Super Capacitor Raspberry Pi ноутбук: 5 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Бұл жобаға деген жалпы қызығушылыққа байланысты, мен кез келген шатастыратын компоненттерді жеңілдетуге көмектесетін қосымша қадамдарды қоса аламын.

Мен конденсатордың жаңа технологиясын бірнеше жылдар бойы пайда болғанын үнемі қызықтыратынмын және оларды қызық үшін аккумулятор ретінде қолдануға тырысу қызықты болады деп ойладым. Мен бұл жұмыста көптеген қызықты мәселелерге тап болдым, себебі олар бұл қосымшаны ескермеген, бірақ мен білген және тексерген нәрсемен бөліскім келді.

Бұл мобильді қосымшадағы супер конденсаторлардың зарядталуының және қуатын алудың қиындықтарын айқындау үшін (бұл қаншалықты ауыр болса да, бәрі бірдей мобильді емес …).

Төмендегі керемет оқулықтар болмаса, бұл нәтижеге жетпес еді:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Суперконденсаторлар туралы терең ақпарат
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-зарядтау және разряд схемасын құруға арналған оқулық
• Егер мен оларды таба алсам/есте сақтасам, мен қолданған нәрсені қазып алуға тырысамын.

• Егер сізде маңызды деп санайтын оқулықтар болса, маған хабарлаңыз, осылайша мен оны осында жібере аламын.

Мен мұны көргім келген негізгі себептер:

• SECONDS ішінде толық зарядтау (жоғары ток күші бұл жүйені бірнеше минутқа қауіпсіз түрде шектейді).
• Жүздеген мың зарядтау циклі деградациясыз (дұрыс жағдайда миллионнан астам).
• Аккумуляторлық индустрияда өз орнын таба алатын өте жақсы технология.
• Экологиялық пайдалану шарттары. Мұнда қолданылатын конденсаторлар үшін +60С -60С температура.
• Зарядтау тиімділігі> 95% (батареялар орташа <85%)
• Маған олар қызық па?

Электр энергиясымен жұмыс істеу кезінде міндетті түрде ескерту үшін … ~ 5В төмен кернеумен жұмыс істеу кезінде жарақат алу ықтималдығы өте аз болса да, супер конденсаторлар шығаратын ампердің керемет мөлшері күйіктерге және компоненттерді тез қуыруға әкеледі. тамаша түсініктеме мен қауіпсіз қадамдар береді. Батареялардан айырмашылығы, терминалдардың толық қысқаруы жарылыс қаупін туғызбайды (сым өлшегішке байланысты супер конденсатордың қызмет ету мерзімін қысқартады). Нағыз проблемалар супер конденсаторлар ыдырап, «жарылып», түтінді тәртіпсіздікте өлетін шамадан тыс кернеу кезінде (белгіленген максималды кернеуден жоғары зарядтау) туындауы мүмкін. Төтенше жағдайлар мөрдің қатты шығып кетуі мүмкін.

Қанша қуатты босатуға болатынын мысал ретінде, мен толық зарядталған банкке 5 вольтты 16 калибрлі мыс сымды тастадым (әрине, кездейсоқ) және ақ және жасыл жарқылда сым жарылып кеткеннен сәл соқыр болдым. Бір секундтың ішінде 5 сантиметрлік сым GONE болды. Жүздеген ампер бір секунд ішінде сым арқылы өтеді.

Мен ноутбукке платформа ретінде орналастым, себебі менде Raspberry Pi, алюминийден жасалған чемодан, киоск пернетақтасы мен 3D -принтердің прототипі болды. Бастапқыда бұл ноутбук 10-20 минут жұмыс істей алатындай етіп жасалды. Бөлмеде менде чемоданда қосымша бөлме болғандықтан, супер конденсаторларды жинап, бұл жобадан көбірек шығуға тырысу тым қызық болды.

Қазіргі уақытта қолданылатын қуат мөлшері 3.7V 2Ah SINGLE литий -ионды батареяның астында. Тек шамамен 7 Вт қуат. Бұл таңқаларлық емес, бірақ зарядтау уақыты 15 минуттан аз болса да, бұл қызықты.

