$2 za prototyp PCBs
Poniżej opisany układ pozwala na samodzielne skonstruowanie „wiecznego”, dającego się wielokrotnie ładować „akumulatora”, wyposażonego w dodatku w regulację napięcia wyjściowego. Cała konstrukcja oparta jest na superkondensatorach.
Co prawda koszt budowy takiego „akumulatora” jest dość znaczny i waha się w granicach $90, inwestycja szybko zwróci się – jeśli wyliczyć koszty zaoszczędzone na kupowaniu baterii do różnego rodzaju urządzeń. Dodatkowo, taki akumulator może być ładowany na wiele sposobów (np. napięciem z zasilacza lub z ogniw słonecznych), a czas ładowania w wielu przypadkach wynosi zaledwie kilka minut. Akumulator może znaleźć też zastosowanie w sytuacjach „awaryjnych”, choćby do ładowania telefonu komórkowego w podróży bądź do zasilania oświetlenia. W przedstawionej konstrukcji możliwe jest wybranie napięcia wyjściowego z zakresu od 3,3 do 34V dzięki użyciu przetwornicy DC-DC.
Układ oparty jest na superkondensatorach, które posiadają pojemność wiele tysięcy razy większą od zwykłych kondensatorów elektrolitycznych (1-3000 faradów vs przeciętnie 0,0001 farada), co czyni je dobrymi zamiennikami baterii. W opisywanym rozwiązaniu autor wykorzystał dwa kondensatory o pojemności 400 faradów połączone szeregowo, co pozwala uzyskać napięcie 5,4V do zasilania przetwornicy DC-DC. Dodatkowo, układ wyposażono w obwód ładowania i wskaźnik napięcia.
Superkondensatory posiadają liczne zalety, m.in. można je ładować i rozładowywać nawet milion lub więcej razy (pod warunkiem każdorazowo używania odpowiedniego napięcia i baczenia na polaryzację!), mają wyjątkowo niską zastępczą rezystancję szeregową (ESR, dla superkondensatora to przeciętnie 0,01Ω, dla baterii – 0,02 do 0,2Ω), co pozwala na szybkie ładowanie i rozładowywanie kondensatora. Naładowane kondensatory nie wytracają zgromadzonego ładunku w czasie nieużywania, jak ma to miejsce w przypadku baterii. Dodatkowo, są znacznie bezpieczniejsze dla środowiska. Niestety, superkondensatory mają też kilka wad – są dość znacznych rozmiarów, pracują przy niskich napięciach, dlatego wymagane jest szeregowe łączenie; dodatkowo wszelkie zwarcia są wyjątkowo niebezpieczne i grożą nawet porażeniem, aż wreszcie – superkondensatory są dużo droższe od baterii.
Obwód ładowania superkondensatorów w omawianym przypadku jest bardzo prosty i zbudowany w oparciu o układ LM317. Rezystory ograniczają napięcie wyjściowe do 1,25V. Jako ogranicznik napięcia zastosowano rezystory 2,2Ω/5W, aby uniknąć możliwości spalenia układu LM317. Ogranicznik prądu może być wyłączony za pomocą zwory. Zabezpieczenie przed „powrotem” napięcia z naładowanych kondensatorów stanowią dwie, równolegle połączone diody 1N4001.
W „baterii” superkondensatorów pracują dwa elementy, każdy o pojemności 400 faradów i na napięcie 2,7V, połączone szeregowo. Zapewnia to maksymalne napięcie 5,4V oraz wypadkową pojemność 200 faradów. Do zasilania przetwornicy DC-DC wymagane jest napięcie rzędu 3,4V, więc takie rozwiązanie jest idealne – nawet w przypadku spadku napięcia na kondensatorach od 5,4 do 3,4 V przetwornica będzie pracowała bez problemów. Autor zastosował też przycisk typu DPDT, pozwalający na wybór pomiędzy zasilaniem przetwornicy a jedynie sprawdzeniem stanu naładowania kondensatorów.
Jako przetwornicę DC-DC autor wykorzystał gotowe urządzenie, zasilane napięciem minimum 3,4V i o zakresie napięć wyjściowych do 34V. Wykorzystana przetwornica ma bardzo małe rozmiary (32x32x20 mm), pozwala pobierać prąd o maksymalnym natężeniu chwilowym do 3A i ciągłym do 2A. Zastosowana przetwornica ma moc 15W i wydajność rzędu 90%.
Opcjonalnie możliwe jest zastosowanie modułowego wskaźnika napięcia lub po prostu woltomierza. W prezentowanym rozwiązaniu autor zamontował woltomierz 0-20V z wyświetlaczami LED. Poniżej można zobaczyć schemat całego akumulatora.
Działanie urządzenia można zobaczyć na poniższym nagraniu.
Link
Urządzenie wykonane przez autora stanowi w pełni funkcjonalny prototyp, którego ma on zamiar używać przez długi czas, także we współpracy z wykorzystywanym do tej pory ogniwem słonecznym. Ewentualne ulepszenia i zmiany, jakie można wprowadzić, to stworzenie baterii kondensatorów o większej pojemności i zaprojektowanie bardziej zaawansowanego obwodu kontrolującego ładowanie, wraz z zabezpieczeniami, najlepiej opartego o mikroprocesor.
Szczegóły dotyczące m.in. teorii łączenia i używania superkondensatorów można odnaleźć w oryginalnym artykule.
Fajne! Ranking DIY
Do 2.7V 3000F to tej wkrętareczce jeszcze sporo brakuje.