SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVRŠNI RAD br. 5282

PRETVORNIK ZA BATERIJSKO-

SUPERKONDENZATORSKI SPREMNIK

Domagoj Ciković

Zagreb, lipanj 2017.

Sadržaj 1. Uvod ................................................................................................................................. 1

2. Analiza pojedinih funkcijskih dijelova baterijsko-superkondenzatorskog spremnika ..... 2

2.1. Litij-ionske baterije ................................................................................................... 2

2.2. Superkondenzatori ................................................................................................... 5

2.3. DC-DC pretvornik ..................................................................................................... 7

2.4. Podizač napona ( charge pump ) ......................................................................... 11

2.5. Procesor Nucleo stm32f074 ................................................................................... 12

2.6. N-MOSFET tranzistori i diode ................................................................................. 14

2.7. Komparatori s histerezom ...................................................................................... 16

3. Princip rada pretvornika za baterijsko-superkondenzatoski spremnik .......................... 18

4. Proces izrade tiskane pločice ......................................................................................... 21

5. Simulacija programskim alatom MATLAB ................................................................. 23

5.1. Transformator ........................................................................................................ 23

5.2. Podizač napona (charge pump) .............................................................................. 25

5.3. Izvor referentnog napona 9.9 V ........................................................................... 27

5.4. DC-DC pretvornik ................................................................................................. 28

6. Zaključak ....................................................................................................................... 31

7. Literatura ........................................................................................................................ 32

8. Sažetak/summary ........................................................................................................... 33

9. Privitak .......................................................................................................................... 34

1

1. Uvod

Zadatak inženjera je osmisliti inovacije kako bi unaprijedili i olakšali

svakodnevni život. Područje elektrotehnike ima široku primjenu, od prijenosa

energije, medicine, industrije do raznih elektroničkih naprava koje upravljaju

raznim procesima. Da bi inženjer mogao projektirati neki sklop mora imati

ideju te poznavati osnovne probleme i funkcije određenih dijelova i sklopova i

mora znati koristiti određene alate koji olakšavaju proces izrade elektroničkih

sklopova. Alati služe kako bi proces izrade bio što lakši i ekonomičniji.

Zadatak završnog rada bio je razviti elektronički pretvornik koji će povezivati

bateriju i slog superkondenzatora. Specifični kapacitet snage

superkondenzatora znatno je veći, dok je specifični energetski kapacitet

značajno manji od baterijskog. Elektronički pretvornik mora povezivati dva

sustava na način da se energija može prenositi u oba smjera, prilikom čega

je potrebno osigurati punjenje i pražnjenje pojedinih podsustava u skladu s

njihovim ograničenjima. Za podizanje napona koristi se DC-DC pretvornik, o

čemu će opširnije biti pisano u nastavku. Nakon izrade, potrebno je bilo

ispitati funkcionalnost samog sklopa. U svrhu izrade samog sklopa korišteni

su programski alati poput Altium Designer-a i MATLAB.

2

2. Analiza pojedinih funkcijskih dijelova baterijsko-

superkondenzatorskog spremnika

2.1. Litij-ionske baterije

U svrhu projekta koristili smo 6 litij-ionskih baterija nominalnog napona

3.7 V. Litij-ionske baterije svrstavaju se u skupinu punjivih baterija. Tijekom

pražnjenja baterija litijevi ioni se kreću od negativne elektrode prema

pozitivnoj, a suprotan proces se odvija tijekom punjenja. Litij-ionske baterije

se sastoje od elektrolita od litijeve soli u organskom topivu, katode od

metalnog oksida i anode od ugljika. Baterija je, zbog toga što je osnovna tvar

litij, vrlo lagana te masa iznosi 47.5 g. Neke od prednosti ovih baterija su vrlo

velika gustoća energije od oko 225 Wh/kg te dugi životni vijek od 500 do

1000 ciklusa. Baterije imaju veliki kapacitet od 3100 mAh. No ove baterije su

vrlo osjetljive na prepunjivanje i na pretjerano pražnjenje te se u određenim

okolnostima može pretjerano zagrijati i eksplodirati, zbog toga je potrebno

nježno i s oprezom rukovoditi ovim baterijama. Struja koju daje baterija

regulirana je radnim ciklusom DC- DC pretvornika čime ne pružamo

mogućnost da baterija proizvede maksimalnu struju, nego odabirom

prikladnog radnog ciklusa struju smo podesili su na 1 A. Baterije spojene u

paralelu zbog čega ukupna struja koju daju sve baterije iznosi 6 A.

