Como fazer um circuito carregador de supercapacitor

O termo Supercapacitores e seu possível uso em veículos elétricos, smartphones e dispositivos IoT estão sendo considerados extensivamente nos últimos tempos, mas a ideia do supercapacitor remonta a 1957, quando foi experimentado pela primeira vez pela General Electric para aumentar a capacidade de armazenamento de seus capacitores. Ao longo dos anos, a tecnologia do supercapacitor melhorou substancialmente, e hoje está sendo usada como backup de bateria, bancos de energia solar e outras aplicações onde é necessário um curto aumento de energia. Muitos têm o equívoco de considerar os supercapacitores como uma substituição da bateria a longo prazo, mas pelo menos com a tecnologia de hoje, os supercapacitores nada mais são do que capacitores com alta capacidade de carga. Você pode saber mais sobre supercapacitores em nossos artigos anteriores.

Neste artigo, aprenderemos como carregar esses supercapacitores com segurança, projetando um circuito carregador simples e, em seguida, usá-lo para carregar nosso supercapacitor para verificar se ele é bom em reter energia. Semelhante às células de bateria, supercapacitores também podem ser combinados para formar bancos de energia de capacitores, a abordagem para carregar um banco de energia de capacitores é diferente e está fora do escopo deste artigo. Aqui, usaremos o supercapacitor simples e comum de 5,5 V 1F Coin que se parece com uma célula tipo moeda. Aprenderemos como carregar um supercapacitor do tipo moeda e como usá-lo em aplicações adequadas.

Carregando um Super-Capacitor

Comparando vagamente um supercapacitor com uma bateria, os supercapacitores têm baixa densidade de carga e piores características de autodescarga, mas, em termos de tempo de carga, vida útil e ciclo de carga, supercapacitores superam as baterias. Com base na disponibilidade da corrente de carga, os supercapacitores podem ser carregados em menos de um minuto e, se manuseados corretamente, podem durar mais de uma década.

Em comparação com as baterias, os supercapacitores têm um valor de ESR (resistência em série equivalente) muito baixo, o que permite que um valor maior de corrente flua para dentro ou para fora do capacitor, permitindo que ele seja carregado mais rapidamente ou descarregue com alta corrente. Mas por causa dessa capacidade de lidar com altas correntes, um supercapacitor deve ser carregado e descarregado com segurança para evitar o descontrole térmico. Quando se trata de carregar um supercapacitor, existem duas regras de ouro, o capacitor deve ser carregado com a polaridade correta e com uma tensão não superior a 90% de sua capacidade total de tensão.

Os supercapacitores no mercado hoje são normalmente classificados para 2,5 V, 2,7 V ou 5,5 V. Assim como uma célula de lítio, esses capacitores devem ser conectados em série e em combinação paralela para formar baterias de alta tensão. Ao contrário das baterias, um capacitor quando conectado em série soma reciprocamente sua classificação de tensão total, tornando necessário adicionar mais capacitores para formar pacotes de baterias de valor decente. Em nosso caso, temos um capacitor de 5,5 V 1F, então a tensão de carga deve ser 90% de 5,5, que é algo próximo a 4,95 V.

Energia armazenada em um supercapacitor

Ao usar capacitores como elementos de armazenamento de energia para alimentar nossos dispositivos, é importante determinar a energia armazenada em um capacitor para prever por quanto tempo o dispositivo pode ser alimentado. A fórmula para calcular a energia armazenada no capacitor pode ser dada por E = 1 / 2CV ². Portanto, em nosso caso para um capacitor 5,5 V 1F, quando totalmente carregado, a energia armazenada será

E = (1/2) * 1 * 5,5 ² E = 15 Joules

Agora, usando este valor , podemos calcular quanto tempo o capacitor pode alimentar coisas, por exemplo, se precisarmos de 500mA a 5V por 10 segundos. Em seguida, a energia necessária para este dispositivo pode ser calculada usando as fórmulas Energia = Potência x tempo. Aqui a potência é calculada por P = VI, então para 500mA e 5V a potência é 2,5 Watts.

Energia = 2,5 x (10/60 * 60) Energia = 0,00694 Watt-hora ou 25 Joules

Disto podemos concluir que precisaremos de pelo menos dois desses capacitores em paralelo (15 + 15 = 30) para obter uma fonte de alimentação de 30 Joules que será o suficiente para alimentar nosso dispositivo por 10 segundos.

Identificando a polaridade no supercapacitor

Quando se trata de capacitor e baterias, devemos ser muito cautelosos com sua polaridade. Um capacitor com polaridade inversa provavelmente aquecerá e derreterá e às vezes explodirá no pior dos cenários. O capacitor que temos é do tipo moeda, cuja polaridade é indicada com uma pequena seta branca como mostrado abaixo.

Presumo que a direção da seta indica a direção da corrente. Você pode pensar nisso como, a corrente sempre flui do positivo para o negativo e, portanto, a seta começa do lado positivo e aponta para o lado negativo. Depois de saber a polaridade e se estiver curioso para carregá-la, você pode até usar um RPS, definir para 5,5 V (ou 4,95 V por segurança) e, em seguida, conectar o terminal positivo do RPS ao pino positivo e o terminal negativo ao pino negativo você deverá ver o capacitor sendo carregado.

Com base na classificação atual do RPS, você pode notar que o capacitor está sendo carregado em segundos e quando atingir 5,5 V ele irá parar de consumir mais corrente. Este capacitor totalmente carregado agora pode ser usado em uma aplicação adequada antes de se auto-descarregar.

