Onduleur Super Condensateur : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Pour un projet, on m'a demandé de planifier un système d'alimentation de secours qui permettrait au microcontrôleur de fonctionner environ 10 secondes après la coupure de courant. L'idée est que pendant ces 10 secondes le contrôleur a suffisamment de temps pour

• Arrête tout ce qu'il fait
• Enregistrer l'état actuel dans la mémoire
• Envoyer le message de perte de puissance (IoT)
• Se met en veille et attend la coupure de courant

Le fonctionnement normal ne démarre qu'après un redémarrage. Il reste encore à planifier quelle pourrait être la procédure si le courant revient pendant ces 10 secondes. Cependant, ma tâche était de me concentrer sur l'alimentation électrique.

La solution la plus simple pourrait être d'utiliser un onduleur externe ou quelque chose comme ça. Évidemment, ce n'est pas le cas et nous avions besoin de quelque chose de beaucoup moins cher et plus petit. Les solutions restantes utilisent une batterie ou un super condensateur. Exactement pendant le processus d'évaluation, j'ai vu une belle vidéo YouTube sur un sujet similaire: Link.

Après quelques considérations, le circuit de super condensateur nous a semblé être la meilleure solution. Il est légèrement plus petit que la batterie (nous voulons utiliser des composants très largement utilisés, bien que je ne sois pas sûr que la raison de la taille soit réellement vraie), nécessite moins de composants (ce qui signifie qu'il est moins cher) et le plus important - il sonne beaucoup mieux qu'une batterie (conséquences du travail avec des non-ingénieurs).

Une configuration de test a été conçue pour tester la théorie et contrôler si les systèmes de charge des super condensateurs fonctionnent comme il se doit.

Ce Instructable montre plus ce qui a été fait plutôt que d'expliquer comment le faire.

Étape 1: La description du système

L'architecture du système est visible sur la figure. Tout d'abord, le 230VAC est converti en 24VDC puis en 5VDC et à la fin le circuit du microcontrôleur fonctionne à 3,3V. Dans le cas idéal, on pourrait détecter la panne de courant déjà au niveau du réseau (230VAC). Malheureusement, nous ne sommes pas en mesure de le faire. Par conséquent, nous devons vérifier si le courant est toujours là au 24VDC. Ainsi, on ne peut pas utiliser les condensateurs de stockage de l'alimentation AC/DC. Le microcontrôleur et tous les autres composants électroniques importants sont à 3,3V. Il a été décidé que dans notre cas, le rail 5V est le meilleur endroit pour ajouter le super condensateur. Lorsque la tension du condensateur diminue lentement, le microcontrôleur peut toujours fonctionner à 3,3 V.

Conditions:

• Courant constant - Iconst = 0,5 A (@ 5,0 V)
• Tension minimale (tension minimale autorisée @ rail 5V) – Vend = 3.0V
• Temps minimum que le condensateur doit couvrir – T = 10 sec

Il existe plusieurs circuits intégrés de charge de supercondensateur spéciaux disponibles qui peuvent charger le condensateur très rapidement. Dans notre cas, le temps de charge n'est pas critique. Ainsi, un circuit diode-résistance le plus simple est suffisant. Ce circuit est simple et bon marché avec quelques inconvénients. Le problème du temps de charge a déjà été évoqué. Cependant, le principal inconvénient est que le condensateur n'est pas chargé à sa pleine tension (chute de tension de la diode). Néanmoins, la tension plus basse peut aussi nous apporter des côtés positifs.

Dans la courbe de durée de vie attendue du super condensateur de la fiche technique de la série AVX SCM (lien), on peut voir la durée de vie attendue en fonction de la température de fonctionnement et de la tension appliquée. Si le condensateur a une valeur de tension inférieure, la durée de vie attendue augmente. Cela pourrait être bénéfique car un condensateur de tension inférieure pourrait être utilisé. Cela doit encore être clarifié.

Comme le montreront les mesures, la tension de fonctionnement du condensateur sera d'environ 4,6 V-4,7 V – 80 % Vrated.

Étape 2: Tester le circuit

Après quelques évaluations, les supercondensateurs AVX ont été choisis pour les tests. Ceux testés sont évalués pour 6V. C'est en fait trop proche de la valeur que nous prévoyons d'utiliser. Néanmoins, à des fins de test, c'est suffisant. Trois valeurs de capacité différentes ont été testées: 1F, 2,5F et 5F (2x 2,5F en parallèle). Le calibre des condensateurs est le suivant

• Précision de la capacité – 0% +100%
• Tension nominale – 6V

• Numéro de pièce du fabricant –

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Durée de vie – 2000 heures à 65°C

Afin de faire correspondre la tension de sortie avec la tension du condensateur, des diodes de tension directe minimales sont utilisées. Dans le test, des diodes VdiodeF2 = 0,22 V sont implémentées avec des diodes à courant élevé avec VdiodeF1 = 0,5 V.

Un simple convertisseur DC-DC LM2596 est utilisé. C'est un circuit intégré très robuste et permet une flexibilité. Pour les tests, différentes charges ont été prévues: principalement des charges résistives différentes.

Les deux résistances parallèles de 3,09 kΩ parallèles au super condensateur sont nécessaires pour la stabilité de la tension. Dans le circuit de test, les supercondensateurs sont connectés via des commutateurs et si aucun des condensateurs n'est connecté, la tension peut être trop élevée. Pour protéger les condensateurs, une diode Zener 5.1V est placée en parallèle à eux.