3

Slika 1 Karakteristika punjenja baterije

Na slici 1 je prikazan graf napona u ovisnosti o vremenu punjenja, iz

grafa opažamo da se u prvom periodu punjenja baterija puni do nekog

maksimalnog napona linearno te se do kraja punjenja, preostali period, puni

konstantnim naponom.

U paralelu s baterijama stavili smo elektrolitske kondenzatore od 470

µF koji služe kao filtar za glađenje napona. Elektrolitski kondenzatori se u

osnovi proizvode od vodljivih soli u elektrolitskoj otopini. Aluminijske

elektrode koje se koriste imaju tanku oksidacijsku membranu. Najčešća vrsta

su polarizirani kondenzator mada postoje i bipolarni elektrolitski kondenzatori

čije su obje ploče su presvučene oksidom i upotrebljavaju se na primjer u

skretnicama za zvučničke kutije.

Slika 2 Simbol elektrolitskog kondenzatora

4

Slika 3 Spajanje baterija i elektrolitskih kondenzatora

Slika 4 Litij-ionska baterija proizvođača Samsung

5

2.2. Superkondenzatori

Konvencionalni kondenzatori se sastoje dvije elektrode, najčešće građene

od silicija, i izolacijskog materijala koji se nalazi između njih. Taj izolacijski

materijal služi za akumuliranje električnog naboja unutar kondenzatora.

Jednadžba koja opisuje kapacitet kondenzatora dana je izrazom :

𝐶 = 𝜀𝑆

𝑑, (1)

gdje je C kapacitet kondenzatora (izražene u F), 𝜀 konstanta dielektrična

konstanta dielektrika, S površina elektrode, a d udaljenost između njih.

Energija pohranjena u konvencionalnom kondenzatoru ovisi o njegovom

kapacitetu i razlici napona na elektrodama. To pokazuje slijedeća jednadžba:

𝐸 = 𝐶𝑈2

2 . (2)

Superkondenzator jedinstveni je uređaj za pohranu energije, s obzirom

da ima puno veći kapacitet od konvencionalnih kondenzatora i puno veću

gustoću snage od baterija. To znači da se može primjenjivati kao back-up

izvor napajanja elektroničkih uređaja, leveliranje opterećenja, pokretanje ili

ubrzanje motora kod hibridnih vozila, te za pohranu električne energije

dobivene iz solarnih ili vjetroelektrana.

6

Slika 5 Odnos gustoće energije i gustoće snage uređaja za pohranu energije

U projektu koristimo četiri superkondenzatora od 400 F spojenih u

seriju što daje ukupan kapacitet od 100 F ravnajući se prema jednadžbi :

1

𝐶𝑢𝑘=

1

𝐶1+

1

𝐶2+ ⋯ +

1

𝐶𝑛 . (3)

Superkondenzatori imaju ograničenje napona koji mogu izdržati stoga

moramo paziti da napon na njima ne prijeđe 2.7 V, o čemu će detaljno biti

riječ u nekom od narednih poglavlja. Ako napon na superkondenzatoru

prijeđe određeni maksimalni napon dolazi do pregaranja komponente i može

doći do eksplozije.

Slika 6 Superkondenzatori 400 F

7

2.3. DC-DC pretvornik

Koristimo DC-DC pretvornik za podizanje napona od baterija prema

superkondenzatorima. Shematski prikaz prikazan je na slici 7.

Slika 7 DC-DC pretvornik

Pretvornik radi na principu tako da odabirom određenog radnog

ciklusa upravljamo sklopkama ispod transformatora. U početku je sklopka

ispod primara transformatora uključena, a ispod sekundara isključena. Struja

iz baterije teče kroz primar i na njemu se inducira napon. Kroz sekundar

struja ne teče jer je sekundar isključen. Kada isključimo sklopku ispod

primara, a uključimo sklopku ispod sekundara, inducirani napon se putem

prijenosnog koeficijenta transformatora prenosi na sekundar. Struja poteče u

smjeru kazaljke na satu, jer smo tako odredili namatanjem žica oko jezgre

transformatora i puni se superkondenzator koji je spreman svoju snagu

prenesti dalje. Rad pretvornika prikazat ćemo preko jednadžbi električnih

krugova.

