Prijenosno računalo Raspberry Pi sa super kondenzatorom: 5 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:31

Ovisno o općem interesu za ovaj projekt, mogu dodati još koraka itd. Ako to pomaže pojednostaviti bilo kakve zbunjujuće komponente.

Uvijek su me zanimale nove tehnologije kondenzatora koje su se pojavljivale godinama i mislio sam da bi bilo zabavno pokušati ih implementirati kao neku vrstu baterije za zabavu. Bilo je mnogo čudnih problema na koje sam naišao radeći na ovome jer nisu osmišljeni s obzirom na ovu aplikaciju, već sam htio podijeliti ono što sam otkrio i testirao.

Ovo više naglašava poteškoće s punjenjem i izvlačenjem snage iz skupine super kondenzatora u mobilnoj aplikaciji (iako koliko je težak, nije baš toliko mobilan …).

Bez sjajnih vodiča u nastavku ovo se ne bi ostvarilo:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Detaljne informacije o superkondenzatorima
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Vodič za izgradnju kruga punjenja i pražnjenja
• Pokušat ću iskopati više onoga što sam koristio ako ih mogu pronaći/zapamtiti.
• Ako imate neke vodiče za koje mislite da su relevantni, javite mi kako bih ih mogao ubaciti ovdje.

Glavni razlozi zbog kojih sam htio ovo isprobati su:

• Punjenje do kraja unutar SECONDS (uključena velika amperaža ograničava ovaj sustav na minute … sigurno).
• Stotine tisuća ciklusa punjenja bez degradacije (više od milijun pod pravim uvjetima).
• Vrlo nišna tehnologija koja bi vjerojatno mogla pronaći svoj put u glavnu industriju baterija.
• Ekološki uvjeti rada. Temperature od +60C do -60C za kondenzatore koji se ovdje koriste.
• Učinkovitost punjenja je> 95% (baterije su u prosjeku <85%)
• Meni su zanimljive?

Sada za uvijek potrebno upozorenje pri radu s električnom energijom … Iako postoji vrlo mala vjerojatnost ozljeda pri radu s niskim naponom od ~ 5V, nevjerojatna količina amperaže koju super kondenzatori mogu emitirati uzrokovat će opekline i trenutno ispeći komponente. Prvi članak spomenuo je pruža izvrsno objašnjenje i sigurne korake. Za razliku od baterija, potpuno skraćivanje stezaljki ne riskira eksploziju (iako može skratiti vijek trajanja super kondenzatora ovisno o mjeraču žice). Pravi problemi mogu nastati pri prenaponu (punjenje iznad označenog maksimalnog napona) gdje će super kondenzatori ispasti, 'iskočiti' i umrijeti u zadimljenom neredu. U ekstremnim slučajevima može doći do toga da brtva iskače prilično glasno.

Kao primjer koliko se energije može osloboditi, bacio sam bakrenu žicu od 16 kalibra preko potpuno napunjene banke na 5V (slučajno, naravno) i bio sam malo zaslijepljen žicom koja je eksplodirala u bijelo -zelenom bljesku dok je gorjela. Za manje od sekunde nestao je komad žice od 5 cm. Stotine pojačala putuju preko te žice u manje od sekunde.

Smjestio sam se na prijenosno računalo kao platformu jer sam imao Raspberry Pi ležeći uokolo, aluminijski kovčeg, tipkovnicu na kiosku i 3D printer za izradu prototipa. Prvotno je ideja bila da se ovo prijenosno računalo izgradi samo kako bi moglo raditi 10-20 minuta uz minimalan napor. Uz sobu koju sam imao dodatno u koferu, bilo je previše primamljivo pokušavati izgurati više iz ovog projekta trpanjem u više super kondenzatora.

Trenutačno je količina korisne snage ispod one jedne Litij -ionske baterije od 3,7 V 2Ah. Snaga samo oko 7Wh. Nije zapanjujuće, ali s vremenom punjenja manjim od 15 minuta iz praznog prostora, barem je zanimljivo.

Nažalost, samo se oko 75% pohranjene snage u kondenzatorima može izvući ovim sustavom … Mogao bi se definitivno implementirati mnogo učinkovitiji sustav za povlačenje snage pri nižim naponima oko 1 V ili manje. Jednostavno nisam želio potrošiti više novca na ovo, jer ispod 2 V u kondenzatorima ostavlja na raspolaganju samo oko 2 Wh snage od ukupno 11Wh.

