सुपरकैपेसिटर चार्जर सर्किट कैसे बनाएं

अवधि supercapacitors और इलेक्ट्रिक वाहनों, स्मार्टफोन और IOT उपकरणों में इसके संभावित उपयोग हाल के दिनों में बड़े पैमाने पर माना जा रहा है, लेकिन जब वह पहली बार जनरल इलेक्ट्रिक द्वारा प्रयोग किया गया था की भंडारण क्षमता बढ़ाने के लिए सुपर संधारित्र का विचार ही 1957 तक चली आ इसकी कैपेसिटर। इन वर्षों में सुपर संधारित्र प्रौद्योगिकी में काफी सुधार हुआ है कि आज इसका उपयोग बैटरी बैक-अप, सौर ऊर्जा बैंक और अन्य अनुप्रयोगों के रूप में किया जा रहा है, जहां कम बिजली की आवश्यकता होती है। कई लोगों को लंबे समय में बैटरी के प्रतिस्थापन के रूप में सुपर कैप पर विचार करने की गलत धारणा है, लेकिन कम से कम आज की तकनीक सुपरकैपेसिटर के साथ उच्च चार्ज क्षमता वाले कैपेसिटर कुछ भी नहीं हैं, आप हमारे पिछले लेखों से सुपरकैपेसिटर के बारे में अधिक जान सकते हैं।

इस लेख में हम सीखेंगे कि कैसे एक साधारण चार्जर सर्किट को डिज़ाइन करके ऐसे सुपर कैपेसिटर को सुरक्षित रूप से चार्ज किया जाए और फिर ऊर्जा को धारण करने में कितना अच्छा है यह जांचने के लिए हमारे सुपर कैपेसिटर को चार्ज करने के लिए इसका उपयोग करें। बैटरी कोशिकाओं के समान सुपर संधारित्र को संधारित्र पावर बैंक बनाने के लिए भी जोड़ा जा सकता है, एक संधारित्र पावर बैंक को चार्ज करने का दृष्टिकोण अलग है और इस लेख के दायरे से बाहर है। यहां सरल और आम तौर पर उपलब्ध 5.5V 1F कॉइन सुपर-कैपेसिटर का उपयोग किया जाएगा जो सिक्का सेल के समान दिखता है। हम सीखेंगे कि सिक्का प्रकार के सुपरकैपेसिटर को कैसे चार्ज किया जाए और उपयुक्त अनुप्रयोगों में इसका उपयोग किया जाए ।

एक सुपर-कैपेसिटर को चार्ज करना

बैटरी के साथ सुपर कैपेसिटर की तुलना में, सुपर कैपेसिटर में कम चार्ज घनत्व और बदतर सेल्फ-डिस्चार्जिंग विशेषताएं होती हैं, लेकिन चार्जिंग समय, शेल्फ लाइफ और चार्ज साइकल सुपर कैपेसिटर से बेहतर बैटरी के मामले में। चार्जिंग की उपलब्धता के आधार पर सुपर कैपेसिटर को एक मिनट से भी कम समय में चार्ज किया जा सकता है और यदि ठीक से हैंडल किया जाए तो यह एक दशक से अधिक समय तक चल सकता है।

बैटरी की तुलना में सुपर कैपेसिटर में बहुत कम ESR (समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध) मूल्य होता है जिससे यह करंट के उच्च मान को संधारित्र में प्रवाहित या बाहर करने में सक्षम बनाता है, जिससे यह उच्च प्रवाह के साथ चार्ज या डिस्चार्ज हो सकता है। लेकिन उच्च धारा को संभालने की इस क्षमता के कारण, एक सुपर संधारित्र को चार्ज किया जाना चाहिए और थर्मल रनवे को रोकने के लिए सुरक्षित रूप से छुट्टी दे दी जानी चाहिए। जब सुपर-कैपेसिटर को चार्ज करने की बात आती है तो दो सुनहरे नियम होते हैं, संधारित्र को सही ध्रुवता के साथ चार्ज किया जाना चाहिए और एक वोल्टेज के साथ इसकी कुल वोल्टेज क्षमता का 90% से अधिक नहीं होना चाहिए ।

