Supercondensadores de carga con convertidor Buck. ¿Necesito cortar la energía una vez que se alcanza la carga?

Cargar condensadores no es muy complicado. Los capacitores se cargarán y mantendrán el voltaje de su fuente. Realmente no es necesario apagar la fuente una vez que los condensadores están completamente cargados. Una vez que los capacitores coincidan con el voltaje de la fuente, no fluirá más corriente y el sistema será estable*.

Si desea tener algún tipo de corte, hay varias formas de hacerlo. Un simple interruptor mecánico es probablemente la mejor opción. De esa manera, los condensadores están físicamente aislados de la fuente de alimentación. El interruptor podría ser algo que manipule con el dedo o en un relé que se pueda cambiar electrónicamente según la lógica.

Aquí hay algunos consejos que vienen a la mente:

1. No recomendaría cargar condensadores de 2,7 V hasta 2,7 V. Como cualquier otro sistema, si lo hace funcionar a su máxima capacidad nominal, puede acortar su vida útil. Además, si la fuente de voltaje fluctúa un poco por alguna razón, podría hacer que las tapas exploten de manera espectacular. Date un pequeño margen para ir a lo seguro.

2. Un gran banco de capacitores descargados se verá como un corto a tierra en el instante en que los conecte al cargador. A menos que esté trabajando con equipos pesados, es probable que al convertidor reductor que esté utilizando no le guste el aumento inicial de corriente. Una simple resistencia entre la fuente de voltaje y el banco de condensadores limitará la corriente, pero aun así permitirá que los condensadores se carguen por completo. Solo tomará un poco más de tiempo. Simplemente elija la corriente máxima que desee y aplique la Ley de Ohm para calcular la resistencia. ¡No olvide tener en cuenta la disipación de energía!

3. Espero que no necesite mencionar que los grandes bancos de condensadores pueden volverse muy peligrosos cuando se manipulan. Mucha energía almacenada y una ESR muy baja es una receta para un día emocionante si no tienes cuidado.

*En realidad, habrá una pequeña cantidad de corriente de fuga, por lo que el sistema nunca alcanzará realmente la corriente cero.

Con supercaps en serie (al igual que los capacitores normales), uno se cargará a un voltaje más alto que el otro estadísticamente porque es poco probable que sus capacitancias sean exactamente iguales. Probablemente consideraría cargarlos todos en paralelo y luego tener un circuito que los conecte en serie.

Considere que un condensador es de 1,1 faradios mientras que el otro es de 0,9 faradios. Si aplica 5,2 voltios a través del par en serie, el capacitor de 0,9 faradios cargará hasta 2,86 voltios, mientras que el dispositivo de 1,1 faradios cargará solo 2,34 voltios.

Entonces, construye un circuito que se carga en paralelo o reduce sus 5.2 voltios a quizás 4.8 voltios para acomodar las diferencias de tolerancia en los valores entre los supercapacitores.

Una opción sería usar un diodo schottky de 5V (y posiblemente un divisor de voltaje si desea cargar por encima de 5v) que abre un relé o similar, abriendo así físicamente el circuito una vez que se alcanzan los 5v.

también querría equilibrar los voltajes en las dos tapas, además de medirlos para que tengan capacidades muy similares, podría usar otro divisor de voltaje que permita que pase una pequeña corriente de modo que cada capacitor tenga el mismo voltaje, y luego use el relé del apartado anterior para desconectar este divisor de tensión una vez cargados los condensadores.

Un regulador de voltaje simple con un limitador de corriente plegable se ajusta muy bien al proyecto de ley para cargar un supercondensador. El voltaje del regulador debe configurarse para el voltaje máximo que desea cargar el capacitor, que debe ser un poco más bajo que la clasificación del capacitor. La corriente máxima debe ser razonable para su fuente de alimentación y lo suficientemente baja como para no sobrecalentar el capacitor. Puede usar la corriente de ondulación máxima del condensador: 20% como un buen valor de corriente máxima. Es posible que los supercondensadores más pequeños no especifiquen una corriente de ondulación máxima, pero normalmente puede cargarlos a una tasa de 1 amperio siendo muy conservador. Los condensadores más grandes pueden manejar 3-4 amperios.