Em vez de usar um RPS neste tutorial , construiremos um carregador que regula 5,5 V de um adaptador de 12 V e o usaremos para carregar o supercapacitor. A tensão do capacitor será monitorada usando um comparador de amplificador operacional e, uma vez que o capacitor for carregado, o circuito desconectará automaticamente o supercapacitor da fonte de tensão. Parece interessante, então vamos começar.

Materiais requisitados

• Adaptador 12V
• LM317 Regulador de Tensão IC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP Transistor
• CONDUZIU
• Resistor
• Capacitor

Diagrama de circuito

O diagrama completo do circuito para este circuito do carregador do supercapacitor é fornecido abaixo. O circuito foi desenhado utilizando o software Proteus a simulação do mesmo será mostrada posteriormente.

O circuito é alimentado por um adaptador de 12 V; em seguida, usamos um LM317 para regular 5,5 V para carregar nosso capacitor. Mas este 5,5 V será fornecido ao capacitor através de um MOSFET atuando como uma chave. Essa chave fechará apenas se a tensão do capacitor for inferior a 4,86 ​​V, pois o capacitor recebe cargas e a tensão aumenta, a chave se abre e evita que a bateria seja carregada mais. Esta comparação de tensão é feita usando um amplificador operacional e também usamos um transistor PNP BC557 para acender um LED quando o processo de carregamento estiver completo. O diagrama do circuito mostrado acima é dividido em segmentos abaixo para explicação.

Regulação da Tensão LM317:

O resistor R1 e R2 é usado para decidir a tensão de saída do Regulador LM317 com base nas fórmulas Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Aqui, usamos um valor de 1k e 3,3k para regular uma tensão de saída de 5,3 V que está perto o suficiente de 5,5 V. Você pode usar nossa calculadora online para calcular a tensão de saída desejada com base no valor do resistor disponível com você.

Comparador Op-Amp:

Usamos o comparador LM311 IC para comparar o valor da tensão do supercapacitor com uma tensão fixa. Esta tensão fixa é fornecida ao pino número 2 usando um circuito divisor de tensão. Os resistores 2.2k e 1.5k baixam uma voltagem de 4,86V de 12V. Este 4,86 ​​volt é comparado com a voltagem ref (voltagem do capacitor) que está conectada ao pino 3. Quando a voltagem ref é menor que 4,86V, o pino de saída 7 irá alto com 12V com o resistor pull-up de 10k. Essa tensão será então usada para acionar o MOSFET.

MOSFET e BC557:

O IRFZ44N MOSFET é usado para conectar o supercapacitor à tensão de carga com base no sinal do amplificador operacional. Quando o amplificador operacional fica alto, ele produz 12 V no pino 7, que liga o MOSFET por meio de seu pino de base, da mesma forma que quando o amplificador operacional fica baixo (0 V), o MOSFET é aberto. Também temos um transistor PNP BC557 que acenderá o LED quando o MOSFET estiver desligado, indicando que a tensão do capacitor é superior a 4,8V.

Simulação do circuito do carregador do supercapacitor

Para simular o circuito, substituí a bateria por um resistor variável para fornecer uma tensão variável ao pino 3 do amplificador operacional. O Supercapacitor é substituído por um LED para mostrar se está alimentado ou não. O resultado da simulação pode ser encontrado abaixo.

Como você pode ver usando as pontas de prova de tensão, quando a tensão no pino inversor é baixa do que no pino não inversor, o amplificador operacional aumenta com 12V no pino 7, que liga o MOSFET e carrega o capacitor (LED amarelo). Este 12V também aciona o transistor BC557 para desligar o LED verde. Conforme a tensão do capacitor (potenciômetro) aumenta, o LED verde se acende, pois o amplificador operacional terá saída de 0 V conforme mostrado acima.

Carregador Supercapacitor no Hardware

O circuito é bastante simples e pode ser construído em uma placa de ensaio, mas decidi usar uma placa Perf para que eu possa reutilizar o circuito no futuro em cada tentativa de carregar meu supercapacitor. Também pretendo usá-lo junto com o painel solar para projetos portáteis, por isso tentei construí-lo o mais pequeno e rígido possível. Meu circuito completo uma vez soldado em uma placa pontilhada é mostrado abaixo.

Os dois bastões de berg fêmeas podem ser batidos usando pinos de crocodilo para carregar o capacitor. O LED amarelo indica a alimentação do módulo e o LED azul indica o status de carregamento. Assim que o processo de carregamento estiver concluído, o LED acenderá, caso contrário, permanecerá desligado. Assim que o circuito estiver pronto, basta conectar o capacitor e você deverá ver o LED azul apagar e depois de algum tempo ele ficará alto novamente para indicar que o processo de carga está completo. Você pode ver a placa em carregamento e carregada abaixo.

O trabalho completo pode ser encontrado no vídeo fornecido no final desta página, se você tiver qualquer problema em fazer isso funcionar, poste-os na seção de comentários ou use nossos fóruns para outras questões técnicas.

Melhorias de design

O projeto do circuito fornecido aqui é bruto e funciona para seu propósito; algumas melhorias obrigatórias que notei após a construção são discutidas aqui. O BC557 esquenta por causa dos 12 V em sua base e no emissor, portanto, um diodo de alta tensão deve ser usado no lugar do BC557.

Em segundo lugar, quando o capacitor carrega, o comparador de tensão mede a mudança na tensão, mas quando o MOSFET é desligado após a carga, o amplificador operacional detecta o ganho de baixa tensão e liga o FET novamente, este processo é repetido algumas vezes antes que o amplificador operacional desligue completamente. Um circuito de travamento na saída do amplificador operacional resolverá o problema.