Koristeći pretvarač male snage 0,7-5V u 5V (~ 75-85% učinkovitost) uspio sam napuniti bateriju mobitela od 11Wh od 3% do 65% pomoću kondenzatorske baterije (iako su telefoni iznimno neučinkoviti pri punjenju, gdje 60-80 % ulazne snage je zapravo pohranjeno).

Za dijelove korištene u ovom projektu vjerojatno postoje bolji dijelovi za korištenje nego što sam ih imao pri ruci. Ali evo ih:

• 6x super kondenzatora (2,5 V, 2300 Farad - iz sustava regenerativnog kočenja automobila. Može se pronaći na Ebayu itd.)
• 1x malina Pi 3
• 1x 5V displej sa napajanjem (koristim AMOLED ekran od 5,5 "sa HDMI kontroler pločom)
• 2x mikrokontrolera ATTiny85 (uključit ću i programiranje)
• 2x 0,7V-5V na konstantnih 5V 500mA DC-DC pretvarača
• 4x 1,9V-5V do konstantnih 5V 1A DC-DC pretvarača
• 1x kofer
• MOSFET -ovi koji podržavaju 3x 6A PWM
• 2x 10A Schottky diode
• 10x aluminijski okvir s T-utorom (sa spojevima itd. Ovisi o tome što želite koristiti za držanje stvari na mjestu)
• kiosk tipkovnica
• 20W 5V solarni panel
• USB do mikro USB kabeli
• HDMI kabel
• Asortiman osnovnih električnih komponenti i ploča za izradu prototipova.
• mnogi 3D ispisani dijelovi (uključit ću.stl datoteke)

Ti se dijelovi lako mogu zamijeniti za prikladnije/učinkovitije dijelove, ali to je ono što sam imao pri ruci. Također, ograničenja dimenzija će se promijeniti ovisno o tome koje su komponente odabrane.

Ako imate povratnih informacija o dizajnu, ne ustručavajte se ostaviti komentar!

Korak 1: Karakteristike snage

Da biste dobili ideju o tome što možete očekivati kada koristite kondenzatore za nešto za što definitivno nisu dizajnirani:

Kad napon kondenzatorske baterije padne prenisko (1,9 V), ATTinys je programiran tako da ne uključuje nikakve komponente sustava. Ovo je samo da bi se osiguralo da komponente ne crpe nikakvu snagu ako ne mogu dosljedno raditi na nižim naponima.

Ovaj sustav radi pomoću DC-DC pretvarača na naponskim razinama od 4,5 V do 1,9 V iz kondenzatorske baterije.

Ulazni napon punjenja može biti od 5V do 5.5V (ne veći od 5A pri 5.5V). Adapteri od 5V 10A ili više oštetit će mosfet i spalit će ga pri pola punjenja.

S karakteristikama punjenja kondenzatora, logaritamska/eksponencijalna brzina punjenja bila bi najbolja, jer je sve teže potisnuti snagu što se više približavate punom punjenju … ali nikad nisam mogao postići da matematička funkcija radi s varijablama s plutajućim tipom na ATTiny iz nekog razloga. Nešto za kasnije da pogledam …

Pri punoj procesorskoj snazi, približno vrijeme rada je 1 sat. Na praznom hodu, 2 sata.

Korištenje primopredajnika LowRa skraćuje život za još ~ 15%. Korištenje vanjskog laserskog miša skraćuje život za još ~ 10%.

Donji napon kondenzatorske baterije = manja učinkovitost pretvarajući se u 5V u komponente napajanja. Oko 75% pri 2V naboju kondenzatora, gdje se puno energije gubi kao toplina u pretvaračima.

Dok je priključen, prijenosno računalo može raditi neograničeno dugo pomoću 5.3V 8A adaptera. Korištenjem 2A adaptera, sustav se mora potpuno napuniti prije uključivanja radi neograničene uporabe. Stopa punjenja ATTiny PWM -a iznosi samo 6,2% ulazne snage kada je kondenzatorska grupa 1,5 V ili manja linearno koja se penje do 100% brzine punjenja pri punom punjenju.

