- Carga de un supercondensador
- Energía almacenada en un supercondensador
- Identificación de polaridad en supercondensador
- Materiales necesarios
- Diagrama de circuito
- Simulación del circuito del cargador de supercondensador
- Cargador de supercondensador en hardware
- Mejoras de diseño
El término supercondensadores y su posible uso en vehículos eléctricos, teléfonos inteligentes y dispositivos de IoT se están considerando ampliamente en los últimos tiempos, pero la idea de supercondensador en sí se remonta a 1957, cuando General Electric lo experimentó por primera vez para aumentar la capacidad de almacenamiento de sus dispositivos. condensadores. A lo largo de los años, la tecnología de supercondensadores ha mejorado sustancialmente y hoy en día se utiliza como baterías de respaldo, bancos de energía solar y otras aplicaciones donde se requiere un impulso de energía corto. Muchos tienen la idea errónea de considerar las supercapas como un reemplazo de la batería a largo plazo, pero al menos con la tecnología actual, los supercondensadores no son más que condensadores con alta capacidad de carga, puede obtener más información sobre los supercondensadores en nuestros artículos anteriores.
En este artículo aprenderemos cómo cargar estos supercondensadores de forma segura mediante el diseño de un circuito de carga simple y luego lo usaremos para cargar nuestro supercondensador y comprobar qué tan bueno es para retener energía. Al igual que las celdas de batería, el supercondensador también se puede combinar para formar bancos de energía de condensadores, el enfoque para cargar un banco de energía de condensadores es diferente y está fuera del alcance de este artículo. Aquí se utilizará el supercondensador de moneda simple y comúnmente disponible de 5.5V 1F que se parece a una celda de moneda. Aprenderemos a cargar supercondensadores tipo moneda y a utilizarlo en aplicaciones adecuadas.
Carga de un supercondensador
Comparando vagamente un supercondensador con una batería, los supercondensadores tienen baja densidad de carga y peores características de autodescarga, pero aún así, en términos de tiempo de carga, vida útil y ciclo de carga, los supercondensadores superan a las baterías. Según la disponibilidad de corriente de carga, los supercondensadores se pueden cargar en menos de un minuto y, si se manejan correctamente, pueden durar más de una década.
En comparación con las baterías, los supercondensadores tienen un valor de ESR (resistencia en serie equivalente) muy bajo, lo que permite que fluya un valor más alto de corriente dentro o fuera del condensador, lo que le permite cargarse más rápido o descargarse con alta corriente. Pero debido a esta capacidad de manejar alta corriente, un supercondensador debe cargarse y descargarse de manera segura para evitar una fuga térmica. Cuando se trata de cargar un supercondensador existen dos reglas de oro, el condensador debe cargarse con la polaridad correcta y con un voltaje que no exceda el 90% de su capacidad de voltaje total.
Los supercondensadores del mercado actual normalmente tienen una potencia nominal de 2,5 V, 2,7 V o 5,5 V. Al igual que una celda de litio, estos condensadores deben conectarse en serie y en combinación en paralelo para formar paquetes de baterías de alto voltaje. A diferencia de las baterías, un condensador cuando se conecta en serie sumará recíprocamente su voltaje total, lo que hace necesario agregar más condensadores para formar paquetes de baterías de valor decente. En nuestro caso, tenemos un condensador de 5,5 V 1F, por lo que el voltaje de carga debe ser del 90% de 5,5, es decir, cerca de 4,95 V.
