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特别注意:
超级电容的两个电极引脚是区分正负极的,充放电的时候必须按照正确的极性进行连接;
同时超级电容有一个最高的工作电压,要求超级电容的实际工作电压必须要低于这个值,否则将会减低其使用寿命甚至是导致损坏。
超级电容的特点:
(1)充电速度快,充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上;
(2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达1~50万次,没有“记忆效应”;
(3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%;
(4)功率密度高,可达300W/KG~5000W/KG,相当于电池的5~10倍;
(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源;
(6)充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护;
(7)超低温特性好,温度范围宽-40℃~+70℃;
(8)检测方便,剩余电量可直接读出;
(9)容量范围通常0.1F--1000F。
鉴于超级电容拥有的特点,其目前已经被广泛应用于各种蓄能或者备用电源的系统中,甚至被直接作为电源使用。
超级电容是区分正负极的,使用时必须先判断其引脚的极性。
一般可以看其外皮包装的“-”减号所对应引脚代表负极(也有少部分用“+”加号表示正极)。
另外,也有一些封装的形式既没有加号也没有减号,我们看到只有一排连续的箭头从一个引脚指向另外一个引脚,对于这种一般箭头开始的一端为正极,箭头指向的一端为负极。
以下为常见的超级电容的照片:
更多关于“超级电容”的介绍,请参考:
XX百科——超级电容器,XX百科——超级电容,XX百科——法拉电容
#FormatImgID_2#充电电路#FormatImgID_3# 超级电容可反复充电,需要配备充电器。
但是与其他可充电电池对充电要求比较严格的情况不同的是,超级电容的充电电路可以很简单(几乎是直接接上电源就可以直接充电,只要充电的电压不高于其额定的最大工作电压就可以了,无需要复杂的充电保护电路),所以我们是把超级电容的充电电路直接做到具体机器人的控制电路中,不再需要要额外的充电器。
考虑到我们蓄能系列所采用的超级电容最高工作电压在5V左右的,为了方便和降低成本,超级电容充电电路我们采用基于电脑的USB接口的供电(注:
电脑USB口供电电压为5V),即可以直接插接到电脑的USB口为超级电容充电。
当然也可以连接普通带有USB口的开关电源(要求电压为5V)一起使用。
由于我们只是把USB口作为充电器的供电电源,所以USB接口我们只需要连接其中的电源引脚即可。
我们蓄能系列的超级电容充电电路,带有一个充电指示灯功能,以下是具体的电路原理图。
特别鸣谢:
以上超级电容充电电路的设计得到了网友“捞仔A”的思路启发,在此对他表示衷心的感谢!
这应该说是一个带充电功能的超级电容供电控制电路,通过一个选择开关控制超级电容是对负载进行放电,或是接受充电。
该电路的具体工作原理说明如下,有兴趣的朋友可以了解一下:
放电:
选择开关的节点2,拨到节点3的位置时,超级电容直接连接负载(比如:
电机),将进行放电以驱动负载。
充电:
选择开关的节点2,拨到节点1的位置时,超级电容将利用USB提供的5V电源进行充电。
开始充电时,LED发光二极管发光;
充满后,LED发光二极管熄灭,提醒充电结束。
