Calcular el tamaño correcto para un supercondensador

No hay nada de malo en usar la calculadora, debe proporcionar una indicación del tiempo de respaldo que lograría, pero hay varias cosas incorrectas en su esquema:

1. El uso de un regulador lineal no es lo mejor, pero puede funcionar para usted. Debe considerar el voltaje de deserción, que en el caso del LM1117 es de aproximadamente 1,5 V. (consulte la hoja de datos Nota 4). El uso de un regulador lineal también aumentará el valor de supercap requerido al usar un SMPS pequeño.

2. Los supercaps se descargarán cuando encienda la unidad por primera vez, por lo que representará una corriente de carga muy grande mientras están cargados. Esto puede parecer un cortocircuito a su fuente de alimentación de 9 V y puede apagarse. Si no existe una protección real contra cortocircuitos, podría dañar su fuente de alimentación.
   Además, la tensión de alimentación del regulador (3.3 V) aumentará muy lentamente, lo que puede alterar el arranque de una MCU, o los reinicios periféricos y similares. Debe usar una resistencia en serie para reducir la tasa de carga de los supercápsulas.

3. Por tus comentarios, parece que compraste supercaps 0.33F 5V. Dos de estos en serie solo darán aproximadamente 0.16F, no el 0.22F que se muestra en su calculadora.

4. Poner supercápsulas en serie para obtener un mayor voltaje se realiza todo el tiempo. Sin embargo, no puede hacer esto simplemente, debe asegurarse de que la tensión entre ellos sea equilibrada y nunca exceda su clasificación. Por lo general, esto se realiza mediante un circuito muy parecido a un BMS de batería que garantiza que no se exceda la tensión del terminal. Esto puede ser demasiado costoso para usted, pero le propondré una alternativa.

Ahora le proponemos un circuito que puede funcionar para usted:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

En este circuito, la fuente de alimentación debe poder suministrar un pico de 9 V a 600 mA, por lo que es posible que deba volver a visitar la fuente de alimentación. Los supercápsulas se cargan a través de R1 y se descargan a través de D3. El tiene un Vf de aproximadamente 0.25V @ 100mA y 0.35V @ 700mA.

El voltaje entregado al regulador es de 8.65 - 8.75V

Los diodos Zener permiten una derivación actual si cualquiera de los supercaps se aproxima a 5.1V

Los supercaps tardarán aproximadamente 5RC en cargarse, aproximadamente 15 segundos aproximadamente. Durante el tiempo de carga, la fuente de alimentación proporcionaría inicialmente 700 mA reduciéndose a la carga de 200 mA que permití.

Usando tu calculadora de supercalcas ahora puedes agregar valores.
Los supercaps son 0.16F (para un par de 0.33F en serie)
El voltaje máximo en las tapas es de aproximadamente 8.75

El voltaje mínimo al que se regula su salida es (3.3 + 1.5 + 0.25) = 5.05V

Con una carga de 150 mA, esto debería traducirse en aproximadamente 3.5 segundos de capacidad de respaldo y suponiendo que los límites son decentes con un ESR inferior a 1 Ohm. Como Tony señaló en la otra respuesta, la ESR afectará el resultado que obtengas, pero hay muchos supercaps de baja ESR disponibles.

Supongo que aquí el problema que tenía con los tiempos de respaldo mucho más pequeños era que la fuente de alimentación estaba conduciendo una corriente adicional, por lo que puse D4 en su lugar.

ADICIONAL:

Con referencia a la hoja de datos LM1117 , tenga en cuenta que recomiendan un condensador de 10uF en la entrada (lea la sección 8.2.2.1.1). Esto proporcionaría una ruta de baja impedancia para controlar cualquier inestabilidad ... también recomiendan un mínimo de 10uF en el riel de salida (lea 8.2.2.1.3).