Energía almacenada en un supercondensador
Cuando se utilizan condensadores como elementos de almacenamiento de energía para alimentar nuestros dispositivos, es importante determinar la energía almacenada en un condensador para predecir cuánto tiempo se podrá alimentar el dispositivo. Las fórmulas para calcular la energía almacenada en el condensador pueden estar dadas por E = 1 / 2CV 2. Entonces, en nuestro caso, para un capacitor de 5.5V 1F cuando se carga completamente, la energía almacenada será
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 julios
Ahora, usando este valor podemos calcular cuánto tiempo el capacitor puede alimentar cosas, digamos, por ejemplo, si necesitamos 500 mA a 5 V durante 10 segundos. Luego, la energía requerida para este dispositivo se puede calcular usando fórmulas Energía = Potencia x tiempo. Aquí la potencia se calcula mediante P = VI, por lo que para 500 mA y 5 V la potencia es de 2,5 vatios.
Energía = 2.5 x (10/60 * 60) Energía = 0.00694 Watt-hora o 25 Julios
De esto podemos concluir que necesitaremos al menos dos de estos condensadores en paralelo (15 + 15 = 30) para conseguir una fuente de alimentación de 30 Julios que será suficiente para alimentar nuestro dispositivo durante 10 segundos.
Identificación de polaridad en supercondensador
Cuando se trata de condensadores y baterías debemos tener mucho cuidado con su polaridad. Es muy probable que un condensador con polaridad inversa se caliente y se derrita y, a veces, explote en el peor de los casos. El condensador que tenemos es de tipo moneda, cuya polaridad se indica con una pequeña flecha blanca como se muestra a continuación.
Supongo que la dirección de la flecha indica la dirección de la corriente. Puede pensar en ello como, la corriente siempre fluye de positivo a negativo y, por lo tanto, la flecha comienza desde el lado positivo y apunta hacia el lado negativo. Una vez que conozca la polaridad y si tiene curiosidad por cargarlo, incluso puede usar un RPS, configurarlo en 5.5V (o 4.95V por seguridad) y luego conectar el cable positivo de RPS al pin positivo y el cable negativo al pin negativo y debería ver que el condensador se está cargando.
Según la clasificación actual del RPS, puede observar que el condensador se carga en segundos y una vez que alcanza los 5,5 V dejará de consumir más corriente. Este condensador completamente cargado ahora se puede utilizar en una aplicación adecuada antes de que se descargue automáticamente.
En lugar de usar un RPS en este tutorial , construiremos un cargador que regule 5.5V desde un adaptador de 12V y lo usaremos para cargar el supercondensador. El voltaje del capacitor será monitoreado usando un comparador de amplificador operacional y una vez que el capacitor esté cargado, el circuito desconectará automáticamente el supercondensador de la fuente de voltaje. Suena interesante, así que comencemos.
Materiales necesarios
- Adaptador 12V
- Regulador de voltaje LM317 IC
- LM311
- IRFZ44N
- Transistor PNP BC557
- LED
- Resistor
- Condensador
Diagrama de circuito
El diagrama de circuito completo para este circuito cargador de supercondensador se muestra a continuación. El circuito se dibujó con el software Proteus, la simulación del mismo se mostrará más adelante.El circuito está alimentado por un adaptador de 12V; luego usamos un LM317 para regular 5.5V para cargar nuestro capacitor. Pero estos 5,5 V se proporcionarán al condensador a través de un MOSFET que actúa como interruptor. Este interruptor se cerrará solo si el voltaje del capacitor tiene menos de 4.86V ya que el capacitor se carga y aumenta el voltaje, el interruptor se abrirá y evitará que la batería se cargue más. Esta comparación de voltaje se realiza usando un amplificador operacional y también usamos un transistor BC557 PNP para encender un LED cuando se completa el proceso de carga. El diagrama de circuito que se muestra arriba se divide en segmentos a continuación para una explicación.
Regulación de voltaje LM317:
La resistencia R1 y R2 se utiliza para decidir el voltaje de salida del regulador LM317 según las fórmulas Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1). Aquí hemos utilizado un valor de 1k y 3.3k para regular un voltaje de salida de 5.3V que está lo suficientemente cerca de 5.5V. Puede utilizar nuestra calculadora en línea para calcular el voltaje de salida deseado en función del valor de resistencia disponible con usted.