1、超级电容与51R的电阻其实是串联在USB电源上的,根据串联电路的原理,我们知道超级电容两端的电压加上51R两端的电压,应该正好等于电源的电压(5V)。
2、LED发光二极管有一个开始发光的导通电压,并联在51R电阻两端的LED发光二极管其实就是用来检测51R电阻两端的电压的:
(1)刚开始充电时,超级电容两端电压比较低,则51R电阻两端的电压比较高,也就是LED发光二极管得到比较高的电压开始发光,说明充电进行中;
(2)当超级电容逐步充上电后,其两端的电压会升高,而同时51R电阻两端的电压逐渐下降,LED发光二极管得到的电压也在下降则其发光的亮度也会逐步变暗;
(3)当超级电容充电到一定程度后,其两端的电压会高到一定的数值,而51R电阻两端的电压也会降到一定的数值,LED发光二极管获得的电压也会低到一个数值,当这个数值低于发光二极管的导通电压时,则发光二极管熄灭,提醒充电结束。
对于与LED发光二极管串联在一起的220R电阻,其实是作为保护LED发光二极管的限流电阻,避免充电初期时由于51R电阻两侧的电压较高可能导致通过LED发光二极管的电流太大而烧坏LED发光二极管。
当LED发光二极管熄灭的时候,其实超级电容还没有充满电的,而且充电还是会继续。
这个时候超级电容两端的电压只是到了大约3V多的程度(电源5V减去发光二极管的导通电压),只有当超级电容两端的电压接近电源的电压(5V)时,才算基本充满。
而由于超级电容不用担心过度充电问题,只要充电电压不高于其最高工作电压,还可以让其继续处于充电状态。
另外,选用的LED发光二极管要求导通电压尽可能低一些,这样在其熄灭的时候超级电容就可以充更多的电。
这里我们选用导通电压比较低的“红色发红光”的LED发光二极管,其导通电压一般为1.6V左右,也就是说其熄灭的时候超级电容可以充电到3.4V左右。
综上,发光二极管熄灭,实际上代表超级电容已经充电到一定程度,不用马上停止充电,可以继续让其充电。
我们把超级电容的充电电路直接内置于具体机器人的控制电路板上,而该电路板直接通过USB电源转接线活动充电用的电源。
对于蓄能系列机器人中,一般控制电路板我们设计做成如下样式,上面代一个PH插座。
然后,再配以一条带PH插头的充电USB线(即:
USB-PH电源转接线)。
充电USB线的淘宝地址:
蓄能机器人 PVC-Robot蓄能系列,采用超级电容作为机器人的电源,可以有很多优势:
1、超级电容体积小、重量轻,非常适合制作PVC-Robot这样的小型甚至微型的机器人;
2、超级电容可反复充电、重复使用,可以节省采购电池的成本;
3、相对于微能系列的锂电池,超级电容的成本更低,完全可以把其作为具体机器人的内置电源,无需像微能锂电池那样在不同的机器人项目中重用还要拆装,则可以进一步简化机器人的结构,减小其体积和重量。
不过,由于更大容量的超级电容的价格不菲,且体积和重量都较大,我们蓄能系列所选用的超级电容相对来说还属于容量比较小的(在0.1F~5F之间),这样就导致其作为直接的电源来说,与常规干电池或锂电池相比,输出功率和续航能力都有限。
由此,我们蓄能系列的机器人,主要还是针对前期的一些简单的、耗能较低、对续航能力要求不高的微型机器人项目。
特别说明:
作为一种新型的电子器件,超级电容其实的价格还是不低的,由于目前的工艺水平以及实际应用范围的限制,其市场成本甚至比同类规模效果配置的锂电池来得更高。
相对于其他领域,超级电容在我们PVC-Robot应用中的要求其实并不算高,为了降低成本,我们推荐使用二手的超级电容(在淘宝上可以找到比较多且便宜的二手超级电容),这样可以大幅度降低实际的制作成本,且是几乎不会影响运行的性能效果,这算是一种性价比很高的选择。
