UPS con supercondensador: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Para un proyecto, se me pidió que planificara un sistema de energía de respaldo que pudiera mantener el microcontrolador funcionando unos 10 segundos después de la pérdida de energía. La idea es que durante estos 10 segundos el controlador tenga tiempo suficiente para

• Detén lo que sea que esté haciendo
• Guarde el estado actual en la memoria
• Envíe el mensaje de pérdida de energía (IoT)
• Se pone en modo de espera y espera la pérdida de energía.

La operación normal comienza solo después de un reinicio. Todavía se necesita algo de planificación sobre cuál podría ser el procedimiento si la energía regresa durante estos 10 segundos. Sin embargo, mi tarea consistía en centrarme en la fuente de alimentación.

La solución más simple podría ser utilizar un SAI externo o algo por el estilo. Obviamente, ese no es el caso y necesitábamos algo mucho más barato y más pequeño. Las soluciones restantes utilizan una batería o un supercondensador. Exactamente durante el proceso de evaluación, vi un buen video de YouTube sobre un tema similar: Enlace.

Después de algunas consideraciones, el circuito del supercondensador nos pareció la mejor solución. Es un poco más pequeño que la batería (queremos usar componentes muy utilizados, aunque personalmente no estoy seguro de si el motivo del tamaño es realmente cierto), requiere menos componentes (lo que significa que es más barato) y, lo más importante, suena mucho mejor. que una batería (consecuencias de trabajar con personas que no son ingenieros).

Se construyó una configuración de prueba para probar la teoría y controlar si los sistemas de carga de supercondensadores funcionan como deberían.

Este Instructable muestra más lo que se ha hecho en lugar de explicar cómo hacerlo.

Paso 1: Descripción del sistema

La arquitectura del sistema se puede ver en la figura. Primero, el 230VAC se convierte a 24VDC que a 5VDC y al final el circuito del microcontrolador está funcionando a 3.3V. En el caso ideal, se podría detectar la falla de energía ya en el nivel de la red (230 VCA). Desafortunadamente, no podemos hacer eso. Por lo tanto, tenemos que verificar si la energía sigue ahí en los 24 VCC. De esta forma, no se pueden utilizar los condensadores de almacenamiento de la fuente de alimentación de CA / CC. El microcontrolador y todos los demás componentes electrónicos importantes están a 3.3V. Se ha decidido que en nuestro caso el riel de 5V es el mejor lugar para agregar el supercondensador. Cuando el voltaje del capacitor está disminuyendo lentamente, el microcontrolador aún puede funcionar a 3.3V.

Requerimientos:

• Corriente constante - Iconst = 0.5 A (@ 5.0V)
• Voltaje mínimo (voltaje mínimo permitido a carril de 5 V) - Vend = 3,0 V
• Tiempo mínimo que debe cubrir el condensador - T = 10 seg.

Hay varios IC-s especiales de carga de supercondensadores disponibles que pueden cargar el condensador muy rápido. En nuestro caso, el tiempo de carga no es crítico. Por lo tanto, un circuito de diodo-resistor más simple es suficiente. Este circuito es sencillo y económico con algunos inconvenientes. El problema del tiempo de carga ya se mencionó. Sin embargo, el principal inconveniente es que el condensador no se carga a su voltaje total (caída de voltaje del diodo). Sin embargo, el voltaje más bajo también puede traernos algunos aspectos positivos.

En la curva de vida útil esperada del supercondensador de la hoja de datos de la serie AVX SCM (enlace), se puede ver la vida útil esperada frente a la temperatura de funcionamiento y el voltaje aplicado. Si el condensador tiene un valor de voltaje más bajo, la vida útil esperada aumenta. Eso podría ser beneficioso ya que podría usarse un condensador de voltaje más bajo. Eso aún debe aclararse.

Como se mostrará en las mediciones, el voltaje de operación del capacitor será de alrededor de 4.6V-4.7V - 80% V nominal.

Paso 2: circuito de prueba

Después de alguna evaluación, se han elegido los supercondensadores AVX para realizar pruebas. Los probados están clasificados para 6V. En realidad, eso está demasiado cerca del valor que planeamos utilizar. Sin embargo, para fines de prueba es suficiente. Se probaron tres valores de capacitancia diferentes: 1F, 2.5F y 5F (2x 2.5F en paralelo). La clasificación de los condensadores sigue

• Precisión de capacitancia - 0% + 100%
• Voltaje nominal - 6 V

• Número de pieza del fabricante -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Vida útil: 2000 horas a 65 ° C

Para hacer coincidir el voltaje de salida con el voltaje del capacitor, se utilizan diodos de voltaje directo mínimo. En la prueba se implementan diodos VdiodeF2 = 0.22V junto con diodos de alta corriente con VdiodeF1 = 0.5V.

Se utiliza el CI convertidor CC-CC simple LM2596. Eso es un IC muy robusto y permite flexibilidad. Para las pruebas se planearon diferentes cargas: principalmente diferentes cargas resistivas.

Las dos resistencias paralelas de 3,09 kΩ paralelas al supercondensador son necesarias para la estabilidad del voltaje. En el circuito de prueba, los supercondensadores están conectados a través de interruptores y si ninguno de los condensadores está conectado, el voltaje puede ser demasiado alto. Para proteger los condensadores, se coloca un diodo Zener de 5,1 V en paralelo a ellos.

