সুপার ক্যাপাসিটর ইউপিএস: 6 টি ধাপ (ছবি সহ)

2024 লেখক: John Day | [email protected]. সর্বশেষ পরিবর্তিত: 2024-01-30 08:00

একটি প্রকল্পের জন্য, আমাকে একটি ব্যাকআপ পাওয়ার সিস্টেমের পরিকল্পনা করতে বলা হয়েছিল যা মাইক্রোকন্ট্রোলারকে বিদ্যুৎ ক্ষতির পরে প্রায় 10 সেকেন্ড চলতে পারে। ধারণা হল যে এই 10 সেকেন্ডের সময় নিয়ামকের যথেষ্ট সময় আছে

• এটি যা করছে তা বন্ধ করুন
• বর্তমান অবস্থা স্মৃতিতে সংরক্ষণ করুন
• পাওয়ার লস মেসেজ পাঠান (IoT)
• নিজেকে স্ট্যান্ডবাই মোডে পরিণত করে এবং বিদ্যুৎ ক্ষতির জন্য অপেক্ষা করে

পুনরায় চালু হওয়ার পরেই স্বাভাবিক অপারেশন শুরু হয়। এই 10 সেকেন্ডের মধ্যে যদি বিদ্যুৎ ফিরে আসে তবে প্রক্রিয়াটি কী হতে পারে তার জন্য এখনও কিছু পরিকল্পনা প্রয়োজন। যাইহোক, আমার কাজ ছিল বিদ্যুৎ সরবরাহের দিকে মনোনিবেশ করা।

সবচেয়ে সহজ সমাধান হতে পারে বহিরাগত ইউপিএস বা এরকম কিছু। স্পষ্টতই, এটি এমন নয় এবং আমাদের অনেক সস্তা এবং ছোট কিছু দরকার ছিল। অবশিষ্ট সমাধানগুলি একটি ব্যাটারি বা একটি সুপার ক্যাপাসিটর ব্যবহার করছে। ঠিক মূল্যায়ন প্রক্রিয়ার সময়, আমি অনুরূপ বিষয় সম্পর্কে একটি চমৎকার ইউটিউব ভিডিও দেখেছি: লিঙ্ক।

কিছু বিবেচনার পরে, সুপার ক্যাপাসিটর সার্কিট আমাদের জন্য সেরা সমাধান হিসাবে শোনাচ্ছে। এটি ব্যাটারির চেয়ে সামান্য ছোট (আমরা খুব ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত উপাদান ব্যবহার করতে চাই, যদিও আমি ব্যক্তিগতভাবে নিশ্চিত নই যে আকারের কারণটি আসলে সত্য কিনা), কম উপাদান প্রয়োজন (অর্থ- এটি সস্তা) এবং সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ- এটি অনেক ভালো শোনাচ্ছে ব্যাটারির চেয়ে (অ-প্রকৌশলীদের সাথে কাজ করার পরিণতি)।

তত্ত্বটি পরীক্ষা করার জন্য এবং সুপার ক্যাপাসিটরের চার্জিং সিস্টেমগুলি যদি প্রয়োজন হয় তা নিয়ন্ত্রণ করতে একটি পরীক্ষা সেটআপ তৈরি করা হয়েছিল।

এটি কিভাবে করতে হয় তা ব্যাখ্যা করার পরিবর্তে কি করা হয়েছে তা এই নির্দেশযোগ্য দেখায়।

ধাপ 1: সিস্টেম বর্ণনা

চিত্রে সিস্টেম আর্কিটেকচার দেখা যায়। প্রথমত, 230VAC 24VDC থেকে 5VDC তে রূপান্তরিত হয় এবং শেষে মাইক্রোকন্ট্রোলার সার্কিট 3.3V এ চলছে। আদর্শ ক্ষেত্রে, কেউ ইতিমধ্যে গ্রিড স্তরে (230VAC) বিদ্যুৎ ব্যর্থতা সনাক্ত করতে পারে। দুর্ভাগ্যবশত, আমরা তা করতে পারছি না। অতএব, আমাদের 24VDC তে বিদ্যুৎ আছে কিনা তা পরীক্ষা করতে হবে। এই মত, কেউ এসি/ডিসি পাওয়ার সাপ্লাই স্টোরেজ ক্যাপাসিটার ব্যবহার করতে পারে না। মাইক্রোকন্ট্রোলার এবং অন্যান্য সমস্ত গুরুত্বপূর্ণ ইলেকট্রনিক্স 3.3V এ রয়েছে। এটা ঠিক করা হয়েছে যে আমাদের ক্ষেত্রে 5V রেল হল সুপার ক্যাপাসিটর যুক্ত করার সেরা জায়গা। যখন ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজ ধীরে ধীরে ক্ষয় হচ্ছে, মাইক্রোকন্ট্রোলার এখনও 3.3V এ কাজ করতে পারে।

