ابرخازن ها – ساخت UPS با ابرخازن

در این مقاله به بررسی ابرخازن ها و نحوه‌ی ساخت UPS با ابرخازن ها می‌پردازیم. برای یک پروژه از ما خواسته شد تا یک سیستم قدرت پشتیبان را تهیه و برنامه‌ریزی کنیم که می‌تواند فعالیت میکروکنترلر را حدود 10 ثانیه پس از اتلاف انرژی حفظ کند. ایده بدین صورت است که در طی این 10 ثانیه، کنترل‌کننده زمان کافی داشته باشد تا :

• هر کاری را که در حال انجام است، متوقف کند.
• حالت فعلی را در حافظه ذخیره کند.
• پیام از دست دادن توان را ارسال کند. (IoT)
• سیستم، خود را به حالت استندبای برده و منتظر می‌ماند تا انرژی به پایان برسد.

عملکرد طبیعی تنها پس از راه‌اندازی مجدد، شروع می‌شود. چنانچه برق در طی این 10 ثانیه به سیستم بازگردد، چندین برنامه‌ریزی لازم وجود دارد که در صورت بازگشت نیرو، هر کدام از این برنامه‌ها می‌توانند با توجه به نیاز سیستم اجرا شوند. با این حال، وظیفه ما تمرکز بر روی منبع تغذیه بود.

ساده‌ترین راه‌حل می‌تواند استفاده از UPSهای خارجی یا چیزی شبیه به آن باشد. بدیهی است که نمی‌تواند این چنین باشد و ما به چیزی بسیار ارزانتر و کوچکتر احتیاج داشتیم. راه‌حل های باقی‌مانده، استفاده از باتری یا یک ابرخازن است.

با در نظر گرفتن برخی ملاحظات مدار ابرخازن، به عنوان بهترین راه‌حل برای کار ما انتخاب شد. ابرخازن کمی از باتری کوچکتر است (می‌خواهیم از اجزای بسیار پرکاربرد استفاده کنیم، گرچه مطمئن نیستیم که سایز و اندازه قطعات، دلیل درستی برای کار ما باشد)، اما به اجزای کمتری نیاز دارد (یعنی ارزان‌تر است) و از همه مهمتر، خیلی بهتر از باتری به نظر برسد.

یک آزمایشی طراحی شد تا تئوری ما را آزمایش و کنترل کند که سیستم‌های شارژ ابرخازن آن‌طور که انتظار می‌رود، عملکرد درستی داشته باشند.

این آزمایش بیشتر کاری را که انجام شده است، نشان می‌دهد و به توضیح چگونگی انجام کار نمی‌پردازد.

مرحله 1 : شرح سیستم 

معماری سیستم را می‌توان در شکل مشاهده کرد. ابتدا ولتاژ 230 ولت AC به ولتاژ 24 ولت DC تبدیل می‌شود و به ولتاژ 5 ولت DC می‌رسد. درنهایت مدار میکروکنترلر در 3.3 ولت عمل می‌کند. در حالت ایده‌آل، از قبل می‌توان خطای برق را در سطح شبکه 230 ولتAC  تشخیص داد. متأسفانه، ما قادر به انجام چنین کاری نیستیم. بنابراین، باید بررسی کنیم که آیا برق هنوز در سطح ولتاژ 24 ولت DC وجود دارد یا خیر. اگر مشابه این حالت اتفاق بیفتد، نمی‌توان از خازن‌های ذخیره‌کننده منبع تغذیه AC / DC استفاده کرد. میکروکنترلر و سایر قطعات الکترونیکی مهم دیگر در محدوده ولتاژ 3.3 ولت قرار دارند. در مورد پروژه ما تصمیم گرفته شده است که مسیر 5 ولت، بهترین حالت برای افزودن ابرخازن است. هنگامی که ولتاژ خازن به آرامی در حال کاهش است، هنوز میکروکنترلر می‌تواند در ولتاژ 3.3 ولت کار کند.

شرایط لازم :

• جریان ثابت – Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• حداقل ولتاژ (حداقل ریل ولتاژ مجاز 5 ولت) – 3 V = Vend
• حداقل زمان لازم برای کاور کردن خازن – S T = 10

چندین ابرخازن ویژه شارژ آی سی ها وجود دارد که می‌تواند خازن را خیلی سریع شارژ کند. در مورد پروژه ما، زمان شارژ مهم نیست. بنابراین، یک مدار بسیار ساده مقاومتی-دیودی کافی است. این مدار با وجود نواقصی که دارد، ساده و ارزان است. مسئله زمان شارژ قبلاً ذکر شده بود. اما اشکال اصلی این است که خازن در ولتاژ کاملش (افت ولتاژ دیود) شارژ نمی‌شود. با این وجود، ولتاژ پایین‌تر می‌تواند، جنبه‌های مثبتی را به همراه داشته باشد.

