Извлечение наибольшей энергии из конденсатора

У меня есть суперконденсатор на 5 В, из которого я пытаюсь извлечь как можно больше энергии наиболее эффективным способом. Этот конденсатор подключен к входу некоторого регулятора (о котором идет речь в этом посте), который регулирует (скажем) выходную шину 2,5 В при ~ 1 мА. Что-то в этом роде.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Я изучил детали от обычных полупроводниковых компаний (Linear, TI и т. д.), и кажется, что я могу пойти двумя путями с этим таинственным регулятором:

  1. Используйте повышающе-понижающий стабилизатор (например, LTC3530 ).
  2. Сначала поднимите напряжение до уровня чуть выше 2,5 В (например, LTC3400-1 ), затем понизьте напряжение до 2,5 В (например, LTC3406A ). Когда напряжение на входном конденсаторе превышает 2,5 В, повышающий регулятор отключается, и активен только понижающий преобразователь. И наоборот, когда входное напряжение конденсатора меньше 2,5 В, активируется усиление, выходное напряжение превышает 2,5 В (скажем, 3,3 В), а затем понижающий преобразователь понижает напряжение до 2,5 В.

(Примечание: части, выбранные выше, приведены только в иллюстративных целях).

Вариант 1 дал бы мне эффективный диапазон входного напряжения (5–1,8 В) = 3,2 В, а вариант 2 дал бы более широкий диапазон (5–0,8 В) = 4,2 В. Если у меня входной конденсатор 1F, эти диапазоны соответствуют 10,88 Дж и 12,18 Дж полезной энергии соответственно.

Первоначально может показаться, что вариант 2 является предпочтительным методом, но добавление двух каскадов мощности (повышающего, затем понижающего) вместо использования одного комбинированного каскада (регулятора понижающего и повышающего) добавляет больше потерь, и именно здесь выигрыш в полезной энергии от варианта 2 становится промывкой.

Я попытался вычислить числа, используя графики эффективности, представленные в таблицах данных (для указанных деталей и других деталей от другого производителя), но есть много переменных , которые влияют на эти значения, что может радикально изменить тот вариант, который более выгоден. Есть и другие факторы, которые следует учитывать, такие как потери в катушке индуктивности и конденсаторах, которыми я неблагоразумно пренебрегаю.

Извлекает ли вариант 1 больше энергии из входного конденсатора, чем вариант 2? Или как сделать вариант 2 более энергоэффективным, чтобы он превосходил вариант 1?

Начните с точки эффективности, которая является наиболее распространенной в вашей системе. в вашем примере нагрузка составляет 200 мА, поэтому ищите ее на графике эффективности и тока нагрузки. Рассчитайте общую эффективность для обоих решений и примите соответствующее решение.
LTC3530 не будет выдавать 200 мА при входном напряжении 2,0 В с эффективностью выше 83%. При токе нагрузки 100 мА КПД составляет около 87%. При более низком напряжении, чем 2 В, все становится намного хуже довольно быстро.
Ссылка на фотографии ведет к «покупателю с голосовым управлением»!

Ответы (1)

У вас неправильные расчеты: в первом случае полезная энергия равна 10,88 Дж; Во втором случае - 12,18 Дж. (Полная энергия конденсатора, заряженного до 5В, составляет 12,5Дж)

Е с т а р т "=" U 0 2 . С / 2
Е е н г "=" U 1 2 . С / 2
Е ты с а б л е "=" Е с т а р т − Е е н г "=" ( U 0 2 − U 1 2 ) . С / 2

Так что разница не такая большая. Еще один пример, если вы используете только понижающий стабилизатор, разряжающий конденсатор до 2,5 В, энергия будет 9,375 Дж.

Таким образом, эффективность может быть очень важна в этом случае. Если у вас есть один регулятор с эффективностью 85%, итоговое усиление составит 10,88 Дж * 0,85 = 9,248 Дж.

Но если у вас две ступени на 85%, у вас будет 12,18 Дж * 0,85 * 0,85 = 8,8 Дж.

Итак, резюмируем: чтобы использовать двухступенчатый регулятор, необходимо, чтобы каждая ступень имела КПД выше 90%.

Даже использование одной ступени, понижающего регулятора и разрядки до 2,5 В может быть хорошим решением, если у вас есть регулятор с достаточно высоким КПД.

Примечание для малой мощности: Как правило, эффективность регуляторов снижается на малых мощностях. Регуляторы общего назначения обычно не оптимизированы для очень малых выходных токов. (Хотя 1 мА все же не такой уж и маленький ток, поэтому стандартное решение все же может существовать).

Если требуемый ток очень мал (например, 5 мкА), я бы предложил разработать собственный импульсный стабилизатор, где потребление регулятора можно было бы сделать достаточно небольшим, чтобы не влиять на эффективность. Проверьте "Искусство электроники" - там есть хороший пример дизайна микромощности.

Да, я понял прямо перед сном, что я сделал расчет неправильно. Это доказывает, что поздняя ночная публикация вопросов и математика — плохая идея. Мне все еще интересно, работает ли математика, где два каскада могут быть лучше, особенно при более легких нагрузках (скажем, 0,1 мА). В этих ситуациях эффективность снижается.
"общий заряд 12,5 Дж "? Думаю, я понимаю, что вы имеете в виду, но это очень запутанный язык , потому что джоуль измеряет энергию. Кулон измеряет заряд.
@PhilFrost: энергия полностью заряженного конденсатора составляет 12,5 Дж.
@johnfound да, я знаю, но твой ответ говорит не об этом . Я предлагаю вам отредактировать его, чтобы он был менее двусмысленным.
Позвольте мне обновить мой вопрос. Возможно, 200 мА слишком большой ток, чтобы вопрос оставался интересным. Возможно, что-то вроде <= 1 мА?
Извлечение наибольшей энергии из конденсатора
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v