwszy to źródło prądowe na mosfecie P i prąd około 50mA. Drugie rozwiązanie to mosfet P sterowany tranzystorem NPN za pomocą PWMa z mikrokontrolera. Ale tu jest trochę pies pogrzebany. Chodzi o to, że będę usypiał mikrokontroler a to spowoduje, że nie będę miał kontroli nad ładowaniem w tym czasie. Oczywiście mogę usypiać mikrokontroler po naładowaniu baterii, ale jeśli się zdarzy, że zasilania głównego nie będzie przez bardzo długi czas i po powrocie zasilania kondensatory będą rozładowane to mikrokontroler będzie musiał znowu przez długi czas pilnować ładowania, a tego chciałbym uniknąć.

I teraz pytanie do Was, jak to ugryźć w jak najprostszy sposób, taki najmniej wymagający pilnowania. Oczywiście rezystor szeregowo odrzucam z góry.

Edycja:

Uprzedzając pytania, dlaczego takie podtrzymanie zasilania? Urządzenie będzie musiało po zaniku zasilania głównego wykonać pewną pracę, która będzie wymagała prądu ponad 100mA przez około 30 sekund. Te kondensatory zapewnią mi z dużym zapasem takie zasilanie. I nie, nie mogę użyć żadnych baterii ani akumulatorków w miejsce tych kondensatorów, gdyż urządzenie to ma być bezobsługowe i nie będę miał do niego dostępu powiedzmy przez 2 lata, a może i dłużej jeśli wszystko będzie działało poprawnie.

Link do komentarza
Share on other sites

OK, supercapy są dzisiaj powszechnie stosowane więc to żadne wielkie widzimisie. Żeby sensownie podyskutować muszę jeszcze wiedzieć kilka rzeczy:

1.Jakim "pierwotnym" źródłem mocy dysponujesz, tj, jakie ono ma napięcie i jaki prąd i co to w ogóle jest. Zasilanie sieciowe? Jak zrobione?

2. Jak bardzo zależy Ci na sprawności procesu ładowania?

Źródła napięciowe typu stabilizator napięcia starają się utrzymać napięcie wyjściowe za wszelką cenę a po po przekroczeniu ich wydajności prądowej wchodzą w tryb ograniczenia prądu/mocy/temperatury - zależy co będzie pierwsze. Już z tego widać, że zwykły stabilizator napięcia będzie słabo pełnił rolę ładowarki czegoś, co startuje od 0V. Oczywiście źródło prądowe jest tu rozwiązaniem narzucającym się. Jedynym kłopotem może być jego napięcie nasycenia - i dlatego pytałem czym dysponujesz na wejściu. Jeżeli masz tam np. 12V to źródło prądowe będzie miało wymarzone warunki, choć trzeba jeszcze dorobić ograniczenie napięcia. Jeżeli jednak dysponujesz jedynie 5VDC i z tego chcesz naładować kondensatory do 5V to pod koniec źródło będzie wchodziło w nasycenie, bo przecież prąd w końcu zacznie spadać.

Oczywiście wszelkie PWM odpada, bo to de facto będzie oznaczać przywieranie rozładowanego do 0V ogromnego kondensatora (potrafiącego pochłonąć dowolnie duży prąd) do Twojego zasilacza. Żeby uśrednić i ustabilizować prąd możesz w takim układzie dać szeregową indukcyjność, ale w tym momencie zrobiłeś przetwornicę impulsową typu buck (step-down). No i dlatego pytałem o sprawność. Jeżeli Cię ona nie obchodzi, opornik jest superprostym i tanim rozwiązaniem. Albo liczysz go na najgorszy przypadek (tj 5Vin, 0Vcap, 50mA czyli 100Ω) albo na oczekiwany czas ładowania licząc się z przekroczeniem prądu. Dlaczego to jest złe? Proste wzory pozwalają ustalić po jakim czasie napięcie osiągnie np. 80 czy 99% napięcia wejściowego. Niczego nie trzeba kontrolować, działa samo i zawsze.