در نمودار طول عمر ابرخازن، انتظار می‌رود که از نمودار دیتاشیت سری AVX SCM استفاده شود (لینک). در اولین نمودار می‌توان طول عمر مورد نظر را در مقابل دمای کاری و ولتاژ کاری مشاهده کرد. اگر خازن مقدار ولتاژ کمتری داشته باشد، طول عمر مورد انتظار افزایش می‌یابد. بنابراین این موضوع می‌تواند برای استفاده از خازن ولتاژ کمتر مفید باشد. این موضوع هنوز احتیاج دارد تا مشخص شود.

همان‌طور که در اندازه‌گیری ها نشان داده می‌شود، ولتاژ کاری خازن در حدود 4.6 -4.7 ولت خواهد بود –  Vrated ٪80

مرحله 2 : مدار آزمایش

پس از برخی ارزیابی‌ها، ابرخازن‌های AVX برای آزمایش انتخاب شده‌اند. آن‌هایی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند که در محدوده ولتاژ 6 ولت قرار داشتند. این خازن‌ها در واقع بسیار نزدیک به ظرفیتی هستند که قصد داریم از آن استفاده کنیم. با این وجود، برای این آزمایش این مقدار ظرفیت کافی است. سه خازن با ظرفیت‌های مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند : F 1، F 2.5 و F 5  (دو تا خازن 2.5 F به صورت موازی).

درجه‌بندی خازن‌ها مطابق زیر است :

• تلورانس (دقت) خازن – 0٪ + 100٪
• محدوده ولتاژ – 6 ولت
• شماره تولیدکننده – (Manufacturer part nr)

▪ 1F – SCMR18H105PRBB0

▪ 2.5F – SCMS22H255PRBB0

• طول عمر – 2000 ساعت 65 درجه سانتی گراد

به منظور مطابقت ولتاژ خروجی با ولتاژ خازن، از دیودهای با حداقل ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود. در آزمایش، دیودهای با مشخصات VdiodeF2 = 0.22V به همراه دیودهای جریان بالا با مشخصات VdiodeF1 = 0.5V، مورد آزمایش قرار می‌گیرند.

از IC مبدل ساده DC به نام LM2596 DC استفاده می‌شود که آی سی بسیار قوی و انعطاف‌پذیری است و برای آزمایش بارهای مختلف، برنامه‌ریزی شده است : عمدتا بار مقاومتی متفاوت.

دو مقاومت موازی 3.09 کیلو اهم بصورت موازی با ابرخازن نیاز است تا ولتاژ ثابت بماند. در مدار آزمایش، ابرخازن‌ها از طریق سوئیچ‌ها متصل می‌شوند. در صورت وصل شدن هر یک از خازن‌ها، ولتاژ می‌تواند افزایش چشم‌گیری داشته باشد. برای محافظت از خازن‌ها، یک زنر 5.1 ولت به صورت موازی با آنها قرار می‌گیرد.

برای بار، مقاومت  kΩ8.1 و LED مقداری از بار را تأمین می‌کنند. توجه شود که بدون شرط بارگزاری، ولتاژ می‌تواند بالاتر از حد مورد نظر باشد. دیودها می‌توانند باعث ایجاد برخی از رفتارهای پیش‌بینی نشده شوند.

مرحله 3 : محاسبات نظری

فرضیات :

• Iconst = 0.5
•                                        Vout = 5.0V
• ولتاژ شارژ خازن‌ها قبل از دیودها Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• ولتاژ ابتدایی Vcap = Vin55 – VdiodeF1 – VdiodeF2 = 5.5 – 0.5 – 0.22 = 4.7V
• Vstart = Vcap – VdiodeF2 = 4.7 – 0.22 = 4.4V
•   Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3
• مینیمم زمان خازن برای پوشش دادن                                           T = 10 sec

زمان شارژ یک خازن (نظری) :                                                    Tcharging = 5*R*C

               R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

برای خازن F1                                      R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 + ? + ? = 27ohm

اگر                                                      C=1.0F, Tcharging = 135 sec = 2.5 min

اگر                                                      C=2.5F, Tcharging = 337 sec = 5.7 min

اگر                                                        C=5.0F, Tcharging = 675 sec = 11 min

می‌توان فرض کرد که مقدار ثابت توان تقریباً برابر است با :                   W = I * V = 2.5W

در یک خازن می‌توان مقدار مشخصی از انرژی را ذخیره کرد :             W = 0.5 * C * V ^ 2

از این فرمول می‌توان ظرفیت خازن را محاسبه کرد :

• می‌خواهیم x وات را برای مدت زمان t ثانیه ترسیم کنیم، چقدر ظرفیت لازم داریم (لینک)؟

C = 2*T*W/(Vstart^2 – Vend^2) = 5.9F

• می‌خواهیم x آمپر را برای t ثانیه ترسیم کنیم، چقدر ظرفیت لازم داریم (لینک)؟

C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

اگر مقدار خازن F5 را انتخاب کنیم:

• مدت زمان شارژ / دشارژ این خازن با جریان ثابت چقدر طول خواهد کشید (لینک)؟

                                                 Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sec

• مدت زمان شارژ / دشارژ این خازن با توان ثابت چقدر طول خواهد کشید (W)؟

                               Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sec

در صورت استفاده از Rcharge = 25ohm، جریان در حال شارژ شدن خواهد بود و زمان شارژ تقریباً :

                                                       Tcharging = 625 sec = 10.5 min

مرحله 4 : اندازه گیری‌های عملی

 

ساختارها و ظرفیت‌های مختلفی تست شده‌اند. برای ساده‌سازی آزمایش، یک آردوینو کنترل‌کننده تست ساخته شده است. نقشه‌ها در شکل‌های قبلی نشان داده شده‌اند.

