Extrahieren der meisten Energie aus einem Kondensator

Ich habe einen 5-V-Superkondensator, aus dem ich so effizient wie möglich die meiste Energie extrahieren möchte. Dieser Kondensator ist mit dem Eingang eines Reglers verbunden (was die Frage dieses Beitrags ist), der eine (z. B.) 2,5-V-Ausgangsschiene bei ~ 1 mA regelt. Etwas in diese Richtung.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich habe mir Teile von gängigen Halbleiterfirmen (Linear, TI usw.) angesehen, und es scheint, dass ich mit diesem mysteriösen Regler zwei Wege gehen kann:

  1. Verwenden Sie einen Buck-Boost-Regler (z. B. LTC3530 ).
  2. Erhöhen Sie zuerst die Spannung auf eine Spannung, die etwas über 2,5 V liegt (z. B. LTC3400-1 ), und wandeln Sie die Spannung dann auf 2,5 V herunter (z. B. LTC3406A ). Wenn die Eingangskondensatorspannung größer als 2,5 V ist, wird der Boost-Regler umgangen und nur der Buck ist aktiv. Umgekehrt, wenn die Eingangskappenspannung weniger als 2,5 V beträgt, ist der Boost aktiv, gibt eine Spannung von mehr als 2,5 V (z. B. 3,3 V) aus, und der Buck senkt dann die Spannung auf 2,5 V.

(Hinweis: Die oben ausgewählten Teile dienen nur der Veranschaulichung).

Option 1 würde mir einen effektiven Eingangsspannungsbereich von (5 V-1,8 V) = 3,2 V geben, während Option 2 einen größeren Bereich von (5 V-0,8 V) = 4,2 V ergeben würde. Wenn ich eine Eingangsobergrenze von 1F habe, entsprechen diese Bereiche 10,88 J bzw. 12,18 J nutzbarer Energie.

Es scheint zunächst, dass Option 2 die bevorzugte Methode ist, aber das Hinzufügen von zwei Leistungsstufen (Boost, dann Buck) anstelle der Verwendung einer einzigen kombinierten Stufe (Buck-Boost-Regler) fügt mehr Verluste hinzu, was der Gewinn an nutzbarer Energie von Option ist 2 wird zu einer Wäsche.

Ich habe versucht, die Zahlen anhand der in den Datenblättern bereitgestellten Effizienzdiagramme (für diese Teile und andere Teile anderer Hersteller) zu ermitteln, aber es gibt viele Variablen, die diese Werte beeinflussen, was drastisch ändern kann, welche Option vorteilhafter ist. Es gibt auch andere Faktoren zu berücksichtigen, wie Verluste in der Spule und den Kondensatoren, die ich unklugerweise vernachlässige.

Entzieht Option 1 dem Eingangskondensator mehr Energie als Option 2? Oder wie kann ich Option 2 energieeffizienter machen, sodass Option 1 übertroffen wird?

Beginnen Sie mit dem Effizienzpunkt, der in Ihrem System am häufigsten vorkommt. In Ihrem Beispiel beträgt die Last 200 mA, suchen Sie also im Diagramm Effizienz vs. Laststrom danach. Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad für beide Lösungen und entscheiden Sie entsprechend.
Der LTC3530 liefert keine 200 mA aus einem 2,0-V-Eingang mit einem Wirkungsgrad von über 83 %. Bei 100mA Laststrom ist es etwa 87% effizient. Bei niedrigeren Spannungen als 2 V wird es ziemlich schnell viel schlimmer.
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Antworten (1)

Sie haben sich verrechnet: Im ersten Fall beträgt die nutzbare Energie 10,88 J; Im zweiten Fall - 12.18J. (Die volle Energie des auf 5 V geladenen Kondensators beträgt 12,5 J)

E S T A R T = U 0 2 . C / 2
E e N D = U 1 2 . C / 2
E u S A B l e = E S T A R T − E e N D = ( U 0 2 − U 1 2 ) . C / 2

Der Unterschied ist also nicht so groß. Ein weiteres Beispiel: Wenn Sie nur einen Abwärtsregler verwenden, der den Kondensator auf 2,5 V entlädt, beträgt die Energie 9,375 J.

Daher kann die Effizienz in diesem Fall sehr, sehr wichtig sein. Wenn Sie einen Regler mit 85 % Wirkungsgrad haben, beträgt die Endverstärkung 10,88 J*0,85 = 9,248 J

Aber wenn Sie zwei Stufen von 85% haben, haben Sie 12,18 J * 0,85 * 0,85 = 8,8 J

Also, um fortzufahren: Um einen zweistufigen Regler zu verwenden, muss jede Stufe einen Wirkungsgrad von mehr als 90 % haben.

Selbst die Verwendung eines einstufigen Abwärtsreglers und das Entladen auf 2,5 V kann eine gute Lösung sein, wenn Sie einen Regler mit ausreichend hohem Wirkungsgrad haben.

Hinweis für kleine Leistungen: In der Regel lässt die Effizienz der Regler bei kleinen Leistungen nach. Die Allzweckregler sind normalerweise nicht für extrem niedrige Ausgangsströme optimiert. (Obwohl 1 mA immer noch kein so kleiner Strom ist, kann es immer noch eine Standardlösung geben).

Wenn der benötigte Strom sehr gering ist (z. B. 5 uA), würde ich vorschlagen, einen eigenen Schaltregler zu entwerfen, bei dem der Reglerverbrauch klein genug gemacht werden könnte, um den Wirkungsgrad nicht zu beeinträchtigen. Sehen Sie sich „The Art of Electronics“ an – dort finden Sie ein gutes Beispiel für Micro-Power-Design.

Ja, ich habe kurz vor dem Schlafengehen gemerkt, dass ich falsch gerechnet habe. Das zeigt, dass nächtliches Posten von Fragen und Mathe eine schlechte Idee sind. Ich frage mich immer noch, ob die Mathematik funktioniert, wo die beiden Stufen noch besser sein können, insbesondere bei geringeren Lasten (z. B. 0,1 mA). In diesen Situationen sinkt die Effizienz erheblich.
"Gesamtladung beträgt 12,5 J "? Ich glaube, ich verstehe, was du meinst, aber das ist eine sehr verwirrende Sprache , weil das Joule die Energie misst. Das Coulomb misst die Ladung.
@PhilFrost: Die Energie des voll aufgeladenen Kondensators beträgt 12,5 J
@johnfound ja, ich weiß, aber das sagt deine Antwort nicht aus . Ich schlage vor, dass Sie es so bearbeiten, dass es weniger zweideutig ist.
Lassen Sie mich meine Frage aktualisieren. Vielleicht ist 200 mA ein zu hoher Strom, um die Frage interessant zu halten. So etwas wie <= 1mA vielleicht?
Extrahieren der meisten Energie aus einem Kondensator
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