Update_1:

D1 y D2 brindan protección contra la sobrecarga de cualquiera de los supercaps, por lo que no pueden omitirse.
Tenga en cuenta que los valores de los supercaps varían en un 40% (uno es un 20% más alto y el otro 20% más bajo) y luego calcule los voltajes a través de los límites a medida que se cargan en serie. Uno será alto (el valor bajo de C) y el otro bajo (el valor alto de C). NO es simplemente la mitad del suministro a través de cada tapa, por lo que NO PUEDE decir que debido a que la tensión de entrada es de 9 V, la tensión de carga máxima será de 9/2. Existen dos condiciones que harán que el voltaje en cada tapa varíe.

1. El valor de los límites es +/- 20%
2. La corriente de fuga será diferente.

Los fabricantes de Supercap suministran tablas de balanceo (como un BMS) para la corriente de fuga, pero usted tiene que diseñar su propia protección contra sobretensiones.

EE101 Física y conservación de la energía de carga.

Actualizar:

Su problema no es especificar / verificar el voltaje de C y el límite de corriente de la fuente de 9V que puede exigir 100 A sin límite. ESR.

Una batería de 9V no puede suministrar más de 1A sin calentarse y está limitada por el ESR interno.

Por lo tanto, el resultado es un tiempo de carga insuficiente con una batería, pero está bien con un PS. Sin embargo, una ESR alta a partir de supercaps de clones con ESR > 1 Ohm causará una caída significativa de voltaje de la Ley de Ohm incluso con una corriente de 0.15A que reduce significativamente el tiempo de almacenamiento.

  

Estos son descuidos comunes y la razón por la cual las especificaciones de la prueba Maxwell Ultracap son tan detalladas. Como obviamente estos no son Ultracaps de MAXWELL, usted necesita las especificaciones.

Consulte estos qué tan alto están algunos en ESR (150 Ohms) que fallarán de ESR * C = T (53%) en su aplicación.

Tenga en cuenta que esta es una forma muy ineficiente de almacenar y transferir energía debido a las pérdidas involucradas. El aumento de voltaje no se especificó debido al límite de suministro actual.
Así que Ic = CdV / dt con el límite de corriente I para que la carga alcance el voltaje inicial en 1 segundo y descargue a 3.3 + 1.1V (corte).

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Comprender el circuito equivalente exacto es la clave para resolver este problema, no usar calculadoras en línea y hacer suposiciones incorrectas sobre tu circuito.

Su carga de energía se define por potencia y tiempo, si es constante \ $ E = P * t = V * I * t = 3.3 \ V * 0.15 \ A * 3s \ $ = 0.5 vatios * 3 s = 1.5 julios

Una batería o un condensador transferirá energía mediante cambios en la energía almacenada, \ $ Ec \ $ in \ $ Ec = \ frac {1} {2} C (V_1 ^ 2-V_2 ^ 2) \ $ = 1.5 julios de 9 V a \ $ V_2 = V_ {recorte} \ $ del convertidor SMPS "tipo buck", que sugerí desde OKI.

Para un regulador lineal, el recorte se da como 1.1 V por encima de la salida o 4.4 a menos que se use un LDO de tipo FET eficiente, por lo que el LDO barato bipolar pierde más energía que la carga. Entonces V2 = 4.4 V

Esto supone que C es constante durante el intervalo de tiempo que no es estrictamente cierto para Maxwell Supercaps (ver letra pequeña) o baterías si no está en el rango medio nominal.

Así que espera algo menos que ideal. Quizás el 50% para tiempos no > > T debido a los efectos de la memoria, dependiendo de ESR * C = T

Dado que \ $ V_1 \ $ es 9 V y puede calcular \ $ V_2 \ $ a partir de las especificaciones y C desde arriba como solución de tamaño mínimo más un 25% para pérdidas de eficiencia.

Ya que sabes matemáticas, confío en que puedas resolver C y, con suerte, las lecciones aprendidas para elegir una batería que no coincida para limitar las malas decisiones del regulador.

La próxima vez, defina el objetivo general con valores de especificación de salida y medios de almacenamiento de energía más eficientes, como una celda de ion L y un LDO FET.