理论上讲,PVC-Robot所有常规的BEAM机器人,都可以通过把常规干电池用超级电容替换掉,变成蓄能机器人。
接下来我们针对之前的一些常规机器人,通过更新为超级电容的方式进行版本的升级,升级为蓄能的版本都以字母“S”(Storage的缩写)作为型号后缀。
大家也可以自己选配蓄能系列的电源套件,自己把现有的PVC常规机器人改装为蓄能版的机器人:
蓄能电源A套件、蓄能电源B套件、蓄能电源C套件,更多请访问:
蓄能系列套件
在本篇中,我们将介绍PVC-Robot0号(暴走的臭虫)的蓄能版本,由于造型和电路上的差异,将分成S1、S2、S3三个不同的子版本。
一、PVC-Robot0号S1版暴走的臭虫
1.1、基本原理
1.2、准备工作
1.3、制作过程
1.4、效果展示
二、PVC-Robot0号S2版暴走之怪兽
2.1、基本原理
2.2、准备工作
2.3、制作过程
2.4、效果展示
三、PVC-Robot0号S3版暴走之飞船
3.1、基本原理
3.2、准备工作
3.3、制作过程
3.4、效果展示
PVC-Robot0号S1版
PVC-Robot0号机器人是被称为“暴走臭虫”的振动机器人,这里介绍的是采用超级电容作为电源的S1版0号机器人。
本项目套件的淘宝地址:
1.1、基本原理
PVC-Robot0号所有版本的机器人的运动原理都是一样的,即都是利用带偏心锤的振动电机产生的震动波促使身体产生位移,振动的幅度越大、身体支撑得越不稳定,则运动的效果就越明显。
具体的驱动原理可以参考这里:
PVC-Robot0号——驱动原理
当前PVC-Robot0号的S1版机器人,与之前介绍的A、B、C、M版等版本电路原理有所不同,这是一个标准的带充电功能的超级电容供电控制电路。
具体的原理说明在前面关于超级电容充电电路中有介绍,这里不再重复,有兴趣了解的请参考:
蓄能系列机器人——充电电路
为方便初学者,以下再提供电路焊接示意图:
主要器材包括:
PVC线槽、振动电机、超级电容、LED发光二极管、电阻等。
本项目建议采用的宽度为2.5CM的PVC线槽。
选项名称
规格数量
备注
1必选PVC线槽宽度2.5CM
长度10CM1个单位
2必选微能锂电套装1电1充1套
以下列出本项目的其他主要器件:
名称
用途
1震动马达手机用震动马达1个动力
2超级电容法拉电容(1F)1个蓄能
3拨动开关小拨动开关1个选择开关
4二极管LED发光二极管1个充电指示灯
5电阻220Ω(色环:
红红棕)1个LED限流
6电阻51Ω(色环:
绿棕黑)1个电子元件
7电路板电路实验板/万用板/洞洞板1块
8插座PH2.0,2P,间距2mm1个接充电USB线
9导线红/黑/蓝若干电路连接
10M1.2*5螺丝/螺母直径1.2mm,长5mm2对固定结构
11M2垫片孔径2mm2片垫电路板
下面介绍0号S1版的制作过程。
(1)电路
首先进行电路焊接,这里我们选用万能洞洞板来焊接整个控制电路。
特别提示:
假如是对于电路焊接不熟悉的初学者,强烈建议先阅读PVCBOT教程的技巧文章:
《万能洞洞板的手工焊接说明》
本型号版本选用的是单个1F的超级电容(法拉电容)。
一般外皮上标注了“-”减号所对应的是负极引脚,但也有些超级电容外皮上可能没有标明负极的,而是用一排连续的箭头标明:
箭头出发的一侧为正极,箭头指向的一侧为负极。
对照电路原理图以及焊接示意图,在电路板上焊接电路。
具体电路板焊接的布局,可参照下面电路板的底面图示。
焊接好电路,把振动电机和超级电容都接上,再对电路进行调试。
用USB线连接PC电脑的USB口和当前电路的PH插座,并把拨动开关拨到靠向PH插座的一侧,以便给超级电容进行充电。
正常情况下LED发光二极管会亮一会,然后逐步熄灭;
