- شحن مكثف فائق
- الطاقة مخزنة في مكثف فائق
- تحديد قطبية المكثف الفائق
- المواد المطلوبة
- مخطط الرسم البياني
- محاكاة دائرة شاحن فائق السرعة
- شاحن فائق السرعة على الأجهزة
- تحسينات التصميم
يُنظر إلى مصطلح المكثفات الفائقة واستخدامه المحتمل في المركبات الكهربائية والهواتف الذكية وأجهزة إنترنت الأشياء على نطاق واسع في الآونة الأخيرة ، لكن فكرة المكثف الفائق نفسها تعود إلى عام 1957 عندما جربتها شركة جنرال إلكتريك لأول مرة لزيادة السعة التخزينية لها. المكثفات. على مر السنين ، تحسنت تقنية المكثفات الفائقة بشكل كبير بحيث يتم استخدامها اليوم كدعم للبطارية ، وبنوك للطاقة الشمسية وتطبيقات أخرى تتطلب تعزيز طاقة قصيرة. لدى الكثير فكرة خاطئة عن اعتبار الأغطية الفائقة كبديل للبطارية على المدى الطويل ، ولكن على الأقل مع تكنولوجيا المكثفات الفائقة اليوم ليست سوى مكثفات ذات سعة شحن عالية ، يمكنك معرفة المزيد عن المكثفات الفائقة من مقالاتنا السابقة.
في هذه المقالة سوف نتعلم كيفية شحن مثل هذه المكثفات الفائقة بأمان من خلال تصميم دائرة شاحن بسيطة ثم استخدامها لشحن مكثفنا الفائق للتحقق من مدى جودته في الاحتفاظ بالطاقة. على غرار خلايا البطارية ، يمكن أيضًا دمج المكثف الفائق لتشكيل بنوك طاقة مكثفة ، فإن طريقة شحن بنك طاقة مكثف مختلفة وهي خارج نطاق هذه المقالة. هنا سوف تستخدم المكثف البسيط والمتوفر بشكل شائع 5.5V 1F Coin Super والذي يشبه خلية العملة المعدنية سوف نتعلم كيفية شحن المكثف الفائق من نوع العملة المعدنية واستخدامه في التطبيقات المناسبة.
شحن مكثف فائق
بمقارنة المكثف الفائق بشكل غامض بالبطارية ، فإن المكثفات الفائقة لها كثافة شحن منخفضة وخصائص تفريغ ذاتي أسوأ ولكن من حيث وقت الشحن وعمر التخزين والمكثفات الفائقة لدورة الشحن تتفوق على البطاريات. بناءً على توفر الشحن الحالي ، يمكن شحن المكثفات الفائقة في أقل من دقيقة ، وإذا تم التعامل معها بشكل صحيح ، فيمكن أن تستمر لأكثر من عقد.
بالمقارنة مع البطاريات ، فإن المكثفات الفائقة لها قيمة ESR منخفضة جدًا (مقاومة السلسلة المكافئة) ، مما يسمح لقيمة أعلى من التيار بالتدفق داخل أو خارج المكثف ، مما يتيح شحنه بشكل أسرع أو تفريغه بتيار مرتفع. ولكن بسبب هذه القدرة على التعامل مع التيار العالي ، يجب شحن المكثف الفائق وتفريغه بأمان لمنع الانفلات الحراري. عندما يتعلق الأمر بشحن مكثف فائق ، فهناك قاعدتان ذهبيتان ، يجب أن يكون المكثف مشحونًا بقطبية صحيحة وبجهد لا يتجاوز 90٪ من إجمالي جهده.
عادةً ما يتم تصنيف المكثفات الفائقة الموجودة في السوق اليوم على أنها 2.5 فولت أو 2.7 فولت أو 5.5 فولت. تمامًا مثل خلية الليثيوم ، يجب توصيل هذه المكثفات في مجموعات متسلسلة ومتوازية لتشكيل حزم بطارية عالية الجهد. على عكس البطاريات ، فإن المكثف عند توصيله في سلسلة سيجمع بشكل تبادلي تصنيف الجهد الإجمالي ، مما يجعل من الضروري إضافة المزيد من المكثفات لتشكيل حزم بطارية ذات قيمة مناسبة. في حالتنا لدينا مكثف 5.5V 1F لذا يجب أن يكون جهد الشحن 90٪ من 5.5 أي بالقرب من 4.95V.
