슈퍼 커패시터 라는 용어 와 전기 자동차, 스마트 폰 및 IoT 장치에서의 사용 가능성이 최근 광범위하게 고려되고 있지만 슈퍼 커패시터 자체의 아이디어는 제너럴 일렉트릭에서 스토리지 용량을 늘리기 위해 처음 실험 한 1957 년으로 거슬러 올라갑니다. 커패시터. 수년에 걸쳐 슈퍼 커패시터 기술은 현재 배터리 백업, 태양 광 발전 뱅크 및 짧은 전력 부스트가 필요한 기타 애플리케이션으로 사용되도록 크게 향상되었습니다. 많은 사람들이 슈퍼 커패시터를 장기적으로 배터리의 대체품으로 간주한다는 오해를 가지고 있지만, 적어도 오늘날의 기술을 통해 슈퍼 커패시터는 충전 용량이 높은 커패시터 일 뿐이므로 이전 기사에서 슈퍼 커패시터에 대해 더 많이 알 수 있습니다.
이 기사에서는 간단한 충전기 회로를 설계하여 이러한 슈퍼 커패시터를 안전하게 충전 한 다음이를 사용하여 슈퍼 커패시터를 충전하여 에너지를 얼마나 잘 유지하는지 확인하는 방법을 배웁니다. 배터리 셀과 마찬가지로 슈퍼 커패시터를 결합하여 커패시터 파워 뱅크를 형성 할 수도 있습니다. 커패시터 파워 뱅크를 충전하는 방법은 다르며이 문서의 범위를 벗어납니다. 여기에서는 코인 셀과 비슷한 모양의 간단하고 일반적으로 사용 가능한 5.5V 1F 코인 슈퍼 커패시터를 사용합니다. 코 인형 슈퍼 커패시터를 충전하는 방법을 배우고 적합한 용도에 사용합니다.
슈퍼 커패시터 충전
슈퍼 커패시터를 배터리와 모호하게 비교하면 슈퍼 커패시터는 충전 밀도가 낮고 자체 방전 특성 이 나쁘지만 충전 시간, 보관 수명 및 충전주기 측면에서 슈퍼 커패시터가 배터리를 능가합니다. 충전 전류 가용성에 따라 슈퍼 커패시터는 1 분 이내에 충전 할 수 있으며 올바르게 취급하면 10 년 이상 지속될 수 있습니다.
배터리에 비해 슈퍼 커패시터는 ESR (등가 직렬 저항) 값이 매우 낮기 때문에 더 높은 전류 값이 커패시터로 유입되거나 유출되어 더 빠르게 충전되거나 고전류로 방전 될 수 있습니다. 그러나 이러한 고전류 처리 능력 때문에 열 폭주를 방지하기 위해 슈퍼 커패시터를 안전하게 충전 및 방전해야합니다. 슈퍼 커패시터를 충전 할 때 두 가지 황금률이 있습니다. 커패시터는 올바른 극성 과 총 전압 용량 의 90 %를 초과하지 않는 전압 으로 충전해야합니다.
오늘날 시장에 나와있는 슈퍼 커패시터의 정격은 일반적으로 2.5V, 2.7V 또는 5.5V입니다. 리튬 전지처럼이 커패시터는 고전압 배터리 팩을 형성하기 위해 직렬 및 병렬 조합으로 연결되어야합니다. 배터리와 달리 직렬로 연결된 커패시터는 전체 정격 전압을 역으로 합산하므로 적절한 가치의 배터리 팩을 형성하기 위해 더 많은 커패시터를 추가해야합니다. 우리의 경우 5.5V 1F 커패시터가 있으므로 충전 전압은 4.95V 근처에있는 5.5의 90 %가되어야합니다.
슈퍼 커패시터에 저장된 에너지
커패시터를 에너지 저장 요소로 사용하여 장치에 전력을 공급할 때 커패시터에 저장된 에너지를 확인하여 장치에 전력을 공급할 수있는 시간을 예측하는 것이 중요합니다. 커패시터에 저장된 에너지 를 계산하는 공식 은 E = 1 / 2CV 2 로 주어질 수 있습니다 . 따라서 5.5V 1F 커패시터의 경우 완전히 충전되면 저장된 에너지는
E = (1/2) * 1 * 5.5 2 E = 15 줄
이제이 값 을 사용 하여 커패시터가 사물 에 전력을 공급할 수있는 시간을 계산할 수 있습니다. 예를 들어 5V에서 10 초 동안 500mA가 필요한 경우. 그런 다음이 장치에 필요한 에너지는 에너지 = 전력 x 시간 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 여기서 전력은 P = VI 로 계산 되므로 500mA 및 5V 전력의 경우 2.5W입니다.