Ovom sustavu je potrebno duže vrijeme za punjenje pomoću adaptera za nižu snagu. Vrijeme punjenja od 2V do 4.5V, a ništa ne izlazi iz kondenzatorske baterije:

• 5.2V 8A adapter traje 10-20 minuta (obično oko 13 minuta).
• 5.1V 2A adapter radi 1-2 sata. Budući da diode padaju napon za oko 0,6 V, neki adapteri na točno 5 V nikada neće potpuno napuniti ovaj sustav. To je u redu jer adapter neće imati negativnih utjecaja.
• Solarni panel od 20 W pri punoj sunčevoj svjetlosti radi 0,5-2 sata. (velika razlika tijekom testiranja).

Postoji inherentni problem korištenja kondenzatora u kojima oni ne drže naboj jako dugo što ste bliže maksimalnom naponu.

Tijekom prva 24 sata, kondenzatorska banka se samoprazni u prosjeku od 4,5V do 4,3V. Zatim će tijekom sljedeća 72 sata polako pasti na prilično konstantnih 4,1 V. ATTinys zajedno s malim samopražnjenjem spustit će napon na 0,05-0,1V dnevno nakon prvih 96 sati (eksponencijalno sporije jer napon pada bliže nuli). Kada na 1,5 V i nižem napon kondenzatorske baterije padne na oko 0,001-0,01 V dnevno, ovisno o temperaturi.

Uzimajući sve ovo u obzir, konzervativna približna vrijednost bila bi pražnjenje do 0,7 V za ~ 100 dana. Ostavio sam ovo sjedenje 30 dana i ostalo mi je tek nešto više od 3,5 V.

Ovaj sustav može neograničeno raditi na izravnoj sunčevoj svjetlosti.

* * * NAPOMENA: * * Kritični napon ovog sustava je 0,7 V gdje DC-DC pretvarači koji napajaju ATTinys neće uspjeti. Srećom, MOSFET kontrola brzine punjenja će se povući za ~ 2% visoko kada je napajanje priključeno na ovaj napon ili niže, što omogućuje sporo punjenje. Još uvijek nisam shvatio ZAŠTO se to događa, ali to je sretan bonus.

Morao sam potpuno napuniti i isprazniti bateriju kondenzatora ~ 15 puta prije nego što su kemijski uravnotežili i zadržali pristojno punjenje. Kad sam ih prvi put spojio, bio sam iznimno frustriran količinom pohranjenog punjenja, ali postaje sve bolje tijekom prvih 15 ciklusa punjenja.

Korak 2: Kontroler napajanja Pi

Da bih uključio i isključio Pi, morao sam implementirati regulator snage s 4 DC-DC pretvarača i MOSFET-om.

Nažalost, Pi troši oko 100 mA čak i kad je isključen, pa sam morao dodati MOSFET da mu potpuno isključim napajanje. Dok je regulator snage u igri, samo ~ 2mA se troši pri punom punjenju (~ 0.5mA pri niskom naboju).

U osnovi kontroler radi sljedeće:

1. Regulira razinu napona ispod 2,5 V u kondenzatorima kako bi se izbjeglo prenaponovanje tijekom punjenja.
2. Četiri DC-DC (1A max svaki, ukupno 4A) izvlači izravno iz kondenzatora od 4.5V do 1.9V za konstantnih 5.1V.
3. Pritiskom na tipku, MOSFET omogućuje protok struje do Pi. Još jedna preša isključuje struju.
4. ATTiny prati razinu napona kondenzatorske baterije. Ako je preniska, MOSFET se ne može uključiti.

Srebrni gumb, kada se pritisne, pokazuje preostalu snagu u bateriji kondenzatora. 10 treperi pri 4.5V i 1 pri 2.2V. Solarni panel može se napuniti do punih 5 V i treperi 12 puta na toj razini.

Napon kondenzatora regulira se regulatorima od 2,5 V zelenog diska koji odstranjuju višak energije. To je važno jer solarna ploča pasivno puni kondenzatore kroz 10A diodu izravno do 5,2 V što bi ih pretjerano napunilo.

DC-DC pretvarači mogu napajati do 1A svaki i imaju promjenjivi izlaz konstantnog napona. Pomoću plavog potenciometra na vrhu, napon se može postaviti na bilo koju razinu koja vam je potrebna. Postavio sam ih na 5,2 V svaki koji pada oko 0,1 V preko MOSFET -a. Jedan će biti najsitniji izlazni napon od ostalih i bit će umjereno vruć, ali drugi će se nositi s skokovima struje iz Pi -ja. Sva 4 pretvarača mogu izdržati skokove snage do 4A pri punom naboju kondenzatora ili 2A pri niskom punjenju.

Pretvarači napajaju ~ 2mA struju mirovanja pri punom punjenju.

