یادگیری استفاده از ابر خازن ها ؛ سوپر خازن ها برای ذخیره انرژی الکتریکی
سه شنبه, ۲۰ اسفند ۱۳۹۸، ۰۲:۵۳ ب.ظ
یادگیری استفاده از ابر خازن ها ؛ سوپر خازن ها برای ذخیره انرژی الکتریکی
سید علی طلاکش
امروزه از ابر خازن ها ،با توجه به کاربردهای فراوان و قیمت مناسب شان،در قسمت های متنوعی استفاده می شود. انواع گوناگون این ابرخازن ها که هریک خصوصیات و قابلیت های مخصوص به خود را دارند، تولید کنندگان تجهیزات الکترونیک و حتی تازه کاران را به سمت استفاده از آن سوق می دهد. در این مقاله با این ابرخازن ها و کاربردهای آن ها در بردها و مدارهای الکترونیکی و همچنین پروژه های مختلف آشنا خواهید شد.
در مدار بالا مقاومت ۱۰ اهمی R1 برای مقابله با جریان هجومی در هنگام شارژ است (ابرخازن تخلیه شده از دید منبع تغدیه،اتصال کوتاه است) و دیود شاتکی (D1 در مدار بالا) برای حفاظت مدار در برابر جریان معکوس به کار می رود.بدیهی است که دیود D1 سبب به وجود آمدن افت ولتاژ کمی خواهد شد.بنابراین بهتر است که در بعضی مدارها به صورت کاربرد بایپس مورد استفاده قرار گیرد.(جامپر SJ1 در مدار را ببینید).راه اندازی سخت افزار اصلی به وسیله مبغ تغذیه بردبورد که روی مقدار ۵V/500ma تنظیم شده،صورت گرفته است.در این حالت بین ۳۰ تا ۶۰ ثانیه طول می کشد که خازن C1 شارژ شده و به ولتاژ۴٫۷ ولت برسد.پس از آن،با قرار دادن LED آبی رنگ ۵ میلیمتری با کیفیت بالا (که یک مقاومت ۱٫۲ کیلواهم با آن سری شده) در کنار خازن C1،می توان نور آبی رنگ قوی ای در LED به مدت حدود سه دقیقه مشاهده کرد.(و همچنین یک درخشش ضعیف چند دقیقه پس از آن)
در اینجا مواردی همچون تخلیه شدن خود به خود ابر خازن، افزودن بارهای مختلف و... می توانند اثرات ناخوشایندی بر عملکرد سخت افزار اولیه داشته باشند. به منظور حل این مشکلات می توان از چیپ های شارژ اختصاصی و قدرتمند همانند LTC3127 و یا BQ24640 استفاده کرد. منبع
ابرخازن ها یا سوپر خازن ها
برای ساخت ابرخازن ها (که به نام ultra capacitor نیز شناخته می شوند) از مواد الکترود سطح بالا و دی الکتریک های الکترولیت نازک استفاده می شود. در واقع ابرخازن ها،یک خازن دو لایه هستندکه این دو لایه فلزی از مواد مختلفی (از جمله کربن فعال) تشکیل شده که این مواد متخلخل باعث پدید آوردن مساحت بیشتر برای ذخیره انرژی می شود. این دو صفحه در یک ژل یا مایع الکترولیت که دارای یون های مثبت و منفی می باشند غوطه ور هستند که در صورت اعمال یک ولتاژ به دو الکترود خازن این یون ها از هم جدا می شوند. ابر خازن ها نسبت به خازن های معمولی ظرفیت بسیار بالاتری دارند و ظرفیتشان معمولا بالاتر از ۱۰ میلی فاراد و در رنج فاراد است. از ابر خازن هایی که در در رنج فاراد هستند برای ذخیره انرژی تحت چرخه های مکرر شارژ و دشارژ در جریان های بالا و زمان کوتاه استفاده می شود. از آنجایی که ابرخازن ها، شکاف میان باتری ها و خازن ها را پر می کنند، می توانند رنج گسترده ای از کاربردها را داشته باشند. همچنین ابرخازن ها در جاهایی که شارژ سریع منبع تغذیه مورد نیاز است، بسیار مناسب هستند.ابر خازن ۱ فاراد - ۵٫۵ ولت
استفاده از این نوع ابرخازن بیش از ابرخازن های دیگر رواج دارد.ظرفیت آن ۱F و ولتاژ آن ۵٫۵V بوده و قیمت آن نیز نسبت به نوع های دیگر ابرخازن کمتر است. بیش ترین ولتاژ قابل بهره برداری از ابرخازن ۱ فاراد،۵/۵ ولت بوده و مقاومت داخلی آن در رنج ۱۵ تا ۳۰ اهم قرار دارد.تلورانس ظرفیت این ابرخازن ۲۰ تا ۸۰ درصد و محدوده دمایی عملکرد آن بین ۲۵- تا ۷۰ درجه سانتی گراد است.برای تست و آزمایش اولیه این ابرخازن ها جدا از خود ابرخازن به تجهیزات محدود دیگری نیز نیاز داریم که در ادامه به آن ها اشاره می شود.سخت افزار اصلی