প্রয়োজনীয়তা:

• ধ্রুব বর্তমান - আইকনস্ট = 0.5 A (@ 5.0V)
• ন্যূনতম ভোল্টেজ (ন্যূনতম অনুমোদিত ভোল্টেজ @ 5V রেল) - ভেন্ড = 3.0V
• ক্যাপাসিটরের Minাকা ন্যূনতম সময় - T = 10 সেকেন্ড

বেশ কয়েকটি বিশেষ সুপার ক্যাপাসিটরের চার্জিং IC-s পাওয়া যায় যা ক্যাপাসিটরকে খুব দ্রুত চার্জ করতে পারে। আমাদের ক্ষেত্রে, চার্জিং সময় সমালোচনামূলক নয়। সুতরাং, একটি সহজ ডায়োড-প্রতিরোধক সার্কিট যথেষ্ট। এই সার্কিট কিছু অসুবিধা সহ সহজ এবং সস্তা। চার্জিং টাইম ইস্যু ইতিমধ্যেই উল্লেখ করা হয়েছে। যাইহোক, প্রধান অসুবিধা হল যে ক্যাপাসিটর তার পূর্ণ ভোল্টেজ (ডায়োড ভোল্টেজ ড্রপ) চার্জ করা হয় না। তবুও, নিম্ন ভোল্টেজ আমাদের কিছু ইতিবাচক দিকও আনতে পারে।

AVX SCM সিরিজের ডেটশীট (লিঙ্ক) চিত্র থেকে সুপার ক্যাপাসিটরের প্রত্যাশিত আজীবন বক্ররেখায় প্রত্যাশিত জীবনকাল বনাম অপারেটিং তাপমাত্রা এবং প্রয়োগকৃত ভোল্টেজ দেখতে পাবেন। যদি ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজ মান কম থাকে, প্রত্যাশিত জীবনকাল বৃদ্ধি পায়। নিম্ন ভোল্টেজ ক্যাপাসিটর ব্যবহার করা যেতে পারে বলে এটি উপকারী হতে পারে। এটি এখনও স্পষ্ট করা প্রয়োজন।

পরিমাপে দেখানো হবে ক্যাপাসিটরের অপারেটিং ভোল্টেজ প্রায় 4.6V-4.7V-80% Vrated হবে।

ধাপ 2: টেস্ট সার্কিট

কিছু মূল্যায়নের পরে, AVX সুপার ক্যাপাসিটারগুলি পরীক্ষার জন্য বেছে নেওয়া হয়েছে। পরীক্ষিতদের 6V এর জন্য রেট দেওয়া হয়। এটি আসলে যে মূল্যের আমরা ব্যবহার করার পরিকল্পনা করছি তার খুব কাছাকাছি। তবুও, পরীক্ষার উদ্দেশ্যে এটি যথেষ্ট। তিনটি ভিন্ন ক্যাপ্যাসিট্যান্স মান পরীক্ষা করা হয়েছিল: 1F, 2.5F এবং 5F (সমান্তরালে 2x 2.5F)। ক্যাপাসিটরের রেটিং নিম্নরূপ

• ক্যাপাসিট্যান্স নির্ভুলতা - 0% +100%
• রেট ভোল্টেজ - 6V

• প্রস্তুতকারকের অংশ nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• আজীবন - 2000 ঘন্টা @ 65 ° সে

ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজের সাথে আউটপুট ভোল্টেজ মেলাতে ন্যূনতম ফরোয়ার্ড ভোল্টেজ ডায়োড ব্যবহার করা হয়। পরীক্ষায় VdiodeF2 = 0.22V ডায়োডগুলি VdiodeF1 = 0.5V সহ উচ্চ কারেন্ট সহ একসাথে প্রয়োগ করা হয়।

সহজ LM2596 ডিসি-ডিসি কনভার্টার আইসি ব্যবহার করা হয়। এটি খুব শক্তিশালী আইসি এবং নমনীয়তার অনুমতি দেয়। পরীক্ষার জন্য বিভিন্ন লোড পরিকল্পনা করা হয়েছিল: প্রধানত ভিন্ন প্রতিরোধী লোড।