Co się dzieje w przypadku gdy główne źródło zdycha? Czy to oznacza jego fizyczne odłączenie jak np. wyjęcie wtyczki od zasilania 5VDC? A może głównym zasilaczem jest przetwornica AC/DC z transformatorem (np. flyback?) i prostownikiem/diodą na wyjściu? To ważne, bo chcę wiedzieć czy układ ładowania musi też pełnić rolę diody zapobiegającej rozładowywaniu kondensatorów z powrotem do źródła w czasie gdy ono nie żyje.

Aktywne źródło prądowe w wykonaniu z MOSFETem jest lepsze od opornika jedynie czasem ładowania, sprawność jest dokładnie taka samo kiepska.

Pod tym względem najlepsza byłaby przetwornica impulsowa, ale ta będzie miała kłopoty z naładowaniem do pełnych 5V, chyba że zrobisz buck-boost lub po jej wyłączeniu (po osiągnięciu stanu powiedzmy 4V) załączysz opornik szeregowy dopakowujący do 5V, ale startujący z 50mA przy różnicy 1V 🙂

Podsumowując: jaki masz margines napięcia od Vin do żądanych 5V? Jaka sprawność? I dlaczego nie opornik? 🙂

Są oczywiście scalone ładowarki supercapów, czyli impulsowe źródła prądowe przygotowane do pracy od 0V na wyjściu, ale tego nie proponuję - miało być prosto. Gotowe ładowarki akumulatorów (2zł) które zawierają źródło prądowe (programowane np. jednym opornikiem) są ostatnio zbyt mądre i przy napięciu mniejszym od pewnego progu uznałyby, że akumulator jest uszkodzony albo próbowały ładować jakimś prądem "uzdrawiającym". Prosty wydaje się też stabilizator napięcia z referencją zawieszoną na plusie wyjścia (typu LM1117) - coś takiego jednym opornikiem przerabiasz na źródło prądowe, ale zwykle całe to coś potrzebuje >2V spadku na samym sobie.

Link do komentarza
Share on other sites

marek1707, dzięki za odpowiedź. Układ wygląda tak, zasilanie sieciowe, mały transformatorek 6V zmiennego, wydajność 120mA max, na to oczywiście mostek i regulator napięcia 5V o niskim spadku. Układ już zabezpieczyłem diodami przed rozładowaniem superkondensatorów tylko utknąłem na układzie ładowania. Odrzuciłem już LM317 w roli źródła prądowego ze względu na duży spadek napięcia (1,25V). Najprostsze wydaje się użycie po prostu rezystora, ale nie da mi to najkrótszego czasu ładowania a na tym mi generalnie zależy.

W sumie nie pomyślałem żeby zrobić przetwornicę na mikrokontrolerze, ale to bardziej skomplikuje układ. Chcę generalnie monitorować stopień naładowania i jeśli będzie wystarczająco wysoki to wtedy załączałbym zasilanie do tych kondensatorów na stałe i usypiałbym mikrokontroler. Dlatego kombinuję z czymś co byłoby sterowanym źródłem prądowym na jednym mosfecie. Ale usypianie mikrokontrolera trochę będzie mi przeszkadzało.

Generalnie mam monitorowanie każdego napięcia po diodach, zasilania ze stabilizatora i backupu z superkondensatorów. Na tej podstawie określam czy jest zasilanie sieciowe czy nie.

