Comment faire un circuit de chargeur de supercondensateur

Le terme supercondensateur et son utilisation possible dans les véhicules électriques, les smartphones et les appareils IoT sont largement étudiés ces derniers temps, mais l'idée du super condensateur lui-même remonte à 1957 quand il a été expérimenté pour la première fois par General Electric pour augmenter la capacité de stockage de ses condensateurs. Au fil des ans, la technologie des super condensateurs s'est considérablement améliorée, au point qu'elle est aujourd'hui utilisée comme batterie de secours, banques d'énergie solaire et autres applications nécessitant une courte augmentation de puissance. Beaucoup ont une idée fausse de considérer les supercondensateurs comme un remplacement de la batterie à long terme, mais au moins avec la technologie actuelle, les supercondensateurs ne sont rien d'autre que des condensateurs à haute capacité de charge, vous pouvez en savoir plus sur les supercondensateurs grâce à nos articles précédents.

Dans cet article, nous allons apprendre à charger de tels super condensateurs en toute sécurité en concevant un circuit de chargeur simple, puis à l'utiliser pour charger notre super condensateur afin de vérifier à quel point il retient l'énergie. Semblable aux cellules de batterie, le super condensateur peut également être combiné pour former des banques de puissance à condensateur, l'approche pour charger une banque de puissance de condensateur est différente et sort du cadre de cet article. Ici, vous utiliserez le super-condensateur pièce 5.5V 1F simple et couramment disponible qui ressemble à une pile bouton. Nous allons apprendre à charger un supercondensateur de type pièce et à l'utiliser dans des applications appropriées.

Charger un super-condensateur

En comparant vaguement un super condensateur avec une batterie, les super condensateurs ont une faible densité de charge et des caractéristiques d'autodécharge pires, mais pourtant en termes de temps de charge, de durée de vie et de cycle de charge, les super condensateurs surpassent les batteries. En fonction de la disponibilité du courant de charge, les supercondensateurs peuvent être chargés en moins d'une minute et s'ils sont correctement manipulés, ils peuvent durer plus d'une décennie.

Par rapport aux batteries, les super condensateurs ont une valeur ESR (résistance série équivalente) très faible, ce qui permet à une valeur de courant plus élevée de circuler dans ou hors du condensateur, ce qui lui permet de se charger plus rapidement ou de se décharger avec un courant élevé. Mais en raison de cette capacité à gérer un courant élevé, un super condensateur doit être chargé et déchargé en toute sécurité pour éviter un emballement thermique. Lorsqu'il s'agit de charger un super-condensateur, il existe deux règles d'or, le condensateur doit être chargé avec une polarité correcte et avec une tension ne dépassant pas 90% de sa capacité de tension totale.

Les super-condensateurs sur le marché aujourd'hui sont normalement évalués pour 2,5 V, 2,7 V ou 5,5 V. Tout comme une pile au lithium, ces condensateurs doivent être connectés en série et en parallèle pour former des blocs-batteries haute tension. Contrairement aux batteries, un condensateur lorsqu'il est connecté en série additionnera réciproquement sa tension nominale totale, ce qui oblige à ajouter plus de condensateurs pour former des batteries de valeur décente. Dans notre cas, nous avons un condensateur de 5,5 V 1F, donc la tension de charge doit être de 90% de 5,5, soit quelque part près de 4,95 V.

Énergie stockée dans un super condensateur

Lorsque vous utilisez des condensateurs comme éléments de stockage d'énergie pour alimenter nos appareils, il est important de déterminer l'énergie stockée dans un condensateur pour prédire combien de temps l'appareil pourrait être alimenté. Les formules pour calculer l' énergie stockée dans le condensateur peuvent être données par E = 1 / 2CV ². Donc, dans notre cas, pour un condensateur 5.5V 1F lorsqu'il est complètement chargé, l'énergie stockée sera

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joules

Maintenant, en utilisant cette valeur, nous pouvons calculer combien de temps le condensateur peut alimenter les choses, par exemple si nous avons besoin de 500 mA à 5 V pendant 10 secondes. Ensuite, l'énergie requise pour cet appareil peut être calculée à l'aide des formules Énergie = Puissance x temps. Ici, la puissance est calculée par P = VI, donc pour 500mA et 5V, la puissance est de 2,5 Watts.