Өкінішке орай, бұл жүйемен конденсаторларда жинақталған қуаттың шамамен 75% -ы ғана шығарылады … Қуатты 1В немесе одан төмен кернеуде алу үшін әлдеқайда тиімді жүйе енгізілуі мүмкін. Мен бұған көп ақша жұмсағым келмеді, сонымен қатар конденсаторларда 2 В шамасында барлығы 11 Вт сағатынан шамамен 2 Вт / с қуат қалады.

Төмен қуатты 0,7-5 В-тан 5 В-қа дейінгі түрлендіргішті қолдана отырып (~ 75-85% тиімділік) мен 11 Вт / сағ ұялы телефонның батареясын конденсатор банкінің көмегімен 3% -дан 65% -ға дейін зарядтай алдым (бірақ телефондар 60-80 зарядтауда өте тиімсіз. кіріс қуатының % нақты сақталады).

Бұл жобада қолданылатын бөлшектер үшін, менің қолымда болғанға қарағанда, жақсы бөлшектер болуы мүмкін. Бірақ мұнда олар:

• 6x супер конденсаторлар (2.5В, 2300 Фарад - автокөлікті қалпына келтіретін тежеу жүйесінен. Ebay сайтынан табуға болады және т.б.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1х 5В қуатты дисплей (мен HDMI контроллер тақтасы бар 5,5 дюймдік AMOLED дисплейін қолданамын)
• 2x ATTiny85 микроконтроллері (мен бағдарламалауды қосамын)
• 2х 0,7В-5В тұрақты 5В 500мА DC-DC түрлендіргіштері
• 4х 1,9В-5В тұрақты 5В 1А тұрақты токтың түрлендіргіштері
• 1x чемодан
• 3x 6A PWM қабілетті мистер
• 2х 10А Шоттки диодтары
• 10x алюминийден жасалған саңылау жақтауы (буындары бар, заттарды ұстау үшін не қолданғыңыз келетініне байланысты)
• киоск пернетақтасы
• 20 Вт 5 В күн панелі
• USB - микро USB кабельдері
• HDMI кабелі
• Негізгі электрлік компоненттер мен прототиптеу тақталарының ассортименті.
• 3D басып шығарылған көптеген бөліктер (мен.stl файлдарын қосамын)

Бұл бөлшектерді тиімдірек/тиімді бөліктерге оңай ауыстыруға болады, бірақ бұл менің қолымда болды. Сондай -ақ, өлшем шектеулері қандай компоненттер таңдалғанына байланысты өзгереді.

Егер сізде дизайн туралы кері байланыс болса, пікір қалдырудан тартынбаңыз!

1 -қадам: қуат сипаттамалары

Конденсаторлар олар үшін арналмаған нәрсеге қолданылғанда қуатты түрде не күтетіні туралы түсінік беру үшін:

Конденсатордың кернеуі тым төмен болғанда (1,9 В), ATTinys жүйенің кез келген компоненттерін қоспайтын етіп бағдарламаланған. Бұл тек төмен кернеулерде тұрақты жұмыс істей алмайтын кезде компоненттер ешқандай қуат тартпайтынына көз жеткізу үшін.

Бұл жүйе конденсатор банкінен кернеудің 4,5 В-тан 1,9 В-қа дейінгі DC-DC түрлендіргіштерінің көмегімен жұмыс істейді.

Кіріс зарядтау кернеуі 5В -тан 5,5В -қа дейін болуы мүмкін (5,5В кезінде 5А -дан жоғары емес). 5В 10А немесе одан жоғары адаптерлер мосфетке зақым келтіреді және оны PWM зарядтау жылдамдығының жартысында жояды.

Конденсаторлардың зарядтау сипаттамалары бойынша логарифмдік/экспоненциалды зарядтау жылдамдығы жақсы болар еді, себебі толық зарядтауға жақындаған сайын қуатты итеру қиынға соғады … бірақ мен ешқашан өзгермелі типті айнымалы мәндермен жұмыс істейтін математикалық функцияны ала алмадым. ATTiny қандай да бір себептермен. Кейінірек қарауым керек нәрсе …

Толық өңдеу қуаты кезінде шамамен жұмыс уақыты 1 сағатты құрайды. Бос күйде, 2 сағат.