ভোল্টেজ স্থিতিশীলতার জন্য সুপার ক্যাপাসিটরের সমান্তরাল 3.09kΩ রোধক দুটি প্রয়োজন। টেস্ট সার্কিটে সুপার ক্যাপাসিটারগুলো সুইচের মাধ্যমে সংযুক্ত থাকে এবং যদি ক্যাপাসিটরের কেউ সংযুক্ত না হয় তাহলে ভোল্টেজ খুব বেশি হতে পারে। ক্যাপাসিটারগুলিকে সুরক্ষিত করার জন্য 5.1V জেনার ডায়োড তাদের সমান্তরালভাবে স্থাপন করা হয়।

লোডের জন্য, 8.1kΩ প্রতিরোধক এবং LED কিছু লোড প্রদান করছে। এটা লক্ষ্য করা গেছে যে কোন লোড শর্ত ভোল্টেজ চেয়ে চেয়ে বেশি যেতে পারে। ডায়োড কিছু অপ্রত্যাশিত আচরণের কারণ হতে পারে।

ধাপ 3: তাত্ত্বিক গণনা

অনুমান:

• ধ্রুব বর্তমান - আইকনস্ট = 0.5A
• Vout @ শক্তি ব্যর্থতা - Vout = 5.0V
• ডায়োডের আগে ক্যাপাসিটর চার্জিং ভোল্টেজ - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• স্টার্ট ভোল্টেজ (Vcap @ পাওয়ার ব্যর্থতা) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ শক্তি ব্যর্থতা - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• ন্যূনতম Vcap - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• ক্যাপাসিটরের Minাকা ন্যূনতম সময় - T = 10 সেকেন্ড

ক্যাপাসিটরের চার্জ দেওয়ার সময় (তাত্ত্বিক): Tcharging = 5*R*C

R = Rcharge + Rcapacitor সিরিজ + Rsw + Rdiodes + Rconnections

1F ক্যাপাসিটরের জন্য এটি R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 ওহম

যদি C = 1.0F, Tcharging = 135 sec = 2.5 minuntes

যদি C = 2.5F, Tcharging = 337 sec = 5.7 minuntes

যদি C = 5.0F, Tcharging = 675 sec = 11 minuntes

অনুমান থেকে, আমরা অনুমান করতে পারি যে ধ্রুব শক্তি রেটিং প্রায়: W = I * V = 2.5W

একটি ক্যাপাসিটরে, কেউ নির্দিষ্ট পরিমাণ শক্তি সঞ্চয় করতে পারে: W = 0.5 * C * V^2

এই সূত্র থেকে, ক্যাপ্যাসিট্যান্স গণনা করা যেতে পারে:

• আমি t সেকেন্ডের জন্য x ওয়াট আঁকতে চাই, আমার কত ক্যাপাসিট্যান্স দরকার (লিঙ্ক)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• আমি টি সেকেন্ডের জন্য x Amps আঁকতে চাই, আমার কত ক্যাপাসিট্যান্স দরকার? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

যদি আমরা ক্যাপাসিটরের মান 5F হতে পছন্দ করি:

• এই ক্যাপাসিটরের ধ্রুবক কারেন্ট (লিংক) দিয়ে চার্জ/ডিসচার্জ করতে কত সময় লাগবে? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sec
• এই ক্যাপাসিটরের ধ্রুব শক্তি (W) দিয়ে চার্জ/ডিসচার্জ করতে কত সময় লাগবে? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 sec

Rcharge = 25ohm ব্যবহার করলে চার্জিং কারেন্ট হবে

এবং চার্জ সময় আনুমানিক: চার্জিং = 625 সেকেন্ড = 10.5 মিনিট

ধাপ 4: ব্যবহারিক পরিমাপ

বিভিন্ন কনফিগারেশন এবং ক্যাপ্যাসিট্যান্স মান পরীক্ষা করা হয়েছিল। পরীক্ষা সহজ করার জন্য একটি Arduino নিয়ন্ত্রিত পরীক্ষা সেটআপ তৈরি করা হয়েছিল। পূর্ববর্তী পরিসংখ্যানগুলিতে স্কিম্যাটিক্স দেখানো হয়েছে।

তিনটি ভিন্ন ভোল্টেজ পরিমাপ করা হয়েছিল এবং ফলাফলগুলি তত্ত্বের সাথে তুলনামূলকভাবে ভালভাবে খাপ খায়। যেহেতু লোড স্রোত ডায়োড রেটিং থেকে অনেক কম ফরওয়ার্ড ভোল্টেজ ড্রপ কিছুটা কম। তবুও, যেমন দেখা যায় পরিমাপ করা সুপার ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজটি তাত্ত্বিক হিসাবের সাথে হুবহু মিলে যায়।

