Důležité:    DF MoNaKo - diskuze    Chat    Členové    Kalendář akcí    Galerie    Partnerské weby

   Můžete se registrovat!    Ukažte obrázky svých modelů!    Jak napsat článek?    Napište nám   

Kategorie článků
Vyhledávání
Model Club MoNaKo
MC MoNaKo

Otevřené sdružení lodních modelářů nejen z celé ČR...
Modelářský klub MoNaKo


Čtenář
Jméno:
Heslo:


Registrace | Info
Zapomenuté heslo

Chat - popovídejte si

Přehledy
Stálé odkazy
RSS

Pokud chcete odebírat naše články přes RSS, do své čtečky RSS kanálů zadejte tuto adresu. Též můžete použít odebírání nových tématpříspěvků z DF.

Vše naráz přímo na plochu svého PC získáte s miniaplikací MoNaKo-Mini:

MoNaKo-Mini

Čtenářské galerie
Už se to rýsuje... - 1
Nabývá finální podoby.
zobrazení: 453
známka: 5.00
Zajímavý odkaz
Thingiverse.com

Všem, kteří si pořídili 3D tiskárnu, by se mohla hodit tato stránka, na které naleznou řadu připravených věcí k tisku (a to i z oblasti lodních modelů).

Historie zajímavých odkazů

Partneři

MoNaKo - ikona

Pokud přidáte ikonu MoNaKa na svůj web, na oplátku přidáme odkaz na Vaše stránky mezi naše partnery.

Správa webu a DF

O tyto stránky se stará: MoNaKo Web Team

Návštěvnost
Mapa přístupů
Licence

Licence Creative Commons

Novinky
27.10.2018:

Před měsícem probíhala v Jablonci nad Nisou soutěžní výstava lodních maket v rámci oslav 50 let klubu Admiral. Komu unikla, více se dozví v krátké reportáži a též může nahlédnout do fotogalerie.

 

 Archiv novinek


Elektronika

Superkondenzátory jako zdroj pro pohon modelu - 3. díl

Úvodní obrázek článku Není to složité, není to drahé, ale musíte dávat pozor ne jako při práci s kondenzátory, ale nejméně tak, jako při práci s Li-pol. Nikoho snad nenapadne zkoušet napětí Li-pol tím, že „křísne“ vývody akumulátoru o sebe. U obyčejných kondenzátorů je to běžné. Zapomeňte na to! Se superkondenzátory se musí zacházet jako s tvrdými akumulátory. I když na nich zbude třeba jen 0,2 V, nezkratovat přímo, pořád dají proud desítek až stovek ampérů a roztaví dráty!

Je dobré o svých kondenzátorech něco vědět, přinejmenším kapacitu, samovybíjení a vnitřní odpor. Měřicí přístroje na ně nekoupíte, prostě nejsou, a ty, které se jim parametry jen blíží, stojí mnoho desítek tisíc. Nevadí.

Samovybíjení zjistíte nejlépe tak, že všechny kondenzátory nabijete paralelně na společné napětí těsně pod mezí (trvalého, ne špičkového) maxima. Pokud nejsou „rozhýbané“, nechte je zformovat na tomto přesně nastaveném a udržovaném napětí nejméně 48 hodin (!), častěji se doporučuje 72 hodin. Má to smysl, během té doby klesne svodový proud až 100x.

Nabité kondenzátory odpojte a nechte v klidu. Změřte napětí po 12 hodinách, jednom, dvou a třech dnech. Nejde o to spočítat přesně svodový proud (mimochodem, po 72 hodinách je to dost přesně ten proud, který stále ještě teče kondenzátorem), jde o to, aby byly stejné. Když se rozjedou o víc než 10% napětí, je to už problém a zbytečná práce pro balancer budoucí sady. Energii kondenzátoru lze spočítat podle vzorce W = 0,5 * C * U2.

Kapacitu ve faradech nejsnadněji zjistíme podle vzorce C = I * (Δt / ΔU). Nabíjíme nebo vybíjíme kondenzátor konstantním proudem I (v proudovém režimu na univerzálním zdroji). Proud raději měříme multimetrem než jen podle displeje na zdroji, lze použít běžný síťový spínaný zdroj určený pro nabíjení, pokud má regulaci proudu a nemá pojistku, která při překročení meze proudu vypne. Takže nastavíme konstantní proud, měříme stopkami (mobilem) čas Δt a změnu napětí ΔU za tento čas. Pokud možno nastavíme proud tak, aby čas vyšel na jednu až několik minut, meze napětí je lepší volit ne úplně od nuly, ale třeba od 0,5 do 2,5 V pro kondenzátor s mezním napětím 2,7 V. Včas odpojit!! Nevyužíváme plný proud zdroje, lépe asi tak polovinu, v tomto režimu s malým napětím je zdroj více zatížen proti normálnímu provozu. Tato metoda měření kapacity, i když se to nezdá, je dost přesná. Vše, co je třeba, můžeme přesně změřit.