在LED熄灭后可以再等等,然后再拔掉USB线,接着把拨动开关的拨到另一侧,这时候振动电机会开始转动,并持续一段时间后逐步停止。
假如充电过程中LED发光二极管没有亮,可能是其引脚的极性弄反了,把两根引脚调换过来就可以了。
关于LED发光二极管的引脚识别,可参考以下方法:
方法1:
如果是全新的元件没有剪过引脚的,则默认长的那根引脚是正极;
方法2:
看圆柱形外壳底边上的圆盘,有缺口的一侧对应的引脚是负极;
方法3:
直接透过外壳观察内部结构,连接内部小电极片的引脚是正极,连接内部大的三角形电极片的引脚是负极。
(2)长脚
剪一块长约8CM、宽约1.5CM的PVC方条。
PVC方条两侧剪成三缕,其深度大约为3CM左右,做成底座和长腿。
(3)总装
把电路板如图右下角的小孔用锥子扩大一些,并把电路板放置于底座的中央,对照小孔位置在底座上打一个小孔。
用M1.2螺丝/螺母把电路板固定到底座上,注意电路板和底座之间加上两片M2垫片以确保安装端正。
把底座上两侧的长腿弯折一定的角度。
电路板上引出的导线与超级电容的电极焊接起来。
把超级电容用少量502胶水固定到底座上。
把振动电机立在超级电容及底座前端,用少量502胶水把振动电机的位置固定起来。
从电路板上引出的导线与振动电机连接起来。
完成总装的0号S1型机器人。
PVC-Robot0号S1版最终完成的效果。
本型号版本的机器人,如果按照我们淘宝店提供的套件进行组装(主要是超级电容和振动电机的选型),大约充电时间在10到20秒左右,而持续运动的时间大约在1分钟到2分钟左右,这对于一个简单振动方式运动的机器人也算基本足够了。
更多相关内容请参见:
PVC-Robot0号
PVC-Robot0号S2版
PVC-Robot0号机器人是被称为“暴走臭虫”的振动机器人,这里介绍的是采用超级电容作为电源的S2版0号机器人,由于造型上有点怪异,姑且称之为“暴走之怪兽”吧。
当前PVC-Robot0号的S2版机器人,与之前介绍的A、B、C、M版等版本电路原理有所不同,这是与S1版类似的标准带充电功能的超级电容供电控制电路,不过S1版采用的是一个1法拉的超级电容,而当前采用的是四个并联在一起的0.22法拉超级电容(电容并联后的容值等于各电容容值之和)。
具体的原理说明在前面关于超级电容充电电路中有介绍,这里不再重复,有兴趣了解的请参考:
以下列出本项目的其他主要器件:
2超级电容法拉电容(0.22F)4个蓄能
下面介绍0号S2版的制作过程。
本型号版本选用的是四个0.22F的超级电容(法拉电容)串联在一起。
注意:
这里有点特殊,在当前版本里面,PH插座不是直接插到电路板中的,而是如下图所示直接与电路板平行的方式焊接固定的。
这主要是从造型装饰上把PH插座当成了“怪兽”的头部。
注意:
四个超级电容是以“所有正极接在一起、所有负极接在一起”的并联方式进行连接的。
(2)肢体
剪一块大约长2.5CM、宽1.5CM左右的PVC方块,作为躯干。
把电路板在躯体上靠一侧并居中位置用M1.2的螺丝螺母固定起来,注意电路板与躯干之间用M2垫片垫起来以确保安装端正。
再剪两条大约长3CM、宽1CM左右的PVC长条作为四肢,并如下图所示蘸少量502胶水固定到躯干上。
用尖嘴钳把四肢折成如下图所示的角度。
3)总装
把四个超级电容用502胶水竖直粘贴在躯干的顶部。
并且把四肢的前端用剪刀剪成尖角。
把振动电机蘸少量502胶水粘贴在躯干下面的底部位置。
把四个超级电容的引脚,按照并联的方式(所有正极接一起,所有负极接一起)用导线连接起来。
把电路板引出的导线相与超级电容以及振动电机连接起来。
PVC-Robot0号S2版最终完成的效果。
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