Extraer la mayor cantidad de energía de un condensador

Tengo un supercondensador de 5V del que estoy tratando de extraer la mayor cantidad de energía de la manera más eficiente posible. Este capacitor está vinculado a la entrada de algún regulador (que es la pregunta de esta publicación) que regula un (digamos) riel de salida de 2.5V @ ~ 1mA. Algo por el estilo.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

He investigado partes de compañías de semiconductores comunes (Linear, TI, etc.) y parece que puedo seguir dos caminos con este regulador misterioso:

  1. Utilice un regulador buck-boost (como LTC3530 ).
  2. Primero aumente el voltaje a un voltaje ligeramente superior a 2,5 V (como LTC3400-1 ) y luego reduzca el voltaje a 2,5 V (por ejemplo, LTC3406A ). Cuando el voltaje del condensador de entrada es superior a 2,5 V, el regulador de impulso se omite y solo el reductor está activo. Por el contrario, cuando el voltaje del límite de entrada es inferior a 2,5 V, el impulso está activo, genera un voltaje superior a 2,5 V (por ejemplo, 3,3 V) y el reductor reduce el voltaje a 2,5 V.

(Nota: las partes seleccionadas arriba son solo para fines ilustrativos).

La opción 1 me daría un rango de voltaje de entrada efectivo de (5 V-1,8 V) = 3,2 V, mientras que la opción 2 me daría un rango más amplio de (5 V-0,8 V) = 4,2 V. Si tengo un límite de entrada de 1F, estos rangos corresponden a 10.88J y 12.18J de energía utilizable respectivamente.

Inicialmente, parecería que la Opción 2 es el método preferido, pero agregar dos etapas de potencia (boost, luego reductor) en lugar de usar una sola etapa combinada (regulador reductor-elevador) agrega más pérdidas, que es donde la ganancia en energía utilizable de la Opción 2 se convierte en un lavado.

He intentado calcular los números utilizando los diagramas de eficiencia proporcionados en las hojas de datos (para dichas piezas y otras piezas de otros fabricantes), pero hay muchas variables que afectan estos valores, lo que puede cambiar drásticamente qué opción es más beneficiosa. También hay otros factores a considerar, como las pérdidas en el inductor y los condensadores, que estoy descuidando imprudentemente.

¿La Opción 1 extrae más energía del capacitor de entrada que la Opción 2? O, ¿cómo puedo hacer que la Opción 2 sea más eficiente energéticamente de manera que supere a la Opción 1?

Comience con el punto de eficiencia que es el más común en su sistema. en su ejemplo, la carga es de 200 mA, así que búsquela en el gráfico de eficiencia frente a corriente de carga. Calcule la eficiencia total para ambas soluciones y decida en consecuencia.
El LTC3530 no proporcionará 200 mA desde una entrada de 2,0 V con una eficiencia superior al 83 %. Con una corriente de carga de 100 mA, tiene una eficiencia del 87 %. A voltajes más bajos que 2v, empeorará mucho con bastante rapidez.
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Respuestas (1)

Tienes cálculos equivocados: En el primer caso, la energía útil es 10.88J; En el segundo caso - 12.18J. (La energía total del capacitor cargado a 5V es 12.5J)

mi s t a r t = tu 0 2 . C / 2
mi mi norte d = tu 1 2 . C / 2
mi tu s a b yo mi = mi s t a r t − mi mi norte d = ( tu 0 2 − tu 1 2 ) . C / 2

Entonces, la diferencia no es tan grande. Un ejemplo más, si usa solo un regulador reductor que descarga el capacitor a 2.5V, la energía será 9.375J.

Entonces, la eficiencia puede ser muy, muy importante en este caso. Si tiene un regulador con una eficiencia del 85 %, la ganancia final es 10,88 J*0,85 = 9,248 J

Pero si tiene dos etapas en un 85%, tendrá 12.18J*0.85*0.85 = 8.8J

Entonces, para resumir: para usar un regulador de dos etapas, necesita que cada etapa tenga una eficiencia superior al 90%.

Incluso usar un regulador reductor de una etapa y descargar a 2,5 V puede ser una buena solución si tiene un regulador con una eficiencia lo suficientemente alta.

Aviso para potencias bajas: Como regla general, la eficiencia de los reguladores se degrada en potencias bajas. Los reguladores de propósito general generalmente no están optimizados para corrientes de salida extremadamente bajas. (Aunque 1mA todavía no es una corriente tan pequeña, todavía puede existir una solución estándar).

Si la corriente necesaria es muy pequeña (por ejemplo, 5uA), sugeriría diseñar su propio regulador de conmutación, donde el consumo del regulador podría ser lo suficientemente pequeño para no afectar la eficiencia. Consulte "El arte de la electrónica": hay un buen ejemplo de diseño de micropotencia.

Sí, justo antes de acostarme me di cuenta de que hice mal el cálculo. Esto demuestra que la publicación de preguntas a altas horas de la noche y las matemáticas son una mala idea. Todavía me pregunto si las matemáticas funcionan donde las dos etapas aún pueden ser mejores, especialmente con cargas más ligeras (por ejemplo, 0,1 mA). En esas situaciones, las eficiencias bajan.
" la carga total es de 12,5 J "? Creo que entiendo lo que quieres decir, pero este es un lenguaje muy confuso porque el joule mide energía. El culombio mide la carga.
@PhilFrost: la energía del capacitor completamente cargado es 12.5J
@johnfound sí, lo sé, pero eso no es lo que dice tu respuesta . Le sugiero que lo edite para que sea menos ambiguo.
Déjame actualizar mi pregunta. Tal vez 200 mA es una corriente demasiado alta para mantener la pregunta interesante. ¿Algo como <= 1mA quizás?
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