Tak wygląda schemat zasilania:

Link do komentarza
Share on other sites

Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.
Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.

jlcpcb.jpg

jlcpcb.jpg

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

grg0, nie mogę użyć tego ze względu na koszta. Mam już kupione wszystkie elementy, transformatorek malutki był najtańszą i najbardziej niezawodną opcją dla mnie. Nie potrzebuję chwilowo na tyle dużo prądu, że uzasadnione byłoby wykorzystanie wydajniejszego źródła prądu. Do tego w obudowie urządzenia dysponuję ograniczoną ilością miejsca. Robiłem już na tyle dużo testów tych superkondensatorów, że wiem, że spełnią moje oczekiwania pod każdym względem. Nie muszę ładować ich w kilka sekund, mogą ładować się nawet i pół godziny, ponieważ to będzie tyle trwało tylko wtedy, gdy będą całkowicie rozładowane, a to raczej nie nastąpi ot tak. Musiałaby być bardzo długo trwająca przerwa w zasilaniu sieciowym, ale wtedy urządzenie musi zadziałać tylko raz.

Czytałem opracowania dotyczące zabezpieczania superkondensatorów przed nierównomiernym ładowaniem i w moim przypadku wystarczą rezystory 1% i o wartości spokojnie 10k. Da mi to prąd rozładowania na poziomie 250uA co wystarczy do utrzymania równych napięć na 2 szeregowo połączonych kondensatorach.

Chodzi mi tylko o w miarę bezobsługowe ładowanie tych kondensatorów w przypadku gdy będą rozładowane na tyle mocno, że pobierałyby bez ograniczenia, prąd wyższy niż moje źródło jest w stanie dać. A to spowodowałoby spadek napięcia i problemy z mikrokontrolerem, i tego chcę uniknąć. Chyba pozostanę przy opcji źródła prądowego na mosfecie.

Link do komentarza
Share on other sites

Trochę się pogubiłem. Masz źródło napięciowe o wydajności 120mA (sprawdzone, tak?). Rozumiem, że możesz "wyjąć" z niego 50mA na ładowanie kondensatorów. Czyli w najgorszym przypadku mamy taką sytuację: 50mA na ładowanie kondensatorów i 70mA na zasilanie układu, i to wystarcza?

Jeżeli przerwy w zasilaniu są krótkotrwałe i rzadkie, i kondensator może się długo ładować, to nie wiem czemu wzbraniasz się przed ładowaniem przez rezystor.

Link do komentarza
Share on other sites

Ja rozumiem to tak:

Rezystor dla Sabre jest prostym i dopuszczalnym rozwiązaniem, ale ostatecznym. Budżet starcza na zrobienie czegoś lepszego, ale uwarunkowania techniczne i wymagana prostota raczej wykluczają przetwornicę impulsową. Z tego wychodzi, że proste, liniowe źródło prądowe z bardzo małym napięciem nasycenia będzie złotym środkiem. Daje istotnie mniejszy czas ładowania niż rezystor, jest niewiele od niego droższe i nie absorbuje procesora. Wadą jest oczywiście sprawność, czyli słabe wykorzystanie mocy zasilacza.

Przykładowo na początku, gdy mamy powiedzmy 0.5V na kondensatorach i opornik 100Ω, prąd ładowania wyniesie 45mA i sprawność 10%. W tych samych warunkach przetwornica impulsowa będzie ładować prądem jakieś 0.45A/225mW wciąż pobierając z wejścia 50mA/250mW przy sprawności 90%. Być może warto poszukać niskomocowego scalaka typu buck z wbudowanym prostowaniem synchronicznym i zamknąć mu sprzężenie zwrotne przez wzmacniacz operacyjny "widzący" prąd w jakimś małym oporniku szeregowym. Jeżeli na dodatek przetwornica będzie umiała pracować do 100% wypełnienia (są takie), to masz sprawne źródełko nie wymagające nadzoru procesora i ładujące kondensatory w najkrótszym możliwym czasie. Czy to jest jednostkowe wykonanie czy coś większego? Bo przy jednej sztuce to można trochę budżet naginać, ale jeśli będziesz to powielać to nie ma rady, trzeba prosto i tanio..