U privitku je Arduino skica koju koristim za to s ATTinyjem (Dodano je mnogo bilješki). Gumb je priključen na prekid kako bi izvukao ATTiny iz sna i napajao Pi. Ako je snaga premala, LED dioda za napajanje trepće 3 puta i ATTiny se vraća u stanje mirovanja.

Ako se gumb pritisne drugi put, Pi napajanje se isključuje i ATTiny se vraća u stanje mirovanja do sljedećeg pritiska tipke. Ovo koristi nekoliko stotina nano pojačala u načinu mirovanja. ATTiny radi na 500mA DC DC pretvaraču koji može osigurati konstantnih 5V od promjene napona od 5V-0.7V.

Kućište za napajanje je dizajnirano na TinkerCAD -u (kao i svi ostali 3D ispisi) i tiskano.

Za krug pogledajte grubo nacrtanu shemu.

Korak 3: Sustav punjenja

Kontroler punjenja sastoji se od tri dijela:

1. Krug regulatora koji pokreće ATTiny
2. MOSF -ovi i diode (i ventilator za hlađenje)
3. Za napajanje prijenosnog računala koristim zidni punjač od 5,2 V 8A

Krug regulatora se budi svakih 8 sekundi kako bi provjerio postoji li veza s masom na priključku za punjenje. Ako je kabel za punjenje spojen, ventilator se uključuje i proces punjenja počinje.

Kako se kondenzatorska banka sve više približava punom punjenju, PWM signal koji kontrolira MOSFET se linearno povećava na 100% UKLJUČENO na 4.5V. Kad se dosegne ciljni napon, PWM signal se isključuje (4,5V). Zatim pričekajte dok se ne dosegne definirana donja granica za ponovno punjenje (4,3 V).

Budući da diode padaju napon punjenja sa 5,2 V na ~ 4,6 V, teoretski bih mogao ostaviti punjač da radi 24 sata dnevno bez napona oko 4,6-4,7 V. Vrijeme punjenja do pražnjenja kad je blizu ili blizu punjenja je oko <1 minute punjenja i 5 minuta pražnjenja.

Kad se kabel za punjenje odvoji, ATTiny ponovno prelazi u stanje mirovanja.

MOSFET -ovi su s Ebaya. Mogu se pokretati 5V PWM signalom i mogu podnijeti do 5A svaki. Ovo je na pozitivnoj liniji pomoću tri 10A schottky diode za sprječavanje povratnog toka do zidnog punjača. Dvaput provjerite orijentaciju diode PRIJE spajanja na zidni punjač. Ako je pogrešno orijentiran kako bi dopustio struju iz kondenzatora u zidni punjač, punjač će se jako zagrijati i vjerojatno će se rastopiti kada se priključi na prijenosno računalo.

Ventilator od 5 V pokreće zidni punjač i hladi ostale komponente jer se jako zagrijavaju do pola napunjenosti.

Punjenje pomoću 5,2 V 8A punjača traje samo nekoliko minuta, dok kao 5V 2A punjač traje više od sat vremena.

PWM signal na MOSFET dopušta samo 6% snage pri 1,5V ili manje linearno se penjući na 100% pri punom naboju od 4,5V. To je zato što kondenzatori djeluju kao mrtvi kratki spojevi pri nižim naponima, ali postaju eksponencijalno teže punjeni što se više približavate izjednačavanju.

Solarni panel od 20 W pokreće mali krug USB punjača od 5,6 V 3,5A. To se napaja izravno kroz 10A diodu u kondenzatorsku bateriju. Regulatori od 2,5 V sprječavaju prekomjerno punjenje kondenzatora. Najbolje je ne ostavljati sustav na suncu dulje vrijeme jer se regulatori i krug punjača mogu jako zagrijati.

Pogledajte priloženu Arduino Sketch, još jedan loše nacrtan dijagram kruga i. STL datoteke za 3D ispisane dijelove.

Kako bi objasnio kako je krug spojen, kontroler punjenja ima jednu liniju za ispitivanje ulaznog napona iz punjača i jednu liniju do pwm pinova na MOSFET modulima.

MOSFET moduli su uzemljeni na negativnoj strani kondenzatorske baterije.

Ovaj se krug neće isključiti ako ventilator nije spojen s negativne strane kondenzatora na visoku stranu ulaza punjača. Budući da se visoka strana nalazi iza dioda i MOSF -ova, jako će se malo energije trošiti jer je otpor veći od 40 000. Ventilator spušta visoku stranu dok punjač nije priključen, ali ne uzima dovoljno struje da bi je smanjio dok je punjač priključen.