Énergie = 2,5 x (10/60 * 60) Énergie = 0,00694 Watt-heure ou 25 Joules

De là, nous pouvons conclure que nous aurons besoin d'au moins deux de ces condensateurs en parallèle (15 + 15 = 30) pour obtenir un bloc d'alimentation de 30 Joules qui suffira à alimenter notre appareil pendant 10 secondes.

Identification de la polarité sur le super condensateur

En ce qui concerne les condensateurs et les batteries, nous devons être très prudents avec sa polarité. Un condensateur à polarité inverse chauffera et fondra très probablement et éclatera parfois dans le pire des cas. Le condensateur que nous avons est de type pièce de monnaie, dont la polarité est indiquée par une petite flèche blanche comme indiqué ci-dessous.

Je suppose que la direction de la flèche indique la direction du courant. Vous pouvez y penser comme si le courant passe toujours du positif au négatif et, par conséquent, la flèche part du côté positif et pointe vers le côté négatif. Une fois que vous connaissez la polarité et si vous êtes curieux de le charger, vous pouvez même utiliser un RPS le régler sur 5,5 V (ou 4,95 V pour la sécurité), puis connecter le câble positif du RPS à la broche positive et le câble négatif à la broche négative et vous devriez voir le condensateur se charger.

Sur la base du courant nominal du RPS, vous pouvez noter que le condensateur est chargé en quelques secondes et qu'une fois qu'il atteint 5,5 V, il cessera de tirer du courant. Ce condensateur entièrement chargé peut maintenant être utilisé dans une application appropriée avant de se décharger automatiquement.

Au lieu d'utiliser un RPS dans ce tutoriel, nous allons construire un chargeur qui régule 5,5V à partir d'un adaptateur 12V et l'utiliser pour charger le super condensateur. La tension du condensateur sera surveillée à l'aide d'un comparateur d'amplification opérationnelle et une fois que le condensateur est chargé, le circuit déconnectera automatiquement le super-condensateur de la source de tension. Cela semble intéressant, alors commençons.

Matériaux nécessaires

• Adaptateur 12V
• CI régulateur de tension LM317
• LM311
• IRFZ44N
• Transistor BC557 PNP
• LED
• Résistance
• Condensateur

Schéma

Le schéma de circuit complet de ce circuit de chargeur de supercondensateur est donné ci-dessous. Le circuit a été dessiné à l'aide du logiciel Proteus, la simulation de celui-ci sera présentée plus tard.

Le circuit est alimenté par un adaptateur 12V; nous utilisons ensuite un LM317 pour réguler 5,5V afin de charger notre condensateur. Mais ce 5,5V sera fourni au condensateur via un MOSFET agissant comme un interrupteur. Cet interrupteur ne se fermera que si la tension du condensateur est inférieure à 4,86 ​​V lorsque le condensateur se charge et augmente la tension, l'interrupteur s'ouvre et empêche la batterie de se charger davantage. Cette comparaison de tension est effectuée à l'aide d'un ampli-op et nous utilisons également un transistor BC557 PNP pour allumer une LED lorsque le processus de charge est terminé. Le schéma de circuit illustré ci-dessus est divisé en segments ci-dessous pour explication.

Régulation de tension LM317:

La résistance R1 et R2 est utilisée pour décider de la tension de sortie du régulateur LM317 sur la base des formules Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Ici, nous avons utilisé une valeur de 1k et 3,3k pour réguler une tension de sortie de 5,3V qui est assez proche de 5,5V. Vous pouvez utiliser notre calculateur en ligne pour calculer la tension de sortie souhaitée en fonction de la valeur de résistance disponible avec vous.