बाजार में सुपर-कैपेसिटर आज आम तौर पर 2.5V, 2.7V या 5.5V के लिए रेट किए जाते हैं। लिथियम सेल की तरह इन कैपेसिटर को उच्च वोल्टेज बैटरी पैक बनाने के लिए श्रृंखला और समानांतर संयोजन में जोड़ा जाना है। श्रृंखला में कनेक्ट होने पर बैटरी संधारित्र के विपरीत, इसकी कुल वोल्टेज रेटिंग को जोड़ देगा, जिससे अधिक संधारित्रों को जोड़ने के लिए आवश्यक है ताकि सभ्य मूल्य के बैटरी पैक बन सकें। हमारे मामले में हमारे पास 5.5V 1F संधारित्र है, इसलिए चार्जिंग वोल्टेज 90% 5.5 होना चाहिए जो कि कहीं 4.95V के पास है।

एक सुपर संधारित्र में ऊर्जा संग्रहित

हमारे उपकरणों को शक्ति प्रदान करने के लिए ऊर्जा भंडारण तत्वों के रूप में कैपेसिटर का उपयोग करते समय यह संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा को निर्धारित करना महत्वपूर्ण है कि यह भविष्यवाणी करने के लिए कि डिवाइस को कितनी देर तक चलाया जा सकता है। संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा की गणना करने के सूत्र ई = 1 / 2CV ² द्वारा दिए जा सकते हैं । तो एक 5.5V 1F संधारित्र के लिए हमारे मामले में जब पूरी तरह से संग्रहीत ऊर्जा का शुल्क लिया जाएगा

ई = (1/2) * 1 * 5.5 ² ई = 15 जूल

अब, इस मान का उपयोग करके हम यह गणना कर सकते हैं कि संधारित्र कितनी देर तक बिजली दे सकता है, उदाहरण के लिए यदि 10V के लिए 5V पर 500mA की आवश्यकता है। तब इस उपकरण के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना सूत्र = ऊर्जा x समय का उपयोग करके की जा सकती है । यहां पावर की गणना P = VI द्वारा की जाती है , इसलिए 500mA और 5V पावर के लिए 2.5 वॉट है।

ऊर्जा = 2.5 x (10/60 * 60) ऊर्जा = 0.00694 वाट-घंटे या 25 जूल

इससे हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि हमें 30 जूल के पावर पैक प्राप्त करने के लिए समानांतर (15 + 15 = 30) में इन कैपेसिटर में से कम से कम दो की आवश्यकता होगी जो कि 10 सेकंड के लिए हमारे डिवाइस को पावर देने के लिए पर्याप्त होगा।

सुपर कैपेसिटर पर ध्रुवीयता की पहचान करना

जब यह संधारित्र और बैटरी की बात आती है तो हमें इसकी ध्रुवीयता से बहुत सतर्क होना चाहिए। उलटा ध्रुवता वाला एक संधारित्र सबसे अधिक संभावना गर्मी और पिघल जाएगा और कभी-कभी सबसे खराब स्थिति में फट जाएगा। हमारे पास जो संधारित्र होता है वह सिक्के के प्रकार का होता है, जिसकी ध्रुवता को छोटे सफेद तीर के साथ दर्शाया गया है जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

मैं मानता हूं कि तीर की दिशा वर्तमान की दिशा को इंगित करती है । आप इसके बारे में सोच सकते हैं जैसे, वर्तमान हमेशा सकारात्मक से नकारात्मक की ओर बहता है और इसलिए तीर सकारात्मक पक्ष से शुरू होता है और नकारात्मक पक्ष की ओर इंगित करता है। एक बार जब आप ध्रुवता को जानते हैं और यदि आप इसे चार्ज करने के लिए उत्सुक हैं, तो आप इसे 5.5V (या सुरक्षा के लिए 4.95V) पर सेट आरपीएस का उपयोग कर सकते हैं और फिर आरपीएस के पॉजिटिव लीड को पॉजिटिव पिन से कनेक्ट कर सकते हैं और नेगेटिव पिन को नेगेटिव लीड कर सकते हैं। आपको संधारित्र को चार्ज किया जाना चाहिए।

RPS की वर्तमान रेटिंग के आधार पर आप यह नोट कर सकते हैं कि संधारित्र को सेकंड के भीतर चार्ज किया जा रहा है और एक बार 5.5V तक पहुंचने के बाद यह वर्तमान को खींचना बंद कर देगा। यह पूरी तरह से चार्ज कैपेसिटर अब स्व-निर्वहन से पहले उपयुक्त अनुप्रयोग में उपयोग किया जा सकता है।

