Laden von Superkondensatoren mit Abwärtswandler. Muss ich den Strom abschalten, sobald die Ladung erreicht ist?

Das Laden von Kondensatoren ist nicht sehr kompliziert. Die Kondensatoren laden sich auf und halten die Spannung Ihrer Quelle. Es ist wirklich nicht erforderlich, die Quelle auszuschalten, sobald die Kondensatoren vollständig aufgeladen sind. Sobald die Kondensatoren der Spannung der Quelle entsprechen, fließt kein Strom mehr und das System ist stabil*.

Wenn Sie eine Art Cutoff haben möchten, gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, dies zu tun. Ein einfacher mechanischer Schalter ist wahrscheinlich die beste Option. Auf diese Weise sind die Kondensatoren physisch von der Stromquelle isoliert. Der Schalter könnte etwas sein, das Sie mit Ihrem Finger betätigen, oder an einem Relais, das basierend auf Logik elektronisch geschaltet werden kann.

Hier sind ein paar Hinweise, die mir in den Sinn kommen:

1. Ich würde nicht empfehlen, 2,7-V-Kondensatoren auf 2,7 V aufzuladen. Wie bei jedem anderen System kann es seine Lebensdauer verkürzen, wenn Sie es mit seiner Nennkapazität betreiben. Wenn die Spannungsquelle aus irgendeinem Grund etwas hoch schwankt, kann dies außerdem dazu führen, dass die Kappen auf spektakuläre Weise explodieren. Gönnen Sie sich einen kleinen Spielraum, um auf Nummer sicher zu gehen.

2. Eine große Gruppe ungeladener Kondensatoren sieht aus, als wäre sie kurzgeschlossen, sobald Sie sie an das Ladegerät anschließen. Wenn Sie nicht mit schwerem Gerät arbeiten, wird der von Ihnen verwendete Abwärtswandler den anfänglichen Stromanstieg wahrscheinlich nicht mögen. Ein einfacher Widerstand zwischen der Spannungsquelle und der Kondensatorbank begrenzt den Strom, ermöglicht aber dennoch, dass die Kondensatoren vollständig aufgeladen werden. Es wird nur etwas länger dauern. Wählen Sie einfach den gewünschten maximalen Strom und wenden Sie das Ohmsche Gesetz an, um den Widerstand zu berechnen. Vergessen Sie nicht, die Verlustleistung zu berücksichtigen!

3. Ich brauche hoffentlich nicht zu erwähnen, dass große Kondensatorbänke beim Umgang sehr gefährlich werden können. Viel gespeicherte Energie und ein sehr niedriger ESR sind ein Rezept für einen aufregenden Tag, wenn Sie nicht aufpassen.

*In Wirklichkeit gibt es einen kleinen Leckstrom, sodass das System niemals wirklich einen Nullstrom erreicht.

Bei in Reihe geschalteten Supercaps (genau wie bei normalen Kondensatoren) lädt sich einer statistisch gesehen auf eine höhere Spannung auf als der andere, da es unwahrscheinlich ist, dass ihre Kapazitäten genau gleich sind. Ich würde wahrscheinlich in Betracht ziehen, sie alle parallel aufzuladen und dann eine Schaltung zu haben, die sie in Reihe verdrahtet.

Bedenken Sie, dass ein Kondensator 1,1 Farad hat, während der andere 0,9 Farad hat. Wenn Sie 5,2 Volt über das Reihenpaar anlegen, wird der 0,9-Farad-Kondensator auf 2,86 Volt aufgeladen, während das 1,1-Farad-Gerät auf nur 2,34 Volt aufgeladen wird.

Sie bauen also entweder eine Schaltung, die parallel lädt, oder Sie reduzieren Ihre 5,2 Volt auf vielleicht 4,8 Volt, um Toleranzunterschiede in den Werten zwischen Supercaps auszugleichen.

Eine Option wäre die Verwendung einer 5-V-Schottky-Diode (und möglicherweise eines Spannungsteilers, wenn Sie über 5 V laden möchten), die ein Relais oder ähnliches öffnet und so den Stromkreis physisch öffnet, sobald die 5 V erreicht sind

Sie möchten auch die Spannungen an den beiden Kappen ausgleichen, abgesehen davon, dass sie sehr ähnliche Kapazitäten haben, könnten Sie einen anderen Spannungsteiler verwenden, der einen kleinen Strom durchlässt, so dass jeder Kondensator eine gleiche Spannung erhält, und dann verwenden das Relais aus dem vorherigen Teil, um diesen Spannungsteiler zu trennen, sobald die Kondensatoren geladen sind.

Ein einfacher Spannungsregler mit Fold-Back-Strombegrenzung passt sehr gut zum Laden eines Superkondensators. Die Spannung für den Regler sollte auf die maximale Spannung eingestellt werden, mit der Sie den Kondensator aufladen möchten, die etwas niedriger sein sollte als die Nennleistung für den Kondensator. Der maximale Strom muss für Ihre Stromquelle angemessen und niedrig genug sein, um den Kondensator nicht zu überhitzen. Sie können den maximalen Welligkeitsstrom des Kondensators von 20 % als guten maximalen Stromwert verwenden. Kleinere Superkondensatoren geben möglicherweise keinen maximalen Welligkeitsstrom an, aber Sie können sie normalerweise mit einer Rate von 1 Ampere aufladen, was sehr konservativ ist. Größere Kondensatoren können 3-4 Ampere verarbeiten.