Korak 4: Koristi se kondenzatorska banka + Dodatni 3D ispisi

Koriste se kondenzatori 6x 2.5V @ 2300F. Oni su raspoređeni u 2 seta u nizu od 3 paralelno. Ovo dolazi u banku od 5V @ 3450F. Ako bi se SVA energija mogla izvući iz kondenzatora, oni bi mogli osigurati ~ 11Wh snage ili bateriju od 3,7V 2,5Ah Li-ion baterije.

Veza do podatkovnog lista:

Jednadžbe koje sam koristio za izračun kapacitivnosti, a zatim i raspoloživih vatnih sati:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal 2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Korištenjem 4,5V do 1,9V raspoloživog potencijala na kondenzatorima 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Ukupno džula ((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekundi = Watt sati 28704 /3600 = 7,97 Wh (teoretska maksimalna raspoloživa snaga)

Ova banka je vrlo velika. visine 5 cm x 36 cm duljine x 16 cm širine. Prilično je težak uključujući aluminijski okvir koji sam koristio … Oko 5 kg ili 11 lbs, ne uključujući kovčeg i sve ostale vanjske uređaje.

Priključio sam stezaljke kondenzatora pomoću priključnica priključaka 50A lemljenih zajedno s bakrenom žicom od 12 kalibra. Time se izbjegava odupiranje uskom grlu na terminalima.

Koristeći aluminijski T-okvir, prijenosno računalo je nevjerojatno čvrsto (iako je i VRLO teško). Pomoću ovog okvira sve se komponente drže na mjestu. Zauzima minimalno prostora unutar prijenosnog računala bez potrebe za bušenjem rupa posvuda u kućištu.

U ovom su projektu korišteni mnogi 3D tiskani komadi:

• Držači kondenzatorske banke puni
• Nosači držača banke kondenzatora
• Donji držači kondenzatora
• Odvajač između pozitivnih i negativnih stezaljki kondenzatora
• Ploča držača za malinu Pi
• Gornji poklopci oko tipkovnice i kondenzatora (samo za estetiku)
• AMOLED držač zaslona i maska
• AMOLED držač za upravljačku ploču
• HDMI i USB žičani vodiči za prikaz kontrolera iz Pi -a
• Pristup gumbima i LED ploči s gornje strane za kontrolu snage
• drugi će se dodati dok ih ispisujem

Korak 5: Zaključak

Kako je ovo bio samo hobi projekt, vjerujem da je dokazano da se superkondenzatori mogu koristiti za napajanje prijenosnog računala, ali vjerojatno ne bi trebali zbog ograničenja veličine. Gustoća snage kondenzatora korištenih u ovom projektu veća je od 20 puta manje od Li-ion baterija. Također, težina je apsurdna.

S obzirom na to, ovo bi moglo imati različite namjene od konvencionalnog prijenosnog računala. Na primjer, ovaj laptop koristim uglavnom iz solarnog punjenja. Može se koristiti u šumi bez previše brige oko punjenja i pražnjenja 'baterije' više puta, više puta dnevno. Malo sam izmijenio sustav od početne izrade tako da uključim utičnicu od 5V 4A na jednoj strani kućišta za napajanje rasvjete i punjenje telefona prilikom provjere senzora u šumi. Težina ipak ubija ramena …

Budući da je ciklus punjenja tako brz, nikada ne morate brinuti da ćete ostati bez energije. Mogu ga priključiti na 20 minuta (ili manje, ovisno o trenutnoj razini) bilo gdje i bilo bi dobro otići na sat intenzivnije uporabe.

Jedan nedostatak ovog dizajna je što prolazniku izgleda vrlo sumnjivo … Ne bih to uzeo u javni prijevoz. Barem ga nemojte koristiti u blizini gomile. Nekoliko prijatelja mi je reklo da sam trebao učiniti da to izgleda malo manje 'prijeteće'.

No, sve u svemu, bilo mi je zabavno graditi ovaj projekt i naučio sam dosta o tome kako primijeniti tehnologiju superkondenzatora na druge projekte u budućnosti. Također, slaganje svega u kovčeg bila je 3D zagonetka koja nije bila pretjerano frustrirajuća, čak i prilično zanimljiv izazov.

Ako imate pitanja, javite mi!