LowRa трансиверін қолдану өмірді ~ 15%қысқартады. Сыртқы лазерлік тінтуірдің көмегімен өмір 10%-ға қысқарады.

Конденсатордың төмен кернеу кернеуі = 5 В қуат көзіне ауысатын тиімділігі төмен. Конденсатордың 2В зарядында шамамен 75%, онда түрлендіргіштерде жылу ретінде көп қуат жоғалады.

Қосылған кезде, ноутбук 5.3V 8A адаптерін пайдаланып, шексіз жұмыс істей алады. 2А адаптерін қолдана отырып, жүйе шектеусіз пайдалану үшін қосылмас бұрын толық зарядтауды қажет етеді. ATTiny PWM зарядтау коэффициенті конденсатор 1,5В немесе одан төмен болғанда толық зарядтау кезінде 100% зарядтау жылдамдығына сызықты көтерілгенде қуаттың тек 6,2% құрайды.

Бұл жүйе төмен амперлік адаптерді пайдаланып зарядтауға көп уақыт алады. Конденсатордан ештеңе шықпай 2В -тан 4.5В -қа дейін зарядтау уақыты:

• 5.2V 8A адаптері-10-20 минут (әдетте шамамен 13 минут).
• 5.1В 2А адаптері 1-2 сағатты құрайды. Диодтар кернеуді шамамен 0,6 В -қа төмендететіндіктен, дәл 5В -тегі кейбір адаптерлер бұл жүйені ешқашан толық зарядтамайды. Бұл жақсы, бірақ адаптерге теріс әсер етпейді.
• Толық күн сәулесіндегі 20 Вт күн панелі 0,5-2 сағатты құрайды. (тестілеу кезінде көптеген дисперсиялар).

Конденсаторларды пайдаланудың өзіндік проблемасы бар, олар зарядты ұзақ уақыт ұстамайды, сіз максималды кернеуге жақындаған сайын.

Алғашқы 24 сағат ішінде конденсатор банкі орташа 4,5 В -тан 4,3 В -қа дейін өздігінен ағызылады. Содан кейін келесі 72 сағат ішінде біртіндеп тұрақты 4.1В дейін төмендейді. ATTinys шағын разрядпен бірге кернеуді алғашқы 96 сағаттан кейін тәулігіне 0,05-0,1В төмендейді (кернеу нөлге жақындаған сайын экспоненциалды түрде баяу). Конденсатор 1,5 В және одан төмен болғанда кернеу температураға байланысты тәулігіне 0,001-0,01 В шамасында төмендейді.

Осының бәрін ескере отырып, консервативті шамамен ~ 100 күнде 0,7В кернеу болады. Мен бұл отырыстан 30 күнге шықтым, бірақ әлі де 3,5 В шамасында болды.

Бұл жүйе тікелей күн сәулесінде шексіз жұмыс істей алады.

* * * ЕСКЕРТУ: * * Бұл жүйенің сыни кернеуі 0,7В, онда ATTinys жүйесінен қуат алатын тұрақты токтың түрлендіргіштері істен шығады. Бақытымызға орай, мосфет зарядтау жылдамдығы осы кернеуге немесе одан төмен қуатқа қосылған кезде баяу зарядтауға мүмкіндік беретін ~ 2% жоғары болады. НЕГЕ бұлай болатынын мен әлі түсінбедім, бірақ бұл бақытты бонус.

Мен конденсатор банкін ~ 15 рет толықтай зарядтауға және зарядтауға тура келді, олар химиялық теңдестірілгенге дейін және жақсы зарядқа ие болғанша. Мен оларды алғаш рет қосқан кезде, мен сақталған зарядтың мөлшеріне қатты ренжідім, бірақ ол алғашқы 15 толық зарядтау циклінен әлдеқайда жақсы болады.

2 -қадам: Pi қуат контроллері

Pi қосу және өшіру үшін маған 4 тұрақты токтың түрлендіргіші мен мосфеті бар қуат реттегішін енгізу керек болды.

Өкінішке орай, Pi өшірілгенде де шамамен 100 мА алады, сондықтан мен оған қуатты толығымен өшіру үшін мосфет қосуға тура келді. Қуат реттегіші жұмыс істеп тұрғанда, толық зарядта тек ~ 2мА босқа кетеді (төмен зарядта ~ 0,5мА).