الطاقة مخزنة في مكثف فائق
عند استخدام المكثفات كعناصر لتخزين الطاقة لتشغيل أجهزتنا ، من المهم تحديد الطاقة المخزنة في مكثف للتنبؤ بالمدة التي يمكن للجهاز أن يعمل بها. يمكن إعطاء الصيغ لحساب الطاقة المخزنة في المكثف بواسطة E = 1 / 2CV 2. لذلك في حالتنا بالنسبة لمكثف 5.5V 1F عند شحنه بالكامل ، ستكون الطاقة المخزنة
E = (1/2) * 1 * 5.5 2 E = 15 جول
الآن ، باستخدام هذه القيمة يمكننا حساب المدة التي يمكن للمكثف خلالها تشغيل الأشياء ، لنقل على سبيل المثال إذا كنا بحاجة إلى 500 مللي أمبير عند 5 فولت لمدة 10 ثوانٍ. ثم يمكن حساب الطاقة المطلوبة لهذا الجهاز باستخدام الصيغ الطاقة = الطاقة × الوقت. هنا يتم احتساب الطاقة بواسطة P = VI ، لذا فإن طاقة 500mA و 5V هي 2.5 Watts.
الطاقة = 2.5 × (10/60 * 60) الطاقة = 0.00694 وات / ساعة أو 25 جول
من هذا يمكننا أن نستنتج أننا سنحتاج على الأقل اثنين من هذه المكثفات على التوازي (15 + 15 = 30) للحصول على حزمة طاقة من 30 جول والتي ستكون كافية لتشغيل الجهاز لمدة 10 ثوانٍ.
تحديد قطبية المكثف الفائق
عندما يتعلق الأمر بالمكثف والبطاريات ، يجب أن نكون حذرين للغاية مع قطبيتها. من المرجح أن يسخن المكثف ذو القطبية العكسية وينصهر وأحيانًا ينفجر في أسوأ السيناريوهات. المكثف الذي لدينا من نوع العملة المعدنية ، يُشار إلى قطبية بسهم أبيض صغير كما هو موضح أدناه.
أفترض أن اتجاه السهم يشير إلى اتجاه التيار. يمكنك التفكير في الأمر كما لو أن التيار يتدفق دائمًا من الموجب إلى السالب ، وبالتالي يبدأ السهم من الجانب الإيجابي ويشير إلى الجانب السلبي. بمجرد معرفة القطبية وإذا كنت مهتمًا بشحنها ، يمكنك حتى استخدام RPS لتعيينه على 5.5 فولت (أو 4.95 فولت للسلامة) ثم توصيل السلك الإيجابي لـ RPS بالدبوس الإيجابي والرصاص السالب بالدبوس السالب و يجب أن ترى المكثف مشحونًا.
استنادًا إلى التصنيف الحالي لـ RPS ، يمكنك ملاحظة أن المكثف يتم شحنه في غضون ثوانٍ وبمجرد وصوله إلى 5.5 فولت ، سيتوقف عن الرسم بعد الآن. يمكن الآن استخدام هذا المكثف المشحون بالكامل في التطبيق المناسب قبل تفريغه ذاتيًا.
بدلاً من استخدام RPS في هذا البرنامج التعليمي ، سنقوم ببناء شاحن ينظم 5.5 فولت من محول 12 فولت ونستخدمه لشحن المكثف الفائق. ستتم مراقبة جهد المكثف باستخدام مقارن op-amp وبمجرد شحن المكثف ، ستقوم الدائرة تلقائيًا بفصل المكثف الفائق عن مصدر الجهد. يبدو مثيرًا للاهتمام ، لذا فلنبدأ.
المواد المطلوبة
- محول 12 فولت
- LM317 منظم الجهد IC
- إل إم 311
- IRFZ44N
- BC557 الترانزستور PNP
- يؤدى
- المقاوم
- مكثف
مخطط الرسم البياني
فيما يلي مخطط الدائرة الكاملة لدائرة شاحن Supercapacitor. تم رسم الدائرة باستخدام برنامج Proteus وسيتم عرض محاكاة نفس الدائرة لاحقًا.
يتم تشغيل الدائرة بواسطة محول 12 فولت ؛ ثم نستخدم LM317 لتنظيم 5.5 فولت لشحن مكثفنا. لكن سيتم توفير هذا 5.5V للمكثف من خلال MOSFET يعمل كمفتاح. لن يغلق هذا المفتاح إلا إذا كان جهد المكثف أقل من 4.86 فولت حيث يتم شحن المكثف ويزيد الجهد سيفتح المفتاح ويمنع شحن البطارية أكثر. يتم إجراء مقارنة الجهد هذه باستخدام جهاز op-amp ونستخدم أيضًا ترانزستور BC557 PNP لتوهج مؤشر LED عند اكتمال عملية الشحن. مخطط الدائرة الموضح أعلاه مقسم إلى أجزاء أدناه للتوضيح.
تنظيم الجهد LM317:
يتم استخدام المقاوم R1 و R2 لتحديد جهد الخرج لمنظم LM317 بناءً على الصيغ Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1). استخدمنا هنا قيمة 1k و 3.3k لتنظيم جهد خرج قدره 5.3V وهو قريب بدرجة كافية من 5.5V. يمكنك استخدام الآلة الحاسبة الخاصة بنا على الإنترنت لحساب جهد الخرج المطلوب بناءً على قيمة المقاوم المتوفرة لديك.