Comparateur ampli-op:

Nous avons utilisé le comparateur IC LM311 pour comparer la valeur de tension du super condensateur avec une tension fixe. Cette tension fixe est fournie à la broche numéro 2 à l'aide d'un circuit diviseur de tension. Les résistances 2,2k et 1,5k chutent une tension de 4,86V sous forme de 12V. Cette tension de 4,86 ​​volts est comparée à la tension de référence (tension du condensateur) qui est connectée à la broche 3. Lorsque la tension de référence est inférieure à 4,86 ​​V, la broche de sortie 7 passera à 12 V avec la résistance de rappel de 10 k. Cette tension sera ensuite utilisée pour piloter le MOSFET.

MOSFET et BC557:

Le MOSFET IRFZ44N est utilisé pour connecter le super condensateur à la tension de charge en fonction du signal de l'ampli opérationnel. Lorsque l'ampli-op devient haut, il émet 12V sur la broche 7 qui allume le MOSFET via sa broche de base de la même manière lorsque l'ampli-op devient faible (0V), le MOSFET sera ouvert. Nous avons également un transistor PNP BC557 qui allumera la LED lorsque le MOSFET est éteint, indiquant que la tension du condensateur est supérieure à 4,8V.

Simulation du circuit de chargeur de supercondensateur

Pour simuler le circuit, j'ai remplacé la batterie par une résistance variable pour fournir une tension variable à la broche 3 de l'ampli-op. Le Super condensateur est remplacé par une LED pour indiquer s'il est alimenté ou non. Le résultat de la simulation se trouve ci-dessous.

Comme vous pouvez le voir en utilisant les sondes de tension, lorsque la tension sur la broche inverseuse est basse par rapport à la broche non inverseuse, l'ampli-op passe au niveau élevé avec 12V sur la broche 7 qui allume le MOSFET et charge ainsi le condensateur (LED jaune). Ce 12V déclenche également le transistor BC557 pour éteindre la LED verte. Au fur et à mesure que la tension du condensateur (potentiomètre) augmente, la LED verte s'allumera car l'ampli opérationnel produira 0V comme indiqué ci-dessus.

Chargeur de supercondensateur sur le matériel

Le circuit est assez simple et peut être construit sur une maquette, mais j'ai décidé d'utiliser une carte Perf afin de pouvoir réutiliser le circuit à l'avenir dans chaque tentative de charger mon super condensateur. J'ai également l'intention de l'utiliser avec un panneau solaire pour des projets portables, j'ai donc essayé de le construire aussi petit et rigide que possible. Mon circuit complet une fois soudé sur une carte en pointillé est illustré ci-dessous.

Les deux bâtons de berg femelles peuvent être exploités à l'aide de broches alligator pour charger le condensateur. La LED jaune indique l'alimentation du module et la LED bleue indique l'état de charge. Une fois le processus de charge terminé, la LED s'allumera sinon restera éteinte. Une fois que le circuit est prêt, connectez simplement le condensateur et vous devriez voir la LED bleue s'éteindre et après un certain temps, elle redeviendra élevée pour indiquer que le processus de charge est terminé. Vous pouvez voir la carte en charge et en état de charge ci-dessous.

Le fonctionnement complet peut être trouvé dans la vidéo donnée au bas de cette page, si vous avez un problème pour que cela fonctionne, postez-les dans la section des commentaires ou utilisez nos forums pour d'autres questions techniques.

Améliorations de la conception

La conception de circuit donnée ici est rudimentaire et fonctionne pour son but; quelques améliorations obligatoires que j'ai remarquées après la construction sont discutées ici. Le BC557 chauffe à cause du 12V sur sa base et son émetteur, une diode haute tension doit donc être utilisée à la place du BC557.

Deuxièmement, comme les chargeurs de condensateurs, le comparateur de tension mesure le changement de tension, mais lorsque le MOSFET s'éteint après la charge, l'ampli opérationnel détecte un gain de tension faible et rallume le FET, ce processus est répété plusieurs fois avant que l'ampli opérationnel ne s'éteigne complètement. Un circuit de verrouillage sur la sortie de l'ampli-op résoudra le problème.