Негізінде контроллер келесі әрекеттерді орындайды:

1. Зарядтау кезінде шамадан тыс кернеуді болдырмау үшін конденсаторлардағы кернеудің 2,5 В төмен деңгейін реттейді.
2. Төрт тұрақты ток (әрқайсысы 1А максимум, барлығы 4А) конденсаторлардан 4,5 В-тан 1,9 В-қа дейін тұрақты 5,1 В кернеуді алады.
3. Түймені басқанда, мосфет қуатқа Pi -ге өтуге мүмкіндік береді. Тағы бір баспасөз қуатты өшіреді.
4. ATTiny конденсатор банкінің кернеу деңгейін бақылайды. Егер тым төмен болса, мосфет қосылмайды.

Күміс түйме басылған кезде конденсатор банкінде қалған қуатты көрсетеді. 4,5 В кернеуде 10 жыпылықтайды және 2,2 В кернеуде 1. Күн панелі 5В толық зарядтауға қабілетті және бұл деңгейде 12 рет жыпылықтайды.

Конденсатордың кернеуі 2,5 В жасыл дискінің реттегіштерімен реттеледі, ол артық қуатты кетіреді. Бұл өте маңызды, өйткені күн панелі конденсаторларды 10А диод арқылы 5,2В дейін тікелей зарядтайды, бұл оларды шамадан тыс зарядтайды.

Тұрақты токтың түрлендіргіштері әрқайсысы 1А дейін жеткізуге қабілетті және айнымалы тұрақты кернеуді шығарады. Үстіңгі жағындағы көк потенциометрдің көмегімен кернеуді кез келген деңгейге орнатуға болады. Мен оларды 5,2 В -қа қойдым, ол мосфет арқылы 0,1 В шамасында түседі. Біреуі басқаларға қарағанда ең кіші жоғары кернеу болады және орташа қызады, бірақ қалғандары Pi -дің электрлік көтерілуін басқарады. Барлық 4 түрлендіргіш толық конденсаторлық зарядта 4А -ға дейін немесе төмен зарядта 2А -ға дейінгі қуатты көтере алады.

Түрлендіргіштер толық зарядталған кезде ~ 2мА тыныш ток алады.

Мен мұны ATTiny көмегімен жасау үшін қолданатын Arduino нобайы бекітілген (көптеген жазбалар қосылды). Түйме ATTiny -ді ұйқыдан шығарып, Pi -ге қуат беру үшін үзіліске бекітілген. Егер қуат тым төмен болса, жарық диоды 3 рет жыпылықтайды және ATTiny қайтадан ұйқыға қосылады.

Егер түйме екінші рет басылса, Pi қуаты өшеді және ATTiny келесі түйме басылғанша ұйқыға кетеді. Бұл ұйқы режимінде бірнеше жүз нано күшейткіштерді қолданады. ATTiny 500мА тұрақты токтың 5В-0,7В айнымалысынан тұрақты 5В қамтамасыз ете алатын тұрақты ток түрлендіргішінен шығып жатыр.

Қуат корпусы TinkerCAD -та (барлық басқа 3D басып шығарулар сияқты) жасалған және басып шығарылған.

Схема үшін өрескел сызылған схеманы қараңыз.

3 -қадам: зарядтау жүйесі

Зарядтау контроллері үш бөліктен тұрады:

1. ATTiny басқаратын контроллер тізбегі
2. Мосфеттер мен диодтар (және салқындату үшін желдеткіш)
3. Мен ноутбукті қуаттандыру үшін 5,2 В 8А қабырға зарядтағышын қолданамын

Контроллер схемасы зарядтау портындағы жерге қосылуды тексеру үшін әр 8 секунд сайын оянады. Егер зарядтау кабелі қосылған болса, желдеткіш іске қосылады және зарядтау процесі басталады.

Конденсатор банкі толық зарядтауға жақындаған сайын, мосфетті басқаратын PWM сигналы 4,5 В кернеуінде 100% ҚОСУға дейін сызықты түрде жоғарылайды. Мақсатты кернеуге жеткеннен кейін PWM сигналы өшіріледі (4,5В). Содан кейін қайта зарядтауды бастау үшін белгіленген төменгі шегіне жеткенше күтіңіз (4.3V).