इस ट्यूटोरियल में RPS का उपयोग करने के बजाय हम एक चार्जर बनाएंगे जो 5.5V को 12V एडाप्टर बनाता है और सुपर कैपेसिटर को चार्ज करने के लिए इसका उपयोग करता है । संधारित्र के वोल्टेज पर एक ऑप-एम्प तुलनित्र का उपयोग करके निगरानी की जाएगी और एक बार संधारित्र चार्ज होने पर सर्किट स्वचालित रूप से सुपर-संधारित्र को वोल्टेज स्रोत से डिस्कनेक्ट कर देगा। दिलचस्प लगता है तो चलो शुरू करते हैं।

सामग्री की आवश्यकता

• 12 वी एडाप्टर
• LM317 वोल्टेज नियामक आईसी
• LM311
• IRFZ44N
• BC557 PNP ट्रांजिस्टर
• एलईडी
• अवरोध
• संधारित्र

सर्किट आरेख

इस सुपरकैपेसिटर चार्जर सर्किट का पूरा सर्किट आरेख नीचे दिया गया है। प्रोटीस सॉफ्टवेयर का उपयोग करके सर्किट तैयार किया गया था उसी का अनुकरण बाद में दिखाया जाएगा।

सर्किट एक 12V एडाप्टर द्वारा संचालित है; फिर हम अपने संधारित्र को चार्ज करने के लिए 5.5V को विनियमित करने के लिए LM317 का उपयोग करते हैं। लेकिन यह 5.5V एक स्विच के रूप में MOSFET अभिनय के माध्यम से कैपेसिटर को प्रदान किया जाएगा। यह स्विच तभी बंद होगा जब संधारित्र का वोल्टेज 4.86V से कम हो, क्योंकि संधारित्र को चार्ज मिलता है और वोल्टेज बढ़ने से स्विच खुल जाएगा और बैटरी को आगे चार्ज होने से रोक देगा। यह वोल्टेज तुलना एक ऑप-एम्प का उपयोग करके की जाती है और हम चार्जिंग प्रक्रिया पूरी होने पर एक एलईडी को चमकाने के लिए बीसी 557 पीएनपी ट्रांजिस्टर का भी उपयोग करते हैं। ऊपर दिखाए गए सर्किट आरेख को स्पष्टीकरण के लिए नीचे खंडों में विभाजित किया गया है।

LM317 वोल्टेज विनियमन:

रोकनेवाला R1 और R2 का उपयोग LM317 रेगुलेटर के आउटपुट वोल्टेज को फॉर्मूले Vout = 1.25 x (1 + R2 / R1) के आधार पर करने के लिए किया जाता है। यहां हमने 5.3V के आउटपुट वोल्टेज को विनियमित करने के लिए 1k और 3.3k के मूल्य का उपयोग किया है जो कि 5.5V के काफी करीब है। आपके साथ उपलब्ध प्रतिरोधक मूल्य के आधार पर वांछित आउटपुट वोल्टेज की गणना करने के लिए आप हमारे ऑनलाइन कैलकुलेटर का उपयोग कर सकते हैं।

Op-Amp तुलनित्र:

हमने एक निश्चित वोल्टेज के साथ सुपर संधारित्र के वोल्टेज मान की तुलना करने के लिए LM311 तुलनित्र आईसी का उपयोग किया है। यह निश्चित वोल्टेज एक वोल्टेज विभक्त सर्किट का उपयोग करके नंबर 2 को पिन करने के लिए प्रदान किया जाता है। प्रतिरोधों 2.2k और 1.5k 4.86V फॉर्म 12V के वोल्टेज को गिराते हैं। इस 4.86 वोल्ट की तुलना रेफ वोल्टेज (कैपेसिटर के वोल्टेज) से की जाती है, जो पिन 3 से जुड़ा होता है। जब रेफ वोल्टेज 4.86V से कम होता है, तो आउटपुट पिन 7, पुल-अप 10k रेसिस्टर के साथ 12V के साथ उच्च हो जाएगा। इस वोल्टेज का उपयोग MOSFET को चलाने के लिए किया जाएगा।

MOSFET और BC557:

IRFZ44N MOSFET op-amp से संकेत के आधार पर वोल्टेज चार्ज करने के लिए सुपर संधारित्र कनेक्ट करने के लिए प्रयोग किया जाता है। जब op-amp अधिक हो जाता है, तो यह पिन 7 पर 12V आउटपुट करता है जो MOSFET को अपने बेस पिन के माध्यम से इसी तरह से चालू करता है जब op-amp कम (0V) जाता है तो MOSFET खोला जाएगा। हमारे पास एक PNP ट्रांजिस्टर BC557 भी है जो MOSFET बंद होने का संकेत देते हुए एलईडी को चालू कर देगा। यह दर्शाता है कि कैपेसिटर वोल्टेज 4.8V से अधिक है।