سه ولتاژ مختلف اندازه‌گیری شد و نتایج بدست‌آمده با نظریه مطابقت داشتند. از آنجا که جریان‌های بار بسیار کمتر از ظرفیت دیود هستند، افت ولتاژ مستقیم کمی پایین‌تر است. با این وجود، همان‌طور که مشاهده می‌شود، ولتاژ ابرخازن اندازه‌گیری شده دقیقاً با محاسبات نظری مطابقت دارد.

در شکل زیر می‌توان اندازه‌گیری معمولی با خازن F2.5 را مشاهده کرد. زمان شارژ به خوبی با محاسبات نظری sec340 متناسب است. پس از گذشت 100 ثانیه، ولتاژ خازن تنها 0.03 ولت افزایش پیدا می‌کند. به این معنی که اختلاف بسیار ناچیز است و در محدوده خطای اندازه‌گیری شده قرار دارد.

در شکل دیگر می‌توان مشاهده کرد که پس از قطع برق، ولتاژ خروجی Vout= VdiodeF2 کوچکتر از ولتاژ خازن Vcap است. اختلاف ولتاژ بدین صورت می‌باشد.

           dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V

خلاصه‌ای از زمان‌های اندازه‌گیری شده را می‌توانید در جدول پیوست مشاهده کنید. همان‌طور که مشاهده می شود، نتایج دقیقاً با محاسبات نظری مطابقت ندارند. زمان اندازه‌گیری شده در مقایسه با زمان‌های محاسبه شده بهتر است. بدین معنی که برخی از پارازیت‌های حاصل در محاسبات در نظر گرفته نشده است. از مدار ساخته شده می‌توان دریافت که چندین نقطه اتصال وجود دارند که به خوبی تعریف نشده‌اند. علاوه بر این، محاسبات، رفتار بار را به درستی دربر نمی‌گیرند. وقتی ولتاژ افت می‌کند، جریان پایین می‌آید. با این وجود، نتایج امیدوارکننده هستند و در محدوده مورد انتظار قرار دارند.

مرحله 5 : برخی از قابلیت‌های بهبودیافته

در صورت استفاده از مبدل تقویت‌کننده به جای دیود پس از ابرخازن، می توان زمان کاری را بهبود بخشید. باید در نظر گرفت که قیمت آن بالاتر از یک دیود ساده است.

شارژ ابرخازن از طریق یک دیود (در مورد پروژه ما، دو دیود) به معنای افت ولتاژ است. در صورت استفاده از یک خازن مخصوص شارژ IC، می‌توان آن را حذف کرد. باز هم نگرانی اصلی ما، هزینه است.

از طرف دیگر می‌توان از سوییچ‌های قدرتhigh side  به همراه سوییچ PNP استفاده کرد. سریع‌ترین راه‌حل ممکن را می‌توان در شکل زیر مشاهده کرد. همه سوئیچ‌ها از طریق یک دیود زنر که از ورودی 24 ولت تغذیه می‌شوند، کنترل می‌شوند. اگر ولتاژ ورودی از مقدار ولتاژ زنر پایین‌تر بیاید، سوئیچ PNP روشن می‌شود و سوییچ‌های قدرتhigh side  خاموش می‌شوند. این مدار آزمایش نشده است و احتمالاً به قطعات اضافی (غیرفعال) نیاز دارد.

مرحله 6 : نتیجه‌گیری

اندازه‌گیری ها کاملاً مطابق با محاسبات است که نشان می‌دهد که می‌توان از محاسبات نظری استفاده کرد که غافلگیرکننده است. در مورد پروژه خاص ما، به خازنی با ظرفیت کمی بیشتر از خازن F2.5 به منظور تأمین انرژی کافی برای مدت زمان معینی نیاز داریم.

از همه مهم‌تر، مدار شارژ خازن همان‌طور که انتظار می‌رود کار می‌کند. مدار ساده، ارزان و برای کار ما کفایت می‌کند. برخی از معایب ذکر شده وجود دارند. با این حال، قیمت پایین و سادگی قطعات، این معایب را جبران می‌کنند.

امیدواریم این خلاصه‌سازی ها برای استفاده شما مفید واقع شود.

منبع: ترجمه از وبسایت instructables

امیدواریم که ساخت UPS با ابرخازن موفقیت آمیز و آموزنده بوده باشد و در ادامه توصیه می‌کنم مقالات الکترونیک صنعتی و آموزش آردوینو را هم مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.