Диодтар зарядтау кернеуін 5,2 В-тан ~ 4,6 В-қа дейін төмендететіндіктен, теориялық тұрғыда мен зарядтағышты тәулік бойы жұмыс істейтін күйде қалдыра аламын, кернеу 4,6-4,7 В шамасында. Зарядтау уақыты зарядтауға дейін немесе толық болғанда <1 минут зарядтау және 5 минут зарядтау.

Зарядтау кабелі ажыратылған кезде ATTiny қайтадан ұйқыға кетеді.

Мосфеттер Ebay -ден. Олар 5 В PWM сигналымен басқарылуы мүмкін және әрқайсысы 5А дейін жұмыс жасай алады. Бұл қабырғадағы зарядтағышқа кері ағуды болдырмау үшін үш 10А шотты диодын қолданатын оң сызықта. Қабырғаға зарядтағышты қосар алдында диодтың бағытын екі рет тексеріңіз. Егер қуатты конденсаторлардан қабырғадағы зарядтағышқа жіберуге рұқсат берілмесе, зарядтағыш қатты қызады және ноутбукке қосылған кезде еріп кетуі мүмкін.

5В желдеткіш қабырғадағы зарядтағышпен басқарылады және басқа компоненттерді салқындатады, себебі олар зарядтың жартысынан өте төмен болады.

5.2В 8А зарядтағышпен зарядтау бірнеше минутты алады, ал 5В 2А зарядтағыш бір сағаттан астам уақытты алады.

Мосфетке PWM сигналы 1,5 В немесе одан да аз қуаттың 6% -ға дейін, кернеуі 4,5 В толық зарядталған кезде 100% -ға дейін көтерілуге мүмкіндік береді. Бұл конденсаторлар төмен кернеуде тұйықталу рөлін атқарады, бірақ теңестіруге жақындаған сайын зарядтау экспоненциалды түрде қиындайды.

20 Вт күн панелі шағын зарядтағыш 5,6 В 3,5А USB тізбегін басқарады. Бұл конденсатор банкіне 10А диод арқылы тікелей беріледі. 2,5 В реттегіштері конденсаторларды шамадан тыс зарядтауға жол бермейді. Жүйені ұзақ уақыт бойы күн сәулесінде қалдырмағаныңыз жөн, өйткені реттегіштер мен зарядтағыш схемасы қатты қызып кетуі мүмкін.

Қосылған Arduino Sketch -ті, басқа да нашар сызылған схеманы және 3D басылған бөліктерге арналған. STL файлдарын қараңыз.

Тізбектің қалай қосылатынын түсіндіру үшін зарядтаушы контроллерде зарядтағыштан кіріс кернеуін тексеруге арналған бір желі бар және мосфет модульдеріндегі pwm түйреуіштеріне бір желі бар.

Мосфет модульдері конденсатордың теріс жағына негізделген.

Желдеткішті конденсаторлардың теріс жағынан зарядтағыш кірісінің жоғарғы жағына қоспайынша бұл схема өшпейді. Жоғарғы жағы диодтар мен мосфеттердің артында болғандықтан, қарсылық 40к -тан асатындықтан, энергия аз жұмсалады. Желдеткіш зарядтау құрылғысы жалғанбаған кезде жоғары жағын төмен тартады, бірақ зарядтағыш қосылған кезде оны төмендету үшін ток жеткіліксіз.

4 -қадам: Конденсатор банкі + Қосымша 3D басып шығару

Қолданылатын конденсаторлар - 6х 2,5В @ 2300F суперконденсаторлар. Олар параллель 3 сериялы 2 жиынтықта орналастырылған. Бұл 5В @ 3450F банкке келеді. Егер БАРЛЫҚ энергияны конденсаторлардан алу мүмкін болса, олар ~ 11 Вт / сағ қуаттылықты немесе 3,7 В 2,5Ач литий-иондық батареяны бере алады.