에너지 = 2.5 x (10 / 60 * 60) 에너지 = 0.00694 와트시 또는 25 줄
이것으로부터 우리는 장치에 10 초 동안 전력을 공급하기에 충분한 30J 의 파워 팩을 얻기 위해 병렬로 두 개 이상의 커패시터 (15 + 15 = 30)가 필요하다는 결론을 내릴 수 있습니다.
슈퍼 커패시터의 극성 식별
커패시터와 배터리에 관해서는 극성에 매우주의해야합니다. 역 극성을 가진 커패시터는 열과 녹을 가능성이 가장 높으며 최악의 시나리오에서 파열 될 수 있습니다. 우리가 가지고있는 캐패시터는 동 전형이며 극성은 아래와 같이 작은 흰색 화살표로 표시됩니다.
화살표의 방향이 전류의 방향을 가리킨다 고 가정합니다. 당신은 그것을 생각할 수 있습니다. 전류는 항상 양에서 음으로 흐르기 때문에 화살표는 양의 쪽에서 시작하여 음의 쪽을 가리 킵니다. 극성을 알고 충전하고 싶은 경우 RPS를 사용하여 5.5V (또는 안전을 위해 4.95V)로 설정 한 다음 RPS의 양극 리드를 양극 핀에 연결하고 음극 리드를 음극 핀에 연결할 수도 있습니다. 커패시터가 충전되는 것을 볼 수 있습니다.
RPS의 정격 전류를 기준으로 커패시터가 몇 초 내에 충전되고 5.5V에 도달하면 더 이상 전류를 끌어 오지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 이 완전히 충전 된 커패시터는 이제 자체 방전되기 전에 적합한 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다.
이 튜토리얼에서 RPS를 사용하는 대신 5.5V를 조절하는 충전기를 12V 어댑터로 만들어 슈퍼 커패시터를 충전하는 데 사용합니다. 커패시터의 전압은 연산 증폭기 비교기를 사용하여 모니터링되며 커패시터가 충전되면 회로가 전압 소스에서 슈퍼 커패시터를 자동으로 분리합니다. 흥미롭게 들리니 시작합시다.
필요한 재료
- 12V 어댑터
- LM317 전압 조정기 IC
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP 트랜지스터
- LED
- 저항기
- 콘덴서
회로도
이 슈퍼 커패시터 충전기 회로 의 전체 회로 다이어그램 은 다음과 같습니다. 회로는 Proteus 소프트웨어를 사용하여 그려졌으며 동일한 시뮬레이션은 나중에 표시됩니다.회로는 12V 어댑터로 전원이 공급됩니다. 그런 다음 LM317을 사용하여 5.5V를 조절하여 커패시터를 충전합니다. 그러나이 5.5V는 스위치 역할을하는 MOSFET을 통해 커패시터에 제공됩니다. 이 스위치는 커패시터의 전압이 4.86V 미만인 경우에만 닫힙니다. 커패시터가 충전되고 전압이 증가하면 스위치가 열리고 배터리가 더 이상 충전되지 않습니다. 이 전압 비교는 연산 증폭기를 사용하여 수행되며 충전 프로세스가 완료되면 BC557 PNP 트랜지스터를 사용하여 LED를 켭니다. 위에 표시된 회로도는 설명을 위해 아래 세그먼트로 나뉩니다.
LM317 전압 조정:
저항 R1 및 R2는 공식 Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1)에 따라 LM317 레귤레이터의 출력 전압을 결정하는 데 사용됩니다. 여기서는 5.5V에 가까운 5.3V의 출력 전압을 조정하기 위해 1k 및 3.3k 값을 사용했습니다. 온라인 계산기를 사용하여 사용 가능한 저항 값을 기반으로 원하는 출력 전압을 계산할 수 있습니다.