8

Slika 8 Tok struje kroz primar transformatora

Slika 9 Tok struje kroz sekundar

Slika 10 Radni ciklus

Iz slike 8 dobivamo jednadžbu metodom petlji :

9

𝑈0 = 𝐿𝑑𝑖1

𝑑𝑡 . (4)

Iz slike 9 dobivamo jednadžbu :

𝑈𝑐 + 𝐿𝑑𝑖2

𝑑𝑡 = 0 . (5)

Te svojstva transformatora koja su opisana jednadžbama :

𝑖2 = 1

𝑛𝑖1 𝑖 𝑢2 = −𝑛𝑢1 (6) 𝑖 (7)

Rješavajući jednadžbe dobit ćemo konačnu ovisnost napona na

kondenzatoru i radnog ciklusa.

𝑈0𝑑𝑡

𝐿= 𝑑𝑖1 = 𝑑𝑖5 =>

1

𝐿∫ 𝑈0𝑑𝑡

𝐷𝑇

0

= 𝑖5 => 𝑖5 =𝐷𝑇

𝐿𝑈0, (8)

𝑑𝑖2 =−1

𝐿𝑈𝑐𝑑𝑡 =>

−1

𝐿∫ 𝑈0𝑑𝑡

(1−𝐷)𝑇

0

= 𝑖2 = 1

𝑛𝑖1 = 𝑖0 => 𝑖0 =

−𝑛(1 − 𝐷)𝑇

𝐿𝑈𝑐 , (9)

𝑖0 + 𝑖5 = 0 , (10)

Uvrštavajući dobivene izraze iz (8) i (9) u jednadžbu (10) gdje nam je 𝑖0 struja

koja teče kada tranzistor ispod primara ne vodi, a ispod sekundara vodi

struju, a 𝑖5 obrnuto, dobit ćemo izraz ovisnosti napona na superkondenzatoru

o radnom ciklusu :

𝑈𝑐 = 𝑈𝑜

𝐷

𝑛(1 − 𝐷) . (11)

Gdje nam je D radni ciklus koji je određen kao omjer vremena kada tranzistor

ispod primara vodi struju i ukupnog perioda. A n je omjer namotaja

transformatora na primaru i sekundaru, 𝑛 = 𝑁1

𝑁2 .

10

Slika 11 Graf ovisnosti izlaznog napona i radnog ciklusa

Za motanje transformatora smo koristili trifilarno motanje tako da se tri

žice motaju istovremeno i paralelno i na kraju se dvije žice ostave kao

sekundar, a jedna kao primar. Žice na sekundaru se spoje tako da se kraj

jedne žice spoji s početkom druge žice pri čemu se dobije dvostruko veći

napon na sekundaru nego na primaru. Za broj namotaja uzeli smo N=15

prema jednadžbi :

𝑊 =𝐿𝐼2

2 𝑖 𝑁2𝐴𝐿 = 𝐿 . (12) 𝑖 (13)

Gdje nam je 𝐴𝐿 jednak 250 mH. Za određene zahtjeve i uvažavajući

jednadžbe (12) i (13) dobili smo traženi broj namotaja.

Slika 12 Izgled transformatora

11

2.4. Podizač napona ( charge pump )

Podizač napona ( eng. charge pump) je neka vrsta DC-DC pretvornika

koji koristi kondenzatore kao spremnike energije kako bi stvorili izvor većeg ili

manjeg napona. Podizači napona su poznati po visokoj korisnosti od 90 do

95 %. U električnoj sklopki se koriste sklopke koje reguliraju napon na

kondenzatorima. Sklop radi na principu manje i veće kante gdje manju kantu

koristimo kako bi napunili veću, tako se iz manjeg kondenzatora napon

prelijeva u veći kondenzator na kojem se podiže napon. Sklop radi u dva

ciklusa. U prvom ciklusu manji kondenzator se puni na iznos izvora, u našem

slučaju su to baterije od 3.7 V te zatim u drugom ciklusu manji kondenzator je

spojen u seriju sa izvorom koji opskrbljuje teret, kod nas 10 V, odnosno naš

drugi kondenzator. Kondenzatori su iznosa od 1µF i 100 µF. Upravljajući

sklopkama mi reguliramo koliko će iznositi naš izlazni napon, u našem

slučaju on iznosi 12.5 V.