سخت افزار اساسی به این معناست که برای شروع نیاز به یک برد برک اوت کوچک خواهید داشت تا بتوانید چند المان دیگر را بر روی آن نصب کنید.به عنوان مثال برد مدار چاپی FR4 مستطیل شکل در ابعاد ۵۵*۱۵ میلی متر انتخاب مناسبی است. با توجه به این که منبع تغذیه USB به عنوان یک منبع سریع و مطمئن برای شارژ یک ابرخازن است،می توان برای سهولت کار یک قسمت برای اتصال نوع های مختلف USB در مدار چاپی اضافه کرد. دیاگرام مدار به این شکل است:نشانگر شارژ ابر خازن
در اینجا یک نشانگر شارژ اضافی لوکس برای سخت افزار اصلی استفاده شده است که در یک طرف مقایسه کننده دوگانه(IC1) آورده شده که البته وجود چندان ضروری نیست.نشانگر آبی(LED1) در مدار زمانی روشن می شود که ولتاژ دو سر ابرخازن C1 به یک مقدار از پیش تعیین شده ای برسد که این مقدار توسط پتانسیومتر ۱۰ کیلو RP1 مشخص می شود.در نظر داشته باشید که ممکن است شما مقاومت ۱۰ کیلواهمی را در مدار خود استفاده نکنید که البته در این صورت نتیجتا دوباره با پتانسیومتر RP1 سرو کار خواهیم داشت.دیاگرام مدار را ببینید:درایور LED ؛ یک کاربرد مناسب
ابرخازن ها برای توان دادن به منابع کوچک نور،انتخاب بسیار مناسبی هستند به این دلیل که سریع می توانند شارژ شوند وهمچنین می توانند سیکل های شارژ و دشارژ خیلی بیشتری نسبت به هر نوع باطری را طی نمایند.اگرچه تنها یک مقاومت محدود کننده جریان لازم است تا یک LED معمولی از ابرخازن را درایو کند، اما در اینجا از درایور جریان ثابت که به صورت مجزاست به جای مقاومت استفاده شده است.به این دلیل که درایور جریان می تواند تا حدی سطح نور را خطی سازی کند. مدار نشان داده شده در شکل بالا به طور موفق با LED های ۵ میلی متری کیفیت بالا و در رنگ های مختلف قرمز،سبز،آبی و سفید تست شده است.همان گونه که احتمالا خودتان متوجه شده اید ایده بالا صرفا چیزی جز تقلید از مدارهای ژنراتور جریان ثابت نیست. در نمونه اولیه دیگری که در شکل زیر آورده شده دیودهای (D2 و D3) ،ولتاژ بیس ترانزیستور (T1) را تقریبا روی مقدار ۱٫۲ ولت تنظیم می کنند که این سبب ایجاد افت ولتاژ ۰٫۵ ولت بر دو سر مقاومت ۲۷ اهمی(R5) می شود.بنابراین جریان عبوری از مقاومت R5 و در نتیجه LED2 ثابت و در حدود ۱۸ma خواهد بود. حال می توان با پر کردن بخش های خالی زیاد برد سخت افزاری نمونه های قبل با نشانگر شارژ و درایورهای نوری الکترونیکی،نمونه ای ادغام شده از سه مدار زیر را به دست آورد. خودتان نیز می توانید ایده های جالب دیگری که دارید را در مدار پیاده سازی کنید.ابر خازن بی عیب نیست !
مسلما،سخت افزار اصلی (دیاگرام مدار اول) یک پیاده سازی گسسته از مدار شارژ ابرخازن با یک مقاومت به منظور کنترل جریان شارژ و یک دیود شاتکی برای جلوگیری از به وجود آمدن جریان معکوس است. مقاومت محدود کننده جریان مقدار ۱۰ اهم انتخاب شده تا حداکثر میزان جریان شارژ را به ۴۷۰ma محدود کند. این مفهوم منجر به طولانی شدن زمان شارژ می شود چرا که نمودار شارژ آن به صورت نمایی است و همچنین موجب کاهش میزان ذخیره سازی ابرخازن می شود، به این دلیل که تنها به میزان ۴٫۷ ولت شارژ شده است.