La tasa de carga determinará cuánto tiempo lleva cargar el capacitor. Entonces, si necesita que se cargue rápidamente, necesitará una tasa de carga alta. Si no le importa qué tan rápido es, puede cargarlo a un ritmo más bajo, lo que extenderá la vida útil de todo el sistema. A diferencia de una batería, los capacitores se cargan en una curva lineal, lo que le brinda la posibilidad de usar un truco simple para comenzar a cargar a una velocidad más alta y terminar cargando más lentamente a medida que aumenta el voltaje. Simplemente inserte una resistencia de valor pequeño en algún lugar con una tasa de 2 a 10 ohmios en serie con el circuito de carga. Esto es lo suficientemente bajo como para permitir una tasa de carga alta cuando el capacitor está descargado, pero disminuirá la tasa a medida que aumenta el voltaje en el capacitor. Esto le permite comenzar rápido pero mantener baja la temperatura del condensador con el tiempo.

Los condensadores pueden mantenerse cargados continuamente sin afectar negativamente la vida. Lo que mata a los condensadores es el calor y la corriente de fuga de los condensadores internamente. La fuga suele ser de unos pocos miliamperios, por lo que el calor se disipa fácilmente. Sin embargo, si otros componentes del sistema están generando calor y ese calor se transfiere al capacitor, afectará la vida útil del capacitor. Por esta razón, sugeriría usar un regulador de interruptor para cargar el capacitor a menos que elija una tasa de carga de corriente baja (< 300 ma).

Como mencioné anteriormente, su regulador de voltaje debe tener una limitación de corriente de respaldo, lo que significa que aún intentará suministrar energía a la carga incluso cuando se alcance el nivel máximo de corriente. El voltaje caerá pero el regulador suministrará energía a su límite máximo de corriente. Algunos reguladores se apagan por completo cuando se sobrecargan y, por lo tanto, no suministran energía a la carga. Por lo general, se vuelven a encender después de un período de tiempo, pero volverán a dispararse. Muchas veces, la limitación es solo el resultado de que el regulador hace todo lo posible hasta que se calienta demasiado y luego se apaga.

La mayoría de los reguladores de conmutación funcionan muy bien para este propósito cuando usan la limitación de corriente de ciclo a ciclo. Lo que esto significa es que se encienden y comienzan a suministrar energía a la carga y si se alcanza el límite de corriente antes de alcanzar el nivel de voltaje, se apaga antes. Esto significa que el capacitor verá un voltaje promedio de lo suficiente para cargar el capacitor a la tasa máxima deseada. Esto también significa que la fuente de alimentación no se está calentando más de lo normal aunque el condensador la esté sobrecargando.

Nunca aplique un voltaje más alto al capacitor del que está clasificado. No todas las partes del capacitor tendrán características idénticas como fugas, resistencia en serie y constante dieléctrica. Esto significa que, si bien el capacitor no está completamente cargado, una parte del capacitor puede estar en el voltaje máximo mientras que otras partes no lo están. Si el voltaje de carga es más alto que el voltaje nominal, las partes que están completamente cargadas verán el voltaje completo porque no están cayendo parte del voltaje a través de la resistencia interna. Esto puede causar una ruptura de voltaje que dañe el capacitor.

Al apilar supercondensadores, debe equilibrarlos porque el voltaje de ruptura es tan bajo que no permiten mucha tolerancia. Con corrientes de carga bajas, se puede usar un diodo zener simple. En corrientes de carga más altas, usar un zener y un transistor como regulador de derivación hará el trabajo. Otra consideración es que cuando el capacitor se usa para suministrar energía, el voltaje caerá de forma lineal, por lo que si está tratando de obtener 5 V o 3,3 V del capacitor, el tiempo de ejecución será limitado, es menos de la mitad de la energía en el capacitor. porque el voltaje caerá demasiado bajo. El uso de un regulador de conmutación Boost o buck-boost para suministrar energía a la carga desde el capacitor le permitirá extraer energía del capacitor al voltaje mínimo que el regulador boost puede manejar. Esto puede extender fácilmente el tiempo de ejecución al doble.