Comparador de amplificador operacional:
Hemos utilizado el IC comparador LM311 para comparar el valor de voltaje del supercondensador con un voltaje fijo. Este voltaje fijo se proporciona al pin número 2 mediante un circuito divisor de voltaje. Las resistencias 2.2k y 1.5k caen un voltaje de 4.86V desde 12V. Este 4,86 voltios se compara con el voltaje de referencia (voltaje del condensador) que está conectado al pin 3. Cuando el voltaje de referencia es menor que 4,86 V, el pin de salida 7 aumentará con 12 V con la resistencia pull-up de 10k. Este voltaje luego se usará para impulsar el MOSFET.
MOSFET y BC557:
El MOSFET IRFZ44N se utiliza para conectar el supercondensador al voltaje de carga según la señal del amplificador operacional. Cuando el amplificador operacional sube, emite 12V en el pin 7 que enciende el MOSFET a través de su pin base de manera similar cuando el amplificador operacional baja (0V), el MOSFET se abrirá. También tenemos un transistor PNP BC557 que encenderá el LED cuando el MOSFET esté apagado indicando que el voltaje del capacitor es superior a 4.8V.
Simulación del circuito del cargador de supercondensador
Para simular el circuito, reemplacé la batería con una resistencia variable para proporcionar un voltaje variable al pin 3 del amplificador operacional. El supercondensador se reemplaza con un LED para mostrar si está encendido o no. El resultado de la simulación se puede encontrar a continuación.
Como puede ver al usar las sondas de voltaje, cuando el voltaje en el pin inversor es bajo que el pin no inversor, el amplificador operacional sube con 12V en el pin 7, lo que enciende el MOSFET y, por lo tanto, carga el capacitor (LED amarillo). Este 12V también activa el transistor BC557 para apagar el LED verde. A medida que aumenta el voltaje del condensador (potenciómetro), el LED verde se encenderá ya que el amplificador operacional generará 0 V como se muestra arriba.
Cargador de supercondensador en hardware
El circuito es bastante simple y se puede construir en una placa de pruebas, pero decidí usar una placa Perf para poder reutilizar el circuito en el futuro en cada intento de cargar mi supercondensador. También tengo la intención de usarlo junto con el panel solar para proyectos portátiles, por lo tanto, intenté construirlo lo más pequeño y rígido posible. Mi circuito completo una vez soldado en una placa de puntos se muestra a continuación.
Los dos palos de té hembras se pueden tocar con clavijas de cocodrilo para cargar el condensador. El LED amarillo indica la alimentación del módulo y el LED azul indica el estado de carga. Una vez que se completa el proceso de carga, el LED se encenderá; de lo contrario, permanecerá apagado. Una vez que el circuito esté listo, simplemente conecte el capacitor y verá que el LED azul se apaga y después de un tiempo volverá a subir para indicar que el proceso de carga se ha completado. Puede ver la placa en estado de carga y carga a continuación.
El trabajo completo se puede encontrar en el video que se encuentra en la parte inferior de esta página, si tiene algún problema para que esto funcione, publíquelo en la sección de comentarios o use nuestros foros para otras preguntas técnicas.
Mejoras de diseño
El diseño del circuito que se da aquí es tosco y funciona para su propósito; Aquí se comentan algunas mejoras obligatorias que noté después de la compilación. El BC557 se calienta debido a los 12V en su base y emisor, por lo que se debe usar un diodo de alto voltaje en lugar del BC557.
En segundo lugar, como los cargadores de condensadores, el comparador de voltaje mide el cambio de voltaje, pero cuando el MOSFET se apaga después de la carga, el amplificador operacional detecta una ganancia de voltaje bajo y enciende el FET nuevamente, este proceso se repite varias veces antes de que el amplificador operacional se apague completamente. Un circuito de enclavamiento en la salida del amplificador operacional resolverá el problema.