Мәліметтер парағына сілтеме:

Мен сыйымдылықты, содан кейін қол жетімді ватт сағатты есептеу үшін қолданған теңдеулер:

(C1*C2) / (C1+C2) = Жалпы 2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V 3450F конденсаторлардағы қол жетімді потенциалдың 4,5В -тан 1,9В -ға дейін пайдалану ((C**) (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Джоуль Барлығы ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 секунд = Ватт сағат 28704/3600 = 7,97 Вт (теориялық максималды қуат)

Бұл банк өте үлкен. биіктігі 5см x ұзындығы 36см ені 16см. Мен қолданған алюминий жақтауды қосқанда, бұл өте ауыр … Чемодан мен басқа да перифериялық құрылғыларды қоспағанда, шамамен 5 кг немесе 11 фунт.

Мен конденсатордың терминалдарын 12 калибрлі мыс сыммен бірге дәнекерленген 50А терминал қосқыштарының көмегімен жалғадым. Бұл терминалдардағы кедергіге жол бермейді.

Алюминийден жасалған штанга жақтауын қолдана отырып, ноутбук өте берік (сонымен қатар өте ауыр). Бұл жақтаудың көмегімен барлық компоненттер орнында ұсталады. Корпустың барлық жерінде тесіктерді бұрмай -ақ ноутбукта ең аз орын алады.

Бұл жобада 3D басып шығарылған көптеген бөліктер пайдаланылды:

• Конденсаторлық банктің ұстаушылары толды
• Конденсатор банк ұстағыштары
• Төменгі конденсатор ұстағыштары
• Оң және теріс конденсаторлық терминалдар арасындағы бөлгіш
• Raspberry Pi ұстағыш пластинасы
• Пернетақта мен конденсаторларға арналған жоғарғы қақпақтар (тек эстетика үшін)
• AMOLED экран ұстағыш пен қақпақ
• AMOLED контроллер тақтасының ұстаушысы
• HDMI мен USB сымдары Pi контроллерін көрсетуге арналған
• Қуатты басқаруға арналған түйме мен жарықдиодты тақтаның жоғарғы кіруі
• мен басып шығарған кезде басқалары қосылады

5 -қадам: Қорытынды

Бұл жай ғана хобби жобасы болғандықтан, менің ойымша, бұл суперконденсаторларды ноутбукті қуаттандыру үшін қолдануға болатынын дәлелдеді, бірақ өлшем шектеулері үшін емес. Бұл жобада қолданылатын конденсаторлардың қуат тығыздығы литий-ионды батареяларға қарағанда 20 есе аз. Сонымен қатар, салмақ абсурд.

Айтпақшы, бұл әдеттегі ноутбуктен өзгеше болуы мүмкін. Мысалы, мен бұл ноутбукті көбінесе күн зарядтау арқылы қолданамын. Оны «батареяны» күніне бірнеше рет қайта -қайта зарядтау мен зарядтау туралы көп уайымдамай, орманда қолдануға болады. Мен ормандағы сенсорларды тексеру кезінде телефондарды зарядтау және жарықтандыру үшін корпустың бір жағында 5в 4А розеткасын қосу үшін бастапқы құрастырудан бастап жүйені сәл өзгерттім. Салмақ әлі де иықты өлтіреді …

Зарядтау циклы өте жылдам болғандықтан, қуаттың таусылып қалуы туралы ешқашан алаңдамаңыз. Мен оны кез келген жерде 20 минутқа (немесе ағымдағы деңгейге байланысты) қосуға болады және бір сағаттан астам қарқынды пайдалануға болады.

Бұл дизайнның бір кемшілігі - бұл өтіп бара жатқан адамға өте күдікті болып көрінеді … мен бұны қоғамдық көлікте қабылдамас едім. Ең болмағанда оны көпшіліктің жанында қолданбаңыз. Маған бірнеше достар маған «қорқытатындай» етіп көрсетуім керек деді.

Жалпы алғанда, мен бұл жобаны құруда көңілді болдым және болашақта суперконденсаторлық технологияны басқа жобаларға қалай қолдану керектігін білдім. Сондай -ақ, чемодандағы барлық нәрсені орналастыру 3D жұмбақ болды, ол тым ренжіткен жоқ, тіпті өте қызықты міндет.

Егер сізде сұрақтар туындаса, маған хабарлаңыз!