Obrázek v článku Obrázek v článku Obrázek v článku
Vlevo: Větší 40A modelářský zdroj použitelný k měření i pak k rychlému nabíjení
Uprostřed: Schéma zapojení při měření vnitřního odporu
Vpravo: Schéma malého nabíječe pro měřicí účely

Měření vnitřního odporu je méně přesné a není úplně nezbytné. Kondenzátor nabijeme těsně pod jeho mez. Měříme napětí přímo na svorkách kondenzátoru. Lepší je, když má voltmetr rozsah 4,000 V, než obvyklé rozsahy 0,2 - 2 - 20 V, protože pak musíme použít rozsah 20 V a máme menší rozlišení. V tom případě raději měříme těsně pod napětím 2 V. Krátce připojíme výkonový rezistor se známým odporem (třeba 1 Ω) a rychle změříme napětí se zátěží. Rezistor odpojíme a opět změříme napětí. První a třetí měření bez odběru by se mělo lišit maximálně o setiny voltu, když ne, budeme brát jejich průměr. Rozdíl napětí měřeného bez zátěže a se zátěží vydělíme proudem rezistorem, to je vše. Není to přesné a neodpovídá to tomu, jak měří odpor výrobci, ale představu to dá. Hlavně, nejde tolik o velikost, jako o to, aby kondenzátory v sadě byly stejné. Rozdíl větší než 20 - 30 % může signalizovat problém.

Příklad: Počáteční napětí bylo 1,963 V, připojením odporu 1 Ω napětí kleslo na 1,912 V, po odpojení se vrátilo na 1,957 V. První a třetí měření se liší, budeme brát jejich průměr: (1,963 + 1,957)  / 2 = 1,960 V. Proud rezistorem byl I = U / R = 1,960 /  1 = 1,96 A. Vnitřní odpor je R = (U2 - U1) / I = (1,960 - 1,912) / 1,96 = 0,0245 Ω. Pohybujeme se hodně blízko rozlišení voltmetru a výsledek není přesný. U opravdu kvalitních kondenzátorů nenaměříme takto vůbec nic, jejich odpor je menší než 0,0005 Ω, rozdíl napětí bez zatížení a s ním je nepatrný, museli bychom ho zviditelnit mnohem větším přesně známým konstantním zatěžovacím proudem.

Na dalším obrázku je malý improvizovaný nabíječ jednoho kondenzátoru se dvěma obvody LM317T, z nichž první funguje jako zdroj proudu 1 A, druhý jako zdroj nastaveného napětí 1,3 - 3,0 V. Oba obvody by měly mít dostatečně dimenzovaný chladič. Přípravek se hodí pro měření malých kapacit, s většími se může měření protáhnout až na hodiny.

Když nejde o měření, ale nabíjení v provozu, poslouží modelářská nabíječka v režimu NiCd nastavená na potřebný proud. Můžeme také nabíjet třeba ze síťového zdroje 14 V nebo z autoakumulátoru přes žárovku, můžeme nabíjet přímo ze solárního panelu, to je víceméně jedno. Aby nedošlo k přebití (překročení napětí), je nutné použít automatický odpojovač proudu podobný tomu na dalším schématu.

Obrázek v článku Obrázek v článku Obrázek v článku
Vlevo: Schéma odpojovače proudu při nabíjení
Uprostřed: Omezovač napětí se Zenerovými diodami
Vpravo: Omezovač napětí/indikátor s LED

Jako zdroj referenčního napětí slouží stabilní obvod TL431, napětí na jeho výstupu je nastavitelné nejméně v rozsahu 2,5 až 2,8 V. Navazující OZ porovnává referenční napětí a napětí na kondenzátoru a s hysterezí asi +/- 30 mV spíná výkonový FET tranzistor IRL2203N. Nabíjení se dá ručně vypnout zkratováním řídící elektrody proti zemi. Napájecí napětí přípravku by mělo být vyšší než 9 V, spotřeba nepřekračuje 5 mA. Druhý OZ z pouzdra se stará jen o indikační LED, ta zhasne po nabití kondenzátoru. V konci nabíjení LED několikrát blikne, má-li kondenzátor velký svod, bliká pravidelně v delších intervalech. Výhodou výkonového tranzistoru IRL2203N je, že při kvalitním buzení má odpor v sepnutém stavu pod 10 mΩ a lze s rezervou spínat proud 20 A.

