Superkondensator-USV - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Für ein Projekt wurde ich gebeten, ein Backup-Stromversorgungssystem zu planen, das den Mikrocontroller etwa 10 Sekunden nach dem Stromausfall am Laufen halten könnte. Die Idee ist, dass der Controller während dieser 10 Sekunden genug Zeit hat, um

• Hör auf, was immer es tut
• Speichern Sie den aktuellen Status im Speicher
• Senden Sie die Power-Loss-Meldung (IoT)
• Schaltet sich in den Standby-Modus und wartet auf den Stromausfall

Der Normalbetrieb startet erst nach einem Neustart. Es sind noch einige Planungen erforderlich, wie das Verfahren aussehen könnte, wenn der Strom während dieser 10 Sekunden zurückkehrt. Meine Aufgabe war es jedoch, mich auf die Stromversorgung zu konzentrieren.

Die einfachste Lösung könnte die Verwendung einer externen USV oder ähnlichem sein. Das ist natürlich nicht der Fall und wir brauchten etwas viel billigeres und kleineres. Die restlichen Lösungen verwenden eine Batterie oder einen Superkondensator. Genau während des Bewertungsprozesses habe ich ein schönes YouTube-Video zu einem ähnlichen Thema gesehen: Link.

Nach einigen Überlegungen klang die Superkondensatorschaltung für uns als die beste Lösung. Er ist etwas kleiner als der Akku (wir wollen sehr weit verbreitete Komponenten verwenden, obwohl ich persönlich nicht sicher bin, ob der Größengrund tatsächlich stimmt), benötigt weniger Komponenten (d.h. er ist billiger) und vor allem - er klingt viel besser als eine Batterie (Folgen der Arbeit mit Nicht-Ingenieuren).

Ein Testaufbau wurde gebaut, um die Theorie zu testen und zu kontrollieren, ob die Superkondensator-Ladesysteme wie vorgesehen funktionieren.

Dieses Instructable zeigt mehr, was getan wurde, anstatt zu erklären, wie es geht.

Schritt 1: Die Systembeschreibung

Die Systemarchitektur ist in der Abbildung zu sehen. Zuerst werden die 230VAC in 24VDC umgewandelt, die in 5VDC und am Ende läuft die Mikrocontrollerschaltung mit 3,3V. Im Idealfall könnte man den Stromausfall bereits auf Netzebene (230VAC) erkennen. Leider sind wir dazu nicht in der Lage. Daher müssen wir überprüfen, ob die Spannung an den 24 VDC noch vorhanden ist. Auf diese Weise können die Speicherkondensatoren der AC/DC-Stromversorgung nicht verwendet werden. Der Mikrocontroller und alle andere wichtige Elektronik liegen an den 3.3V. Es wurde entschieden, dass in unserem Fall die 5V-Schiene der beste Ort ist, um den Superkondensator hinzuzufügen. Wenn die Kondensatorspannung langsam abfällt, kann der Mikrocontroller noch mit 3,3 V arbeiten.

Anforderungen:

• Konstantstrom – Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Mindestspannung (min. zulässige Spannung @ 5V-Schiene) – Vend = 3,0V
• Mindestzeit, die der Kondensator abdecken muss – T = 10 s

Es gibt mehrere spezielle Superkondensator-Lade-ICs, die den Kondensator sehr schnell aufladen können. In unserem Fall ist die Ladezeit nicht kritisch. Somit ist eine einfachste Dioden-Widerstands-Schaltung ausreichend. Diese Schaltung ist einfach und billig mit einigen Nachteilen. Das Problem mit der Ladezeit wurde bereits erwähnt. Der Hauptnachteil besteht jedoch darin, dass der Kondensator nicht auf seine volle Spannung aufgeladen wird (Diodenspannungsabfall). Dennoch kann uns die niedrigere Spannung auch einige positive Seiten bringen.