सुपरकैपेसिटर चार्जर सर्किट का अनुकरण

सर्किट को अनुकरण करने के लिए मैंने बैटरी को एक चर अवरोधक के साथ बदल दिया है ताकि ऑप-एम्प के 3 को एक चर वोल्टेज प्रदान किया जा सके। सुपर संधारित्र को यह दिखाने के लिए एलईडी के साथ बदल दिया जाता है कि यह संचालित है या नहीं। सिमुलेशन परिणाम नीचे पाया जा सकता है।

जैसा कि आप वोल्टेज जांच का उपयोग करते हुए देख सकते हैं, जब इनवर्टिंग पिन पर वोल्टेज नॉन-इनवर्टिंग पिन की तुलना में कम है, तो op-amp पिन 7 पर 12V के साथ उच्च हो जाता है जो MOSFET को चालू करता है और इस तरह कैपेसिटर (पीला एलईडी) को चार्ज करता है। यह 12V भी हरे रंग की एलईडी को बंद करने के लिए BC557 ट्रांजिस्टर को चालू करता है। कैपेसिटर (पोटेंशियोमीटर) के वोल्टेज के रूप में हरे रंग की एलईडी बढ़ेगी क्योंकि ऊपर दिखाए गए ऑप-एम्प का उत्पादन 0 वी होगा।

हार्डवेयर पर सुपरकैपेसिटर चार्जर

सर्किट बहुत सरल है और इसे ब्रेडबोर्ड पर बनाया जा सकता है, लेकिन मैंने एक परफेक्ट बोर्ड का उपयोग करने का फैसला किया ताकि मैं अपने सुपर कैपेसिटर को चार्ज करने के हर प्रयास में भविष्य में सर्किट का पुन: उपयोग कर सकूं। मैं पोर्टेबल प्रोजेक्ट्स के लिए सोलर पैनल के साथ इसका उपयोग करने का इरादा रखता हूं, इसलिए इसे जितना संभव हो उतना छोटा और कठोर बनाने की कोशिश की। बिंदीदार बोर्ड पर टांका लगाने के बाद मेरा पूरा सर्किट नीचे दिखाया गया है ।

संधारित्र को चार्ज करने के लिए एलिगेटर पिन का उपयोग करके दो मादा बर्ग की छड़ें टैप की जा सकती हैं। येलो एलईडी मॉड्यूल की शक्ति को इंगित करता है और ब्लू एलईडी चार्जिंग की स्थिति को इंगित करता है । एक बार चार्जिंग प्रक्रिया पूरी हो जाने के बाद एलईडी जल जाएगी और बंद हो जाएगी। एक बार सर्किट तैयार होने के बाद बस कैपेसिटर को कनेक्ट करें और आपको नीली एलईडी को बंद देखना चाहिए और कुछ समय बाद चार्जिंग प्रक्रिया पूरी होने का संकेत देने के लिए यह फिर से उच्च हो जाएगा। आप नीचे चार्ज और चार्ज किए गए राज्य में बोर्ड देख सकते हैं।

इस पृष्ठ के निचले भाग पर दिए गए वीडियो में पूर्ण कार्य पाया जा सकता है, अगर आपको यह काम करने में कोई समस्या हो तो उन्हें टिप्पणी अनुभाग में पोस्ट करें या अन्य तकनीकी प्रश्नों के लिए हमारे मंचों का उपयोग करें।

डिजाइन में सुधार

यहां दिया गया सर्किट डिजाइन कच्चा है और अपने उद्देश्य के लिए काम करता है; निर्माण के बाद यहां जिन कुछ अनिवार्य सुधारों पर ध्यान दिया गया, उन पर चर्चा की गई। BC557 अपने बेस के 12V की वजह से गर्म होता है और उत्सर्जित होता है इसलिए BC557 के स्थान पर एक उच्च वोल्टेज डायोड का उपयोग किया जाना चाहिए।

दूसरी तरह जब संधारित्र चार्ज करता है तो वोल्टेज तुलनित्र वोल्टेज में परिवर्तन को मापता है लेकिन जब ऑप-एम्प सेंस लो वोल्टेज हासिल करने के बाद MOSFET बंद हो जाता है और FET पर फिर से चालू हो जाता है, तो op-amp के बंद होने से पहले इस प्रक्रिया को कुछ बार दोहराया जाता है। ऑप-एम्प आउटपुट पर एक लैचिंग सर्किट समस्या का समाधान करेगा।