Para la carga, la resistencia de 8.1kΩ y el LED están proporcionando algo de carga. Se notó que la condición sin carga, el voltaje podría ser más alto de lo deseado. Los diodos pueden provocar algún comportamiento inesperado.

Paso 3: cálculos teóricos

Supuestos:

• Corriente constante - Iconst = 0.5A
• Vout @ falla de energía - Vout = 5.0V
• Voltaje de carga del condensador antes de los diodos - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Voltaje de arranque (Vcap @ falla de energía) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ falla de energía - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Vcap mínimo - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Tiempo mínimo que debe cubrir el condensador - T = 10 seg.

Tiempo para cargar un condensador (teórico): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcarga + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconexiones

Para el condensador 1F es R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 ohmios

Si C = 1.0F, Tcharging = 135 seg = 2.5 minuntes

Si C = 2.5F, Tcharging = 337 seg = 5.7 minuntes

Si C = 5.0F, Tcharging = 675 seg = 11 minuntes

A partir de las suposiciones, podemos suponer que la potencia nominal constante es aproximadamente: W = I * V = 2.5W

En un condensador, se puede almacenar cierta cantidad de energía: W = 0.5 * C * V ^ 2

A partir de esta fórmula, se podría calcular la capacitancia:

• Quiero dibujar x Watts por t Segundos, ¿cuánta capacitancia necesito (Enlace)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Quiero dibujar x amperios durante t segundos, ¿cuánta capacitancia necesito? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Si elegimos que el valor del condensador sea 5F:

• ¿Cuánto tiempo tomará cargar / descargar este capacitor con una corriente constante (Enlace)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11.0 seg
• ¿Cuánto tiempo tomará cargar / descargar este capacitor con una potencia constante (W)? Tdischarge = 0.5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8.47 seg

Si usa un Rcharge = 25ohm, la corriente de carga sería

Y el tiempo de carga aproximadamente: Tcharging = 625 seg = 10,5 minutos

Paso 4: Medidas prácticas

Se probaron diferentes configuraciones y valores de capacitancia. Para simplificar las pruebas, se creó una configuración de prueba controlada por Arduino. Los esquemas se muestran en las figuras anteriores.

Se midieron tres voltajes diferentes y los resultados se ajustan relativamente bien a la teoría. Dado que las corrientes de carga son mucho más bajas que la clasificación del diodo, la caída de voltaje directo es ligeramente menor. Sin embargo, como puede verse, la tensión del supercondensador medida coincide exactamente con los cálculos teóricos.

En la siguiente figura, se puede ver una medición típica con un capacitor de 2.5F. El tiempo de carga encaja bien con el valor teórico de 340 segundos. Después de 100 segundos adicionales, el voltaje del capacitor ha aumentado solo 0.03V adicionales, lo que significa que la diferencia es insignificante y está en el rango de error de medición.

En la otra figura, se puede ver que después de la falla de energía, el voltaje de salida Vout es VdiodeF2 más pequeño que el voltaje del capacitor Vcap. La diferencia es dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

Un resumen de los tiempos medidos se puede ver en la tabla adjunta. Como puede verse, los resultados no se ajustan exactamente a los cálculos teóricos. Los tiempos medidos son en su mayoría mejores que los calculados, lo que significa que algunos parásitos resultantes no se consideraron en los cálculos. Al mirar el circuito construido, se puede notar que hay varios puntos de conexión no bien definidos. Además, los cálculos no consideran bien el comportamiento de la carga: cuando el voltaje cae, la corriente disminuye. Sin embargo, los resultados son prometedores y se encuentran en el rango esperado.

Paso 5: algunas posibilidades de mejora

Se podría mejorar el tiempo de funcionamiento si se usa un convertidor elevador en lugar del diodo después del supercondensador. Hemos considerado que, sin embargo, el precio es más alto que el de un diodo simple.

Cargar el supercondensador a través de un diodo (en mi caso dos diodos) significa una caída de voltaje y eso podría eliminarse si se usa un IC de carga de condensador especial. Una vez más, el precio es la principal preocupación.

Alternativamente, se podrían usar interruptores del lado alto junto con un interruptor PNP. A continuación, se puede ver una posible solución de pensamiento rápido. Todos los interruptores se controlan a través de un diodo Zener que se alimenta desde una entrada de 24V. Si el voltaje de entrada cae por debajo del voltaje zener del diodo, el interruptor PNP se enciende y los otros interruptores del lado alto se apagan. Este circuito no está probado y lo más probable es que requiera algunos componentes adicionales (pasivos).

Paso 6: Conclusión

Las medidas encajan bastante bien con los cálculos. Demostrar que se pueden utilizar los cálculos teóricos: sorpresa-sorpresa. En nuestro caso especial, se necesita poco más de un condensador de 2.5F para proporcionar suficiente cantidad de energía para el período de tiempo dado.

Lo más importante es que el circuito de carga del condensador funciona como se esperaba. El circuito es sencillo, económico y suficiente. Hay algunas desventajas mencionadas, sin embargo, el bajo precio y la simplicidad lo compensan.

Ojalá este pequeño resumen pueda ser útil para alguien.