Slika 13 Shematski prikaz charge pump-a

12

2.5. Procesor Nucleo stm32f074

Slika 14 Nucelo stm32f074

Procesor koristimo kako bi programski upravljali sklopkama ispod

primara i sekundara transformatora. Procesor ima mogućnost mjeriti napon

na određenim točkama sklopa i tako uz napisani program upravljati

sklopkama te ih otvarati i zatvarati kada je to potrebno. Programom mjerimo

struju koja teče kroz primar i sekundar transformatora, mjeri se napon na

svakom kondenzatoru i pazi se da napon ne prijeđe 2.5 V, ukoliko napon

prijeđe navedenih 2.5 V zatvaraju se sklopke pored kondenzatora i struja

teče kroz otpornike. Također mjerimo napon na desnoj strani sklopa na i

lijevoj strani te ako je na lijevoj strani napon veći nego na desnoj strani

zatvara se sklopka koja spaja lijevu i desnu stranu sklopa i kroz nju sva

energija, odnosno snaga prelazi na desnu stranu i tako punimo baterije.

Procesor nam služi i kao generator PWM ciklusa koji koristimo kod

komparatora za hardversko upravljanje sklopkama. Na slici 15 naveden je

raspored pinova koji se nalaze na procesorskoj pločici. Od navedenih pinova

13

mi koristimo 3 pina za generiranje PWM signala, konstanti napon od 3 V i 5 V

koji koristimo kao napajanje komparatora. Procesor napajamo putem

stabilizatora koji koristi napon baterija i daje konstantan napon od 3.3 V.

Prilikom pisanja programa koristili smo C programski jezik.

Slika 15 Raspored pinova procesorske pločice

14

2.6. N-MOSFET tranzistori i diode

MOSFET tranzistori nam služe kao sklopke koje nam služe kao regulatori

napona. Tranzistori mogu biti p-kanalni i n-kanalni, u projektu se služimo n-

kanalnim tranzistorom. N-kanalni tranzistor se sastoji od tri elektrode :

upravljačka elektroda G (gate), uvod S (source) i odvod D (drain). Tranzistor

će provesti struju kada mu dovedemo napon koji je veći od napona 𝑈𝐺𝑆,

napon praga. U današnjoj proizvodnji tranzistori se proizvode uz zaštitnu

diodu koja ih štiti od prevelikih struja, a ujedno omogućuju tok struje u oba

smjera.

Slika 16 Tehnološka struktura n-kanalnog MOSFET-a

Slika 17 Simbol MOSFET-a i zaštitne diode

15

Dioda je nelinearni poluvodički elektronički element s dva priključka

koji posjeduje ispravljačka svojstva. Poluvodičke diode se izvode na

temelju pn-spoja ili na temelju spoja metal–poluvodič. Diode se mogu

razvrstati po materijalu na kojemu su rađene (silicij, germanij, galijev

arsenid, silicijev karbid) i po tipu (ispravljačke, LED, foto-diode, Zener-diode,

Schottky-diode, tunel-diode). Zener diode su diode koje se uglavnom

upotrebljavaju kao referentni izvori napona. Izraženo područje proboja kod

tzv. Zenerovog napona se primjenjuje za dobivanje stabilnog referentnog

napona. Schottkyeva dioda temelji svoj rad na ispravljačkom spoju metal-

poluvodič. Osnovna karakteristika ove diode je mali napon koljena (0.2 V).

Zbog oblika strujno-naponske karakteristike te kratkog vremena oporavka

prikladna je za primjenu u brzim, impulsnim sklopovima ili kao zaštitni

element. Diode smo koristili kao referentne izvore napajanja, zaštitu od

prevelikih struja te kao i kao elemente preko kojih se pune, odnosno prazne

kondenzatori.

Slika 18 Dioda

Slika 19 Zener dioda

Slika 20 Schottky dioda

16

2.7