Gdy zaczęliśmy eksperymenty z superkondensatorami nie do końca zdawaliśmy sobie sprawę z problemów jakich przysporzy nam ich ładowanie. Wydawało się, że wystarczy tylko ograniczyć prąd i w porę wyłączyć proces, by nie przekroczyć dopuszczalnego napięcia baterii. Niestety z racji swojej ultraniskiej rezystancji wewnętrznej dla większości standardowych układów zasilających takie kondensatory stanowią po prostu zwarcie.

Oczywiście najprostszym sposobem jest zastosowanie rezystora ograniczającego prąd, ale załóżmy że potrzebujemy naładować baterię 6 szt. kondensatorów BCAP3000P do napięcia 12V prądem 20A tak by naładować je w miarę szybko. Pomijając znikome rezystancję kondensatorów i przewodów potrzebny będzie rezystor ograniczający o wartości 600 mΩ. Obliczając wydzieloną moc przy takich wartościach napięcia, prądu i rezystancji wynika, że na rezystorze odłoży się moc o wartości 240W.

Rys. 1 Stanowisko laboratoryjne do badania prototypu ładowarki impulsowej.

Tak duża ilość traconej mocy była po prostu nie do przyjęcia więc odrzuciliśmy rezystor jak i inne metody liniowego ograniczania. Wspólnie z Hubertem Goronczynskim z Firmy Elegron zbudowaliśmy urządzenie kluczujące z pewną wartością indukcyjności w obwodzie, która w momencie impulsu "pompującego" powoduje pewne nachylenie charakterystyki zmniejszając szybkość narastania prądu.

Schemat prototypowej ładowarki.

W trakcie wstępnych rozważań na temat procesu ładowania trafiliśmy na rozwiązanie firmy Linear - układ scalony LT 3741, które wydaje się bardzo ciekawe, jednak ze względu na konieczność zastosowania tranzystorów o ultraniskiej pojemności bramki i trudnościach w ich zdobyciu projekt nie doczekał się jak na razie realizacji. Pozostało nam wykonać coś we własnym zakresie.

Rys.2 Bateria superkondensatorów BCAP3000P wraz z rezystorem rozładowującym 1Ω.

Jako „serce” ładowarki zastosowaliśmy układ scalony UC3845, jest to typowy driver PWM posiadający w swej strukturze zarówno wejście pomiaru prądu jak również napięcia wyjściowego. Układ jest genialny w swej prostocie ale posiada pewne „wady”, które trzeba było poprawić. Pierwszym problemem tego drivera (jak również wielu jemu podobnych) jest stosunkowo niska czułość wejścia pomiaru prądu. Działa ono jako limiter prądu wyjściowego, w chwili przekroczenia napięcia progowego (1V) jakie odkłada się na rezystorze pomiarowym.

Rys. 3 Transformator toroidalny 500VA 24V wraz z prostownikiem i ładowarką.

Tu był pierwszy problem do rozwiązania bo zakładany prąd ładowania ma się regulować od 1A do 20A. Aby na rezystorze odłożyło się napięcie 1V przy 1A wartość rezystora pomiarowego to 1 Ω (moc 1W) ale na tym samym rezystorze przy prądzie 20A odłoży się 20V i moc wyniesie 400W, co niesie za sobą€“ za duże straty. Z kolei rezystor dobrany dla 20A (0,05 Oma o mocy 20W) nie działałby przy mniejszych prądach.

Rys. 4 Moduł ładowarki impulsowej.

Dokonaliśmy więc pewnej modyfikacji tego obwodu zmniejszając zarówno moc jak i wartość rezystora pomiarowego. W naszym układzie zastosowaliśmy rezystor pomiarowy 5 mΩ na którym maksymalna moc jaka może się wydzielić to zaledwie 2W. Oczywiście na tak małej rezystancji w zakresie interesujących nas prądów, będzie odkładało się odpowiednio niskie napięcie (od 5mV przy 1A do 100mV przy 20A), które należy wzmocnić. W tej roli dobrze sprawdza się wzmacniacz operacyjny z regulowaną pętlą sprzężenia zwrotnego wpływającą na jego całkowite wzmocnienie. Oczywiście przy tak niskich wielkościach pomiarowych ważną rolę zaczyna odgrywać poprawna kompensacja wzmacniacza.