Die Laderate bestimmt, wie lange es dauert, den Kondensator aufzuladen. Wenn Sie also schnell aufgeladen werden müssen, benötigen Sie eine hohe Laderate. Wenn es Ihnen egal ist, wie schnell es ist, können Sie es mit einer niedrigeren Rate aufladen, was die Lebensdauer des gesamten Systems verlängert. Im Gegensatz zu einer Batterie laden Kondensatoren in einer linearen Kurve auf, was Ihnen die Möglichkeit gibt, einen einfachen Trick anzuwenden, um mit dem Laden mit einer höheren Rate zu beginnen und am Ende langsamer zu laden, wenn die Spannung ansteigt. Fügen Sie einfach einen Widerstand mit kleinem Wert irgendwo mit einer Rate von 2 - 10 Ohm in Reihe mit dem Ladekreis ein. Dies ist niedrig genug, um eine hohe Laderate zu ermöglichen, wenn der Kondensator entladen wird, verlangsamt aber die Rate, wenn die Spannung im Kondensator ansteigt. Auf diese Weise können Sie schnell starten, aber die Temperatur des Kondensators im Laufe der Zeit niedrig halten.

Kondensatoren können kontinuierlich aufgeladen bleiben, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen. Was Kondensatoren tötet, ist Wärme und interner Leckstrom der Kondensatoren. Die Leckage beträgt typischerweise nur wenige Milliampere, sodass die Wärme leicht abgeleitet werden kann. Wenn jedoch andere Komponenten im System Wärme erzeugen und diese Wärme auf den Kondensator übertragen wird, wirkt sich dies auf die Lebensdauer des Kondensators aus. Aus diesem Grund würde ich vorschlagen, einen Schaltregler zum Laden des Kondensators zu verwenden, es sei denn, Sie wählen eine niedrige Stromladerate (< 300 mA).

Wie ich oben erwähnt habe, sollte Ihr Spannungsregler über eine Foldback-Strombegrenzung verfügen, was bedeutet, dass er immer noch versucht, die Last mit Strom zu versorgen, selbst wenn der maximale Strompegel erreicht ist. Die Spannung fällt ab, aber der Regler liefert Strom bis zu seiner maximalen Stromgrenze. Manche Regler schalten bei Überlastung komplett ab und versorgen die Last somit überhaupt nicht mit Strom. Normalerweise schalten sie sich nach einiger Zeit wieder ein, lösen aber einfach wieder aus. Oft ist die Begrenzung nur darauf zurückzuführen, dass der Regler sein Bestes gibt, bis er zu heiß wird, und sich dann selbst abschaltet.

Die meisten Schaltregler eignen sich hervorragend für diesen Zweck, wenn sie eine Zyklus-zu-Zyklus-Strombegrenzung verwenden. Das heißt, sie schalten sich ein und beginnen mit der Stromversorgung der Last, und wenn die Stromgrenze erreicht wird, bevor der Spannungspegel erreicht wird, schaltet sie früher ab. Das bedeutet, dass der Kondensator eine durchschnittliche Spannung sieht, die gerade ausreicht, um den Kondensator mit der gewünschten maximalen Rate aufzuladen. Dies bedeutet auch, dass sich das Netzteil nicht mehr als normal erwärmt, obwohl der Kondensator das Netzteil überlastet.

Legen Sie niemals eine höhere Spannung an den Kondensator an, als für die vorgesehen ist. Nicht alle Teile des Kondensators haben identische Eigenschaften wie Leckage, Serienwiderstand und Dielektrizitätskonstante. Das bedeutet, dass, während der Kondensator nicht vollständig geladen ist, ein Teil des Kondensators die maximale Spannung haben kann, während andere Teile dies nicht sind. Wenn die Ladespannung höher als die Nennspannung ist, sehen die vollständig geladenen Teile die volle Spannung, da sie keinen Teil der Spannung durch den Innenwiderstand abfallen lassen. Dies kann zu einem Spannungsdurchbruch führen, der den Kondensator beschädigt.

Beim Stapeln von Superkondensatoren müssen Sie sie ausgleichen, da die Durchbruchspannung so niedrig ist, dass sie nicht viel Toleranz zulassen. Bei niedrigen Ladeströmen kann eine einfache Zenerdiode verwendet werden. Bei höheren Ladeströmen reicht die Verwendung eines Zeners und eines Transistors als Shunt-Regler aus. Eine weitere Überlegung ist, wenn der Kondensator zur Stromversorgung verwendet wird, fällt die Spannung linear ab. Wenn Sie also versuchen, 5 V oder 3,3 V vom Kondensator zu erhalten, ist die Laufzeit auf weniger als die Hälfte der Energie im Kondensator begrenzt weil die Spannung zu niedrig wird. Wenn Sie einen Boost- oder einen Buck-Boost-Schaltregler verwenden, um die Last vom Kondensator mit Strom zu versorgen, können Sie dem Kondensator Strom bis zur minimalen Spannung entnehmen, die der Boost-Regler verwalten kann. Dadurch kann die Laufzeit leicht um das Doppelte verlängert werden.