연산 증폭기 비교기:
LM311 비교기 IC를 사용하여 슈퍼 커패시터의 전압 값을 고정 전압과 비교했습니다. 이 고정 전압은 전압 분배기 회로를 사용하여 핀 번호 2에 제공됩니다. 저항 2.2k 및 1.5k는 4.86V의 전압을 12V를 형성합니다. 이 4.86V는 핀 3에 연결된 참조 전압 (커패시터의 전압)과 비교됩니다. 참조 전압이 4.86V 미만일 때 출력 핀 7은 풀업 10k 저항으로 12V로 높아집니다. 이 전압은 MOSFET을 구동하는 데 사용됩니다.
MOSFET 및 BC557:
IRFZ44N MOSFET는 연산 증폭기로부터의 신호에 기초하여 충전 전압으로 수퍼 커패시터를 연결하기 위해 사용된다. 연산 증폭기가 하이가되면 핀 7에서 12V를 출력하며 이는 연산 증폭기가 로우 (0V)가되면 MOSFET이 열릴 때와 유사하게베이스 핀을 통해 MOSFET을 켭니다. 또한 MOSFET이 꺼져있을 때 LED를 켜서 커패시터 전압이 4.8V 이상임을 나타내는 PNP 트랜지스터 BC557 도 있습니다.
슈퍼 커패시터 충전기 회로 시뮬레이션
회로를 시뮬레이션하기 위해 배터리를 가변 저항으로 교체하여 연산 증폭기의 핀 3에 가변 전압을 제공했습니다. 슈퍼 커패시터는 LED로 교체되어 전원이 공급되는지 여부를 표시합니다. 시뮬레이션 결과는 아래에서 확인할 수 있습니다.
전압 프로브를 사용하여 볼 수 있듯이 반전 핀의 전압이 비 반전 핀보다 낮을 때 op-amp는 MOSFET을 켜고 커패시터 (노란색 LED)를 충전하는 핀 7의 12V로 높아집니다. 이 12V는 또한 BC557 트랜지스터를 트리거하여 녹색 LED를 끕니다. 커패시터 (전위차계)의 전압이 증가하면 연산 증폭기가 위와 같이 0V를 출력하므로 녹색 LED가 켜집니다.
하드웨어의 슈퍼 커패시터 충전기
회로는 매우 간단하고 브레드 보드에 구성 할 수 있지만, 슈퍼 커패시터를 충전하려는 모든 시도에서 향후 회로를 재사용 할 수 있도록 Perf 보드를 사용하기로 결정했습니다. 나는 또한 휴대용 프로젝트를 위해 태양 전지판과 함께 사용할 계획이므로 가능한 한 작고 견고하게 만들어 보았습니다. 점선 보드에 납땜 된 내 전체 회로가 아래에 나와 있습니다.
두 암컷 베르그 스틱은 악어 핀을 사용하여 두드려 커패시터를 충전 할 수 있습니다. 노란색 LED는 모듈의 전원을 나타내고 파란색 LED는 충전 상태를 나타냅니다. 충전 프로세스가 완료되면 LED가 켜지고 나머지는 꺼진 상태로 유지됩니다. 회로가 준비되면 커패시터를 연결하기 만하면 파란색 LED가 꺼지고 잠시 후 충전 프로세스가 완료되었음을 표시하기 위해 다시 높아집니다. 아래에서 충전 및 충전 상태의 보드를 볼 수 있습니다.
전체 작업 은이 페이지 하단에 제공된 비디오에서 찾을 수 있습니다. 작업 하는 데 문제가있는 경우 댓글 섹션에 게시하거나 다른 기술 질문에 대한 포럼을 사용하십시오.
디자인 개선
여기에 제공된 회로 설계는 조잡하고 그 목적을 위해 작동합니다. 빌드 후 확인한 몇 가지 필수 개선 사항이 여기에 설명되어 있습니다. BC557은베이스와 이미 터의 12V로 인해 뜨거워 지므로 BC557 대신 고전압 다이오드를 사용해야합니다.
둘째, 커패시터 충전기로서 전압 비교기는 전압의 변화를 측정하지만 충전 후 MOSFET이 꺼지면 연산 증폭기가 낮은 전압 이득을 감지하고 FET를 다시 켜면 연산 증폭기가 완전히 꺼지기 전에이 프로세스가 몇 번 반복됩니다. 연산 증폭기 출력의 래칭 회로가 문제를 해결합니다.