مقارن Op-Amp:
لقد استخدمنا مقارن LM311 IC لمقارنة قيمة الجهد للمكثف الفائق بجهد ثابت. يتم توفير هذا الجهد الثابت لرقم التعريف الشخصي 2 باستخدام دائرة مقسم الجهد. المقاومات 2.2 كيلو و 1.5 كيلو تسقط جهد 4.86 فولت من 12 فولت. تتم مقارنة 4.86 فولت بجهد المرجع (جهد المكثف) المتصل بالدبوس 3. عندما يكون جهد المرجع أقل من 4.86 فولت ، فإن طرف الخرج 7 سيرتفع مع 12 فولت بمقاوم سحب 10 كيلو. سيتم بعد ذلك استخدام هذا الجهد لقيادة MOSFET.
MOSFET و BC557:
و IRFZ44N MOSFET يستخدم للاتصال مكثف سوبر لاتهام الجهد بناء على إشارة من المرجع أمبير. عندما يرتفع جهاز op-amp ، فإنه ينتج 12 فولت على السن 7 الذي يقوم بتشغيل MOSFET من خلال دبوس القاعدة الخاص به بشكل مشابه عندما ينخفض op-amp (0V) سيتم فتح MOSFET. لدينا أيضًا ترانزستور PNP BC557 والذي سيتم تشغيله عند إيقاف تشغيل MOSFET مما يشير إلى أن جهد المكثف يزيد عن 4.8 فولت.
محاكاة دائرة شاحن فائق السرعة
لمحاكاة الدائرة ، قمت باستبدال البطارية بمقاوم متغير لتوفير جهد متغير للدبوس 3 من المرجع أمبير. يتم استبدال المكثف الفائق بمصباح LED لتوضيح ما إذا كان يعمل أم لا. يمكن العثور على نتيجة المحاكاة أدناه.
كما ترون باستخدام مجسات الجهد ، عندما يكون الجهد على الدبوس المقلوب منخفضًا عن الدبوس غير المقلوب ، يرتفع المرجع أمبير مع 12 فولت على السن 7 الذي يقوم بتشغيل MOSFET وبالتالي يشحن المكثف (LED أصفر). يعمل هذا 12V أيضًا على تشغيل الترانزستور BC557 لإيقاف تشغيل مؤشر LED الأخضر. مع زيادة جهد المكثف (مقياس الجهد) ، سيتم تشغيل مؤشر LED الأخضر لأن المرجع أمبير سيخرج 0 فولت كما هو موضح أعلاه.
شاحن فائق السرعة على الأجهزة
الدائرة بسيطة جدًا ويمكن بناؤها على لوح التجارب ، لكنني قررت استخدام لوحة Perf حتى أتمكن من إعادة استخدام الدائرة في المستقبل في كل محاولة لشحن مكثف فائق. أعتزم أيضًا استخدامه مع الألواح الشمسية للمشاريع المحمولة ، ومن ثم حاولت بناءه بأكبر قدر ممكن من الصلابة والصغيرة. بلدي هو مبين أدناه دائرة كاملة مرة واحدة ملحوم على لوحة منقط.
يمكن استغلال عصي بيرج الأنثوية باستخدام دبابيس التمساح لشحن المكثف. يشير مؤشر LED الأصفر إلى طاقة الوحدة ويشير مؤشر LED الأزرق إلى حالة الشحن. بمجرد اكتمال عملية الشحن ، سيضيء مؤشر LED وإلا سيظل مغلقًا. بمجرد أن تصبح الدائرة جاهزة ، قم ببساطة بتوصيل المكثف وسترى مؤشر LED الأزرق ينطفئ ، وبعد فترة سترتفع مرة أخرى للإشارة إلى اكتمال عملية الشحن. يمكنك رؤية اللوحة في حالة الشحن والشحن أدناه.
يمكن العثور على العمل الكامل في الفيديو المقدم في أسفل هذه الصفحة ، إذا كان لديك أي مشكلة في جعل هذا يعمل ، فقم بنشره في قسم التعليقات أو استخدم منتدياتنا لأسئلة فنية أخرى.
تحسينات التصميم
تصميم الدائرة الموضح هنا بدائي ويعمل لغرضه ؛ تمت مناقشة بعض التحسينات الإلزامية التي لاحظتها بعد الإنشاء هنا. يصبح BC557 ساخنًا بسبب وجود 12V عبر قاعدته وباعثه ، لذا يجب استخدام الصمام الثنائي عالي الجهد بدلاً من BC557.
ثانيًا ، نظرًا لأن المكثف يشحن ، يقيس مقارن الجهد التغير في الجهد ، ولكن عند إيقاف تشغيل MOSFET بعد الشحن ، يستشعر op-amp زيادة الجهد المنخفض ويقوم بتشغيل FET مرة أخرى ، تتكرر هذه العملية عدة مرات قبل إيقاف تشغيل op-amp تمامًا. ستحل المشكلة دائرة قفل على خرج op-amp.