Stále jsme u měření a zkoušení jednotlivých kondenzátorů. Vybíjet můžeme například rezistorem 0,22 Ω / 50 W nebo pomaleji 2,2 Ω/5 W, ale obecně není vybíjení rezistory výhodné. Jakmile napětí klesne, je výkonová zatížitelnost rezistorů nevyužitá, a přitom vybíjení (v oblasti desetin V) velmi zpomalí. Je vůbec potřeba vybíjet až k nule, respektive do řádu setin voltu? Je, pokud chceme superkondenzátory spojovat paralelně, potřebujeme mít jistotu, že nenastane zkrat. Před transportem doporučuji kondenzátory vybít a dát na ně zkratovací propojku.

Poněkud lepší než rezistor je vybíjení pomocí halogenové autožárovky nebo paralelní sady autožárovek. Například typ H4 do hlavních světlometů (Philips 60/55 W) má za studena odpor vlákna 0,18 Ω, při nažhavení napětím 1 V 0,66 Ω a po připojení na napětí nabitého superkondenzátoru více než 1,5 Ω. To je výhodné, protože pokles odporu za studena urychluje vybíjení v závěrečné fázi.

Máme sestavenou sadu a potřebujeme ji balancovat, vyrovnat napětí mezi jednotlivými kondenzátory. Pro kvalitní kondenzátory se v zahraničí používají jednoduchá zapojení se Zenerovými diodami. Vlastně to není balancer, ale omezovač napětí, částečně balancuje jen „díky“ tomu, že charakteristika diod není ostrá (proud začíná vést už asi od 2,2 V). V praxi má toto smysl použít jen v případě, že je nabíjecí proud velmi malý (diody jej dokážou odvést a nezničí se) a že je sada nabita jen na krátkou dobu (jinak je to dost nehospodárné). Tyto požadavky se většinou vzájemně vylučují.

Větší smysl má použít zapojení s LED, kde je ke každému kondenzátoru paralelně připojena červená LED a univerzální dioda. Jejich společné napětí v propustném směru je o málo nižší než 2,7 V. Omezuje (balancuje) to podobně špatně jako předchozí zapojení, ale velká výhoda je v tom, že na nestejném svitu LED může obsluha vidět, že je sada rozvážená, a může zasáhnout. Je to spíš indikátor než balancer.

Když se nad tím zamyslíme, problém je přesně stejný jako při nabíjení Li-pol. Nejdříve se nebalancovalo, pak ano a bylo to nutné, články měly dost velké tolerance, nyní není nezbytné balancovat při každém nabíjení (články jsou mnohem stejnější), ale je to dobré. Opustily se omezovače a balancery bez vazby na nabíjení, balancer je součástí i levných nabíječů a spolupracuje s nabíjením, přinejmenším umí omezit nebo vypnout nabíjecí proud. Nedalo by se totéž použít i pro superkondenzátory?

Modelářské nabíječe jsou v podstatě ideálním zařízením i pro práci s kondenzátory. To, co brání jejich použití, je místy příliš chytrý program a ochrany. Především by bylo třeba vyřadit kontroly nízkého napětí z programu obsluhy Li-pol, kondenzátory se mohou nabíjet od nuly. Upravit vliv balanceru na nabíjecí proud, při nižším napětí poteče rezistory balanceru menší proud. Změnit meze napětí při nabití, místo 4,2 V volit po 10 mV nastavitelné napětí nejméně v rozsahu 2,5 až 3,0 V. To je víceméně vše, ostatní změny už jsou spíš otázkou komfortu používání, třeba řízení nabíjení ne v režimu konstantního proudu, ale podle konstantního (maximálního) ztrátového výkonu, dopočítávání a zobrazení doby do plného nabití, zobrazení množství energie v kondenzátorech, režim měření kapacity atd. Výkonový Up/Down měnič nabíječe je plně schopný pracovat od nuly, v režimu NiCd to dělá.