In der Kurve der erwarteten Lebensdauer des Superkondensators aus dem Datenblatt der AVX SCM-Serie (Link) kann man die erwartete Lebensdauer in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und der angelegten Spannung sehen. Wenn der Kondensator einen niedrigeren Spannungswert hat, erhöht sich die erwartete Lebensdauer. Dies könnte vorteilhaft sein, da Kondensatoren mit niedrigerer Spannung verwendet werden könnten. Das muss noch geklärt werden.

Wie in den Messungen gezeigt wird, beträgt die Kondensatorbetriebsspannung etwa 4,6V-4,7V – 80% Vnenn.

Schritt 2: Testschaltung

Nach einiger Evaluierung wurden AVX-Superkondensatoren zum Testen ausgewählt. Die getesteten sind für 6V ausgelegt. Das ist eigentlich zu nah an dem Wert, den wir verwenden wollen. Für Testzwecke ist es jedoch ausreichend. Es wurden drei verschiedene Kapazitätswerte getestet: 1F, 2,5F und 5F (2x 2,5F parallel). Die Nennleistung der Kondensatoren ist folgende

• Kapazitätsgenauigkeit – 0% +100%
• Nennspannung – 6V

• Hersteller-Teile-Nr. –

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Lebensdauer – 2000 Stunden bei 65 °C

Um die Ausgangsspannung an die Kondensatorspannung anzupassen, werden minimale Durchlassspannungsdioden verwendet. Im Test werden VdiodeF2 = 0,22V Dioden zusammen mit Hochstromdioden mit VdiodeF1 = 0,5V eingesetzt.

Es wird ein einfacher DC-DC-Wandler-IC LM2596 verwendet. Das ist ein sehr robuster IC und ermöglicht Flexibilität. Zum Testen waren verschiedene Lasten geplant: hauptsächlich unterschiedliche ohmsche Lasten.

Die zwei parallel zum Superkondensator parallelen 3,09kΩ Widerstände werden für die Spannungsstabilität benötigt. In der Testschaltung sind die Superkondensatoren über Schalter angeschlossen und wenn keiner der Kondensatoren angeschlossen ist, kann die Spannung zu hoch sein. Zum Schutz der Kondensatoren wird parallel dazu eine 5,1V Zenerdiode geschaltet.

Für die Last sorgen der 8,1kΩ-Widerstand und die LED für eine gewisse Last. Es wurde festgestellt, dass die Spannung im Leerlaufzustand höher als gewünscht ansteigen konnte. Die Dioden können ein unerwartetes Verhalten verursachen.

Schritt 3: Theoretische Berechnungen

Annahmen:

• Konstantstrom – Iconst = 0,5A
• Vout @ Stromausfall – Vout = 5,0 V
• Kondensatorladespannung vor den Dioden – Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5 V
• Startspannung (Vcap bei Stromausfall) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ Stromausfall – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V
• Minimum Vcap – Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V
• Mindestzeit, die der Kondensator abdecken muss – T = 10 s

Ladezeit eines Kondensators (theoretisch): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + RDiodes + Rconnections

Für 1F-Kondensator ist es R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 + ? + ? = 27 Ohm

Wenn C=1,0F, TLaden = 135 Sek. = 2,5 Minunten

Wenn C=2,5F, TLaden = 337 Sek. = 5,7 Minuten

Wenn C=5.0F, TLaden = 675 Sek. = 11 Minuten

Aus den Annahmen können wir annehmen, dass die konstante Nennleistung ca. beträgt: W = I * V = 2,5 W

In einem Kondensator kann man eine bestimmte Energiemenge speichern: W = 0,5 * C * V^2

Aus dieser Formel könnte die Kapazität berechnet werden:

• Ich möchte x Watt für t Sekunden ziehen, wie viel Kapazität benötige ich (Link)?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5,9F
• Ich möchte x Ampere für t Sekunden ziehen, wie viel Kapazität benötige ich?C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Wenn wir den Kondensatorwert mit 5F wählen:

• Wie lange dauert das Laden/Entladen dieses Kondensators mit einem konstanten Strom (Link)?Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sec
• Wie lange dauert es, diesen Kondensator mit konstanter Leistung (W) zu laden/entladen? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sec

Bei Verwendung von Rcharge = 25 Ohm wäre der Ladestrom

Und die Ladezeit ungefähr: Tladen = 625 Sek. = 10,5 Minuten

Schritt 4: Praktische Messungen

Es wurden verschiedene Konfigurationen und Kapazitätswerte getestet. Um das Testen zu vereinfachen, wurde ein Arduino-gesteuerter Testaufbau gebaut. Die Schaltpläne sind in den vorherigen Abbildungen dargestellt.