নিচের চিত্রে, 2.5F ক্যাপাসিটরের সাথে একটি সাধারণ পরিমাপ দেখা যায়। চার্জিং সময় 340sec এর তাত্ত্বিক মানের সাথে ভালভাবে ফিট করে। 100 অতিরিক্ত সেকেন্ডের পরে ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজ মাত্র 0.03V বাড়ছে, যার অর্থ পার্থক্য নগণ্য এবং পরিমাপ ত্রুটির পরিসরে।

Otehr চিত্রে, কেউ দেখতে পারেন যে বিদ্যুৎ ব্যর্থতার পরে আউটপুট ভোল্টেজ Vout VdiodeF2 ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজ Vcap এর চেয়ে ছোট। পার্থক্য হল dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V।

পরিমাপ করা সময়ের সংক্ষিপ্তসার সংযুক্ত টেবিলে দেখা যাবে। যেমন দেখা যায় ফলাফলগুলি তাত্ত্বিক গণনার সাথে ঠিক মেলে না। পরিমাপের সময়গুলি গণনা করা সময়ের চেয়ে বেশিরভাগই ভাল, যার অর্থ হল কিছু ফলিত পরজীবী গণনায় বিবেচিত হয়নি। বিল্ট সার্কিট দেখার সময় কেউ লক্ষ্য করতে পারে যে বেশ কিছু সংজ্ঞায়িত সংযোগ পয়েন্ট নেই। অতিরিক্তভাবে, গণনাগুলি লোডের আচরণকে ভালভাবে বিবেচনা করে না - যখন ভোল্টেজ ড্রপ হয় তখন কারেন্ট নিচে চলে যায়। তবুও, ফলাফল আশাব্যঞ্জক এবং প্রত্যাশিত পরিসরে।

ধাপ 5: কিছু উন্নতির সম্ভাবনা

যদি কেউ সুপার ক্যাপাসিটরের পরে ডায়োডের পরিবর্তে বুস্ট কনভার্টার ব্যবহার করে তাহলে অপারেটিং টাইম উন্নত হতে পারে। আমরা এটি বিবেচনা করেছি, তবুও দাম একটি সাধারণ ডায়োডের চেয়ে বেশি।

একটি ডায়োডের মাধ্যমে সুপার ক্যাপাসিটরের চার্জ করা (আমার ক্ষেত্রে দুটি ডায়োড) মানে ভোল্টেজ ড্রপ এবং এটি একটি বিশেষ ক্যাপাসিটরের চার্জিং আইসি ব্যবহার করা হলে সরানো যেতে পারে। আবার, মূল্য প্রধান উদ্বেগ।

বিকল্পভাবে, একটি পিএনপি সুইচ সহ একটি উচ্চ সাইড সুইচ ব্যবহার করা যেতে পারে। একটি দ্রুত চিন্তা সম্ভাব্য সমাধান নিম্নলিখিত দেখা যেতে পারে। সমস্ত সুইচ 24V ইনপুট থেকে চালিত একটি জেনার ডায়োডের মাধ্যমে নিয়ন্ত্রিত হয়। যদি ইনপুট ভোল্টেজ ডায়োড জেনার ভোল্টেজের নিচে নেমে যায় তাহলে পিএনপি সুইচ চালু হয় এবং অন্যান্য হাই সাইড সুইচ বন্ধ হয়ে যায়। এই সার্কিটটি পরীক্ষিত নয় এবং সম্ভবত কিছু অতিরিক্ত (প্যাসিভ) উপাদান প্রয়োজন।

ধাপ 6: উপসংহার

পরিমাপ গণনার সাথে বেশ মানানসই। দেখানো হচ্ছে যে তাত্ত্বিক গণনা ব্যবহার করা যেতে পারে-বিস্ময়-বিস্ময়। আমাদের বিশেষ ক্ষেত্রে, নির্দিষ্ট সময়কালের জন্য পর্যাপ্ত পরিমাণ শক্তি সরবরাহের জন্য 2.5F ক্যাপাসিটরের একটু বেশি প্রয়োজন।

সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ, ক্যাপাসিটরের চার্জিং সার্কিট প্রত্যাশা অনুযায়ী কাজ করে। সার্কিট সহজ, সস্তা এবং পর্যাপ্ত। কিছু উল্লিখিত অসুবিধা আছে, তবে, কম দাম এবং সরলতা এটি ক্ষতিপূরণ দেয়।

আশা করি এই ছোট্ট সারসংক্ষেপটি কারো জন্য উপকারী হতে পারে।