Pokud se někdo úpravy modelářského nabíječe pro superkondenzátory ujme, může vyjít z open source programového vybavení maďarského autora Istvána Magi (rc-miskolc.emiter.hu). Není nezbytné číst jeho práci v originále, překladem do slovenštiny vznikl osmidílný seriál „Cheali Chargers – nabíjačky s Open Source“ uveřejněný na internetových stránkách rcmodely.cevaro.sk, tam jsou uvedeny i odkazy na zdrojové texty programů. V případě, že by uspěl, byl by to velký příspěvek k amatérskému využívání superkondenzátorů hodně přesahující malou oblast modelářství.

Vícekrát zmíněné spínané měniče (switching regulator) napětí jak dolů (down) tak nahoru (up) nebo kombinované není potřeba vyrábět, dají se za velmi příznivé ceny koupit třeba na www.aliexpress.com. Jen je třeba počítat s tím, že měnič s udávaným proudem 5 A tento proud reálně nevydrží, ale na zhruba 3 A je možné se spolehnout.

Nakonec jsem si nechal jednu vyzkoušenou aplikaci, která není přímo modelářská, ale v dílně se neztratí. Možnost odebírat ze superkondenzátoru proud stovek ampérů při napětí jednotek voltů silně připomíná parametry bodových svářeček. Při jejich amatérské konstrukci se typicky vychází z převinutého transformátoru z mikrovlnky (MOT), výsledek je výkonný, dobře použitelný, ale také velký a těžký. Nešlo by nabíjet mnohem dostupnějším proudem několika ampérů z menšího zdroje kondenzátor a využít ho pak jako zdroj energie s velkým svářecím výkonem po krátkou dobu? To vše při mnohonásobném zmenšení rozměrů a hmotnosti svářečky, která ani nemusí být v době práce připojená na síťové napájení?

Jde to, smíříme-li se s prodlevami na nabíjení mezi jednotlivými bodovými svary a regulací energie svařování sestavením vhodné kapacity z několika kusů (hrubě) a napětím na kapacitě (jemně). Například jeden jediný Maxwell 350F zvládne dodat energii pro jeden svar tenkých konzervových plechů nebo dvou drátů do průměru 0,8 mm. Na obrázku jsou vlivem nevhodného tvaru elektrod tyto svary ne zrovna úhledné, nicméně dostatečně pevné. Při kapacitě vyšší než 1 kF (3x 350 F) a plném napětí (2,7 V) už se tenčí plechy někdy i roztečou a proděraví.

„Kapacitní“ bodová svářečka není lepší než klasická transformátorová, je jiná. Pracuje se s ní pomaleji, ale je konstrukčně jednoduchá a při občasném použití stačí. Velikostí i hmotností je doslova miniaturní, může připomínat transformátorovou páječku, pohodlně se uloží do zásuvky stolu. Tím, že se kov taví při menším napětí a větším proudu, nejde vytáhnout oblouk, dokonce při špatném kontaktu ani moc nejiskří. Pokud spojovaný materiál mechanicky drží i jinak než stlačením mezi elektrody, jde bez nepříznivých jevů přerušit svařování oddálením elektrod, v tom případě se může využít podstatně vyšší kapacita a dělat více spojů v rychlém sledu. Kolem spojů se tvoří méně oxidačních zbytků, bodové svary jsou čistší. Pro průmyslové využití je toto nevhodné, tam jde o výkon a rychlost, ale na svaření miniaturní klece z drátu nebo roštu to naprosto stačí.

Obrázek v článku Obrázek v článku Obrázek v článku
Vlevo: Očištěné bodové svary dvou pásků konzervového plechu svařeným jediným kondenzátorem 350 F
Uprostřed: Malý zvyšující měnič s výstupem +5 V třeba pro napájení přijímače a jednoho nebo dvou mikroserv
Vpravo: Když na „to“ v roce 2010 mohlo v Shanghaji levně jezdit 36 linkových autobusů, proč ne model? (propagační foto Research India Pvt. Ltd)

Závěr
Rozsáhlejší a podstatně více technicky zaměřený materiál o využití superkondenzátorů v různých aplikacích včetně příkladů schémat začne vycházet v časopise Praktická elektronika - Amatérské rádio od května letošního roku.

Fotogalerie
Fotogalerie

Foto: Ing. Michal Černý a weby výrobců © 2015

Pro MoNaKo Ing. Michal Černý Na začátek článku

Autor: Ing. Michal Černý | Vydáno dne 10. 04. 2015 | 5534 přečtení
Počet komentářů: 0 | Přidat komentář
Informační e-mailVytisknout článek
Pridat.eu



Elektronika -> Superkondenzátory jako zdroj pro pohon modelu - 3. díl
Old MoNaKo - články z roku 2006 a starší