Es wurden drei verschiedene Spannungen gemessen und die Ergebnisse stimmen relativ gut mit der Theorie überein. Da die Lastströme viel niedriger sind als die Diodennennleistung, ist der Durchlassspannungsabfall etwas geringer. Wie man sieht, stimmt die gemessene Superkondensatorspannung jedoch genau mit den theoretischen Berechnungen überein.

In der folgenden Abbildung sieht man eine typische Messung mit einem 2,5F-Kondensator. Die Ladezeit passt gut zum theoretischen Wert von 340sec. Nach weiteren 100 Sekunden ist die Kondensatorspannung nur um weitere 0,03 V angestiegen, was bedeutet, dass der Unterschied vernachlässigbar ist und im Messfehlerbereich liegt.

Auf der anderen Abbildung sieht man, dass nach dem Stromausfall die Ausgangsspannung Vout um VdiodeF2 kleiner ist als die Kondensatorspannung Vcap. Die Differenz beträgt dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Eine Zusammenfassung der gemessenen Zeiten finden Sie in der beigefügten Tabelle. Wie man sieht, stimmen die Ergebnisse nicht genau mit den theoretischen Berechnungen überein. Die gemessenen Zeiten sind meist besser als die berechneten, so dass einige resultierende Parasiten bei den Berechnungen nicht berücksichtigt wurden. Wenn man sich die gebaute Schaltung ansieht, kann man feststellen, dass es mehrere nicht genau definierte Verbindungspunkte gibt. Außerdem berücksichtigen die Berechnungen das Lastverhalten nicht gut – wenn die Spannung abfällt, sinkt der Strom. Dennoch sind die Ergebnisse vielversprechend und liegen im erwarteten Bereich.

Schritt 5: Einige Verbesserungsmöglichkeiten

Man könnte die Betriebszeit verbessern, wenn man statt der Diode nach dem Superkondensator einen Aufwärtswandler verwendet. Wir haben berücksichtigt, dass der Preis dennoch höher ist als bei einer einfachen Diode.

Das Aufladen des Superkondensators über eine Diode (in meinem Fall zwei Dioden) bedeutet einen Spannungsabfall und der könnte beseitigt werden, wenn ein spezieller Kondensatorlade-IC verwendet wird. Auch hier ist der Preis das Hauptanliegen.

Alternativ könnte ein High-Side-Schalter zusammen mit einem PNP-Schalter verwendet werden. Eine schnell überlegte mögliche Lösung könnte im Folgenden gesehen werden. Alle Schalter werden über eine Zenerdiode gesteuert, die über einen 24-V-Eingang gespeist wird. Wenn die Eingangsspannung unter die Dioden-Zenerspannung fällt, schaltet der PNP-Schalter EIN und die anderen High-Side-Schalter werden AUS. Diese Schaltung ist nicht getestet und erfordert höchstwahrscheinlich einige zusätzliche (passive) Komponenten.

Schritt 6: Fazit

Die Messungen passen recht gut zu den Berechnungen. Zeigen, dass die theoretischen Berechnungen verwendet werden können – Überraschung. In unserem speziellen Fall werden etwas mehr als 2,5F Kondensator benötigt, um für den gegebenen Zeitraum ausreichend Energie bereitzustellen.

Am wichtigsten ist, dass die Kondensatorladeschaltung wie erwartet funktioniert. Die Schaltung ist einfach, billig und ausreichend. Es gibt einige erwähnte Nachteile, aber der niedrige Preis und die Einfachheit gleichen dies aus.

Hoffentlich kann diese kleine Zusammenfassung für jemanden nützlich sein.