Sabre, pamiętaj też o upływności samych kondensatorów - sprawdź to w ich katalogu. Te duże, przeznaczone do w zasadzie nieograniczonych prądów rozładowania mają ją sporą i te Twoje 250uA dzielnika może być kroplą w morzu. Chodzi mi o to, że po naładowaniu trzeba ciągle coś tam dosypywać a w czasie przerwy w zasilaniu spadek napięcia będzie zadziwiająco szybki jak na pojemność i (pewnie) zerowe obciążenie. Jeśli energię potrzebujesz tylko na jednorazowe podtrzymanie zaraz po wyłączeniu mocy, nie ma problemu. Do długotrwałego podtrzymania (np. pamięci SRAM czy RTC) albo załączenia systemu po tygodniu od zaniku przeznaczone są zupełnie inne supercapy, ale te mają zwykle mikre prądy rozładowania.

Pokaż źródło jakie chcesz wstawić.

Link do komentarza
Share on other sites

marek1707, płytkę wykonuję w 6 egzemplarzach, teoretycznie nie chciałbym kombinować z jakimiś bardziej skomplikowanymi układami ładowania. Miało być prosto, nisko awaryjnie i jak najbardziej bezobsługowe.

Upływność kondensatorów sprawdzałem, jest naprawdę dobrze, według dokumentacji jest to 0,03mA/72h. To są dokładnie te kondensatory.

Pokaż źródło jakie chcesz wstawić.

O jakie źródło chodzi? O to jakie chcę zrobić źródło prądowe?

Link do komentarza
Share on other sites

Trochę dziwna ta jednostka: mA/hr, ale to zdaje się Chiny, tam może być inaczej 🙂

Zwykle upływności podaje się jako mA/V lub jako mA/C. Pod tabelką tłumaczą, że to "leakage current after 72 hours at 25 ̊C", czyli jak rozumiem po trzech dobach mierzą napięcie na kondensatorze i z jego spadku względem chwili T=0 oraz z pojemności wyznaczają średni prąd jaki musiał płynąć wewnątrz. Rzeczywiście, 30uA przy 10F to naprawdę mało.

Tak, pytam o źródło prądowe. Mój pomysł jest taki:

Mierzy prąd na oporniku 10Ω złączem B-E więc potrzebuje tylko 0.6V nadmiaru. Ładuje kondensator stałym prądem ok. 55-60mA do napięcia ok. 0.6V mniejszego od wejściowego. Potem MOSFET wchodzi w nasycenie i zostaje jedynie opornik pomiarowy, ale "do pokonania" mamy już tylko 0.6V. Jeżeli ustawisz próg procesora na Vin-0.5V, będziesz wiedział że proces szybkiego ładowania już się zakończył.

Na początku na tranzystorze regulacyjnym będziesz tracił ok 250mW więc jeśli ma to być SOT23 to daj mu trochę miedzi w drenie. A jeśli dasz coś w SOT223, powinien sobie poradzić nawet tylko ze ścieżkami i trochę większym padem pod całością obejmującym także blaszkę drenu.

Link do komentarza
Share on other sites

Nawet jeśli znajdziesz tak mocny JFET (bo przecież są), to one potrzebują z -1.5V żeby się przytkać więc tyle musisz odłożyć na oporniku szeregowym i od takiego spadku napięcia zacznie się ładowanie przez opornik. Właśnie dlatego do "pomiaru" prądu użyłem złącza BE, bo "wyżej dociąga" w trybie aktywnej regulacji.

Jeszcze lepiej byłoby zrobić to na malutkim oporniku (np. 1Ω) i wzmacniaczu operacyjnym, bo wtedy stabilizacja prądu będzie działać do różnicy ok. 50mV czyli praktycznie do wyrównania napięć.

Link do komentarza
Share on other sites

Dołącz do dyskusji, napisz odpowiedź!

Jeśli masz już konto to zaloguj się teraz, aby opublikować wiadomość jako Ty. Możesz też napisać teraz i zarejestrować się później.
Uwaga: wgrywanie zdjęć i załączników dostępne jest po zalogowaniu!

Anonim
Dołącz do dyskusji! Kliknij i zacznij pisać...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Przywróć formatowanie

  Dozwolonych jest tylko 75 emoji.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.