Rys. 5 Moduł ładowarki impulsowej.

Standardowo układ UC3845 posiada we swej strukturze wyjście sterujące tranzystorem MOSFET, a sam układ dobrze sprawdza się w przetwornicach, ale w przypadku ładowarki konieczne jest „przerobienie” tego wyjścia.

Rys. 6 Ładowarka w trakcie procesu ładowania baterii superkondensatorów.

Przeróbka ta polega na dopasowaniu wartości napięcia wyjściowego z UC3845 tak aby poprawnie sterowało innym driverem  - IR2184 (half bridge driver) ten steruje dwoma tranzystorami wykonawczymi. W układzie na wyjściu trzeba było zastosować diody aby zapobiec rozładowaniu baterii superkondensatorów przez „dolny” tranzystor w półmostku oraz przez pozostałą część układu po zakończeniu ładowania.

Rys. 7 Przebieg wartości prądu ładowania w trakcie wygaszania podczas zbliżania się do wartości zadanej napięcia.

Układ działa samodzielnie ale jest wyposażony w złącze sterujące za pomocą którego można sterować jego pracą. Za pomocą zewnętrznego potencjometru lub mikrokontrolera można regulować prąd ładowania oraz zmieniać graniczne napięcie do jakiego ładuje się bateria superkondensatorów.

Rys. 8 Spalenie gniazda bezpiecznika i przewodu, którym zastąpiono bezpiecznik.

Ładowarka jest odporna na zwarcie i dobrze radzi sobie w szerokim zakresie prądowym i napięciowym w tej wersji miała pracować przy prądzie od 1A do 20A i napięciu końcowym 26V, oczywiście zmieniając w istotny sposób parametry pracy trzeba zmienić kilka wartości elementów, ale sprawdzony nie niszczący górny pułap to ok. 70V i 30A

Rys. 9 Dolny próg prądowy, sygnał z sondy 100mV/A.

W praktyce nie udało się osiągnąć założonego dolnego progu ograniczenia prądu (1A). Ładowarka pracuje poprawnie przy prądzie na poziomie 6A. Próg górny to 20 A, ale niestety dużym problemem w tym prototypie okazały się diody blokujące rozładowanie kondensatora. Przy tej wartości prądu grzeją się niemiłosiernie.

Rys. 10 Górna wartość prądu ograniczenia ładowarki, przy którym "diody wytrzymują" - 18,6A.

Zastosowane 4 diody P1000D zostaną zastąpione innym rozwiązaniem w kolejnej wersji ładowarki. Oprócz tych diod w układzie nie grzeje się zupełnie nic, tak więc zastosowanie diody bądź diod montowanych do radiatora powinno rozwiązać problem.

Rys. 11 Przegrzane diody P100D.

Diody przy maksymalnym prądzie nagrzewają się tak bardzo, że zaczęła się wytapiać cyna utrzymująca je na PCB, jednak o dziwo żadna z nich nie została uszkodzona po wielokrotnych i długotrwałych próbach. Cyna zaczynała się topić od 19A :)

Rys. 12 Widok stanowiska testowego.

Po każdym procesie ładowania musieliśmy pozbyć się zgromadzonej w kondensatorach energii i w tym celu dobraliśmy rezystor o wartości 1Ω i mocy 165W. Przy 12V na baterii, przez rezystor popłynie prąd o wartości 12A i wydzieli się 144W mocy cieplnej. Rezystor zamienia się w grzałkę.

Rys. 13 Prąd rozładowania kondensatorów na rezystorze o wartości 1Ω

Ładowarka pomimo niewielkich problemów okazała się dużym sukcesem i otworzyła drogę do realizacji ciekawych pomysłów z udziałem superkondensatorów. Oczywiście pierwszym projektem, który dokończymy będzie opisany już wcześniej w naszym Portalu ProtonShooter. Chcemy zrealizować w najbliższym czasie także przenośne urządzenie rozruchowe do odpalania zimą samochodów, którym po prostu akumulator odmówił posłuszeństwa. Takie urządzenie będzie można szybko naładować z gniazdka, wynieść do samochodu, podpiąć w miejsce akumulatora i odpalić silnik.