Pour la charge, la résistance de 8,1 kΩ et la LED fournissent une certaine charge. Il a été remarqué qu'en l'absence de charge, la tension pouvait aller plus haut que souhaité. Les diodes peuvent provoquer un comportement inattendu.

Étape 3: Calculs théoriques

Hypothèses:

• Courant constant - Iconst = 0.5A
• Vout @ panne de courant – Vout = 5,0 V
• Tension de charge du condensateur avant diodes – Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Tension de démarrage (Vcap @ panne de courant) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ panne de courant – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4 V
• Vcap minimum – Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3,0 + 0,22 = 3,3 V
• Temps minimum que le condensateur doit couvrir – T = 10 sec

Temps pour charger un condensateur (théorique): Tcharge = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnexions

Pour le condensateur 1F, c'est R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 + ? + ? = 27ohms

Si C=1,0F, Tcharge = 135 sec = 2,5 minutes

Si C=2,5F, Tcharge = 337 sec = 5,7 minutes

Si C=5.0F, Tcharge = 675 sec = 11 minutes

À partir des hypothèses, nous pouvons supposer que la puissance nominale constante est d'environ: W = I * V = 2,5 W

Dans un condensateur, on peut stocker une certaine quantité d'énergie: W = 0,5 * C * V^2

A partir de cette formule, la capacité peut être calculée:

• Je veux dessiner x Watts pendant t Secondes, de quelle capacité ai-je besoin (Lien) ?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Je veux dessiner x ampères pendant t secondes, de quelle capacité ai-je besoin ?C = I*T/(Vstart-Vend) = 4,55F

Si nous choisissons la valeur du condensateur à 5F:

• Combien de temps faudra-t-il pour charger/décharger ce condensateur avec un courant constant (Link) ?Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sec
• Combien de temps faudra-t-il pour charger/décharger ce condensateur avec une puissance constante (W) ?Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sec

Si vous utilisez un Rcharge = 25ohm, le courant de charge serait

Et le temps de charge environ: Tcharge = 625 sec = 10,5 minutes

Étape 4: Mesures pratiques

Différentes configurations et valeurs de capacité ont été testées. Pour simplifier les tests, une configuration de test contrôlée par Arduino a été construite. Les schémas sont présentés dans les figures précédentes.

Trois tensions différentes ont été mesurées et les résultats correspondent relativement bien à la théorie. Étant donné que les courants de charge sont bien inférieurs à la valeur nominale de la diode, la chute de tension directe est légèrement inférieure. Néanmoins, comme on peut le voir, la tension mesurée du supercondensateur correspond exactement aux calculs théoriques.

Dans la figure suivante, on peut voir une mesure typique avec un condensateur de 2,5F. Le temps de charge correspond bien à la valeur théorique de 340sec. Après 100 secondes supplémentaires, la tension du condensateur n'a augmenté que de 0,03 V supplémentaire, ce qui signifie que la différence est négligeable et dans la plage d'erreur de mesure.

Sur l'autre figure, on peut voir qu'après la coupure de courant la tension de sortie Vout est VdiodeF2 plus petite que la tension du condensateur Vcap. La différence est dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Un récapitulatif des temps mesurés est disponible dans le tableau ci-joint. Comme on peut le voir, les résultats ne correspondent pas exactement aux calculs théoriques. Les temps mesurés sont pour la plupart meilleurs que ceux calculés, ce qui signifie que certains parasites résultants n'ont pas été pris en compte dans les calculs. En regardant le circuit intégré, on peut remarquer qu'il y a plusieurs points de connexion pas bien définis. De plus, les calculs ne prennent pas bien en compte le comportement de la charge - lorsque la tension chute, le courant diminue. Néanmoins, les résultats sont prometteurs et se situent dans la fourchette attendue.

Étape 5: Quelques possibilités d'amélioration

On pourrait améliorer le temps de fonctionnement si l'on utilise un convertisseur boost au lieu de la diode après le super condensateur. Nous avons considéré que, néanmoins, le prix est plus élevé qu'une simple diode.

Charger le super condensateur à travers une diode (dans mon cas, deux diodes) signifie une chute de tension et cela pourrait être supprimé si un circuit intégré de charge de condensateur spécial est utilisé. Encore une fois, le prix est la principale préoccupation.

Alternativement, un interrupteur côté haut peut être utilisé avec un interrupteur PNP. Une solution possible de réflexion rapide pourrait être vue dans ce qui suit. Tous les commutateurs sont contrôlés par une diode Zener alimentée par une entrée 24V. Si la tension d'entrée chute en dessous de la tension Zener de la diode, le commutateur PNP s'allume et les autres commutateurs du côté haut s'éteignent. Ce circuit n'est pas testé et nécessite très probablement des composants (passifs) supplémentaires.

Étape 6: Conclusion

Les mesures correspondent assez bien aux calculs. Montrer que les calculs théoriques peuvent être utilisés – surprise-surprise. Dans notre cas particulier, un peu plus d'un condensateur de 2,5F est nécessaire pour fournir une quantité d'énergie suffisante pour la période de temps donnée.

Plus important encore, le circuit de charge du condensateur fonctionne comme prévu. Le circuit est simple, pas cher et suffisant. Il y a quelques inconvénients mentionnés, cependant, le prix bas et la simplicité compensent cela.

J'espère que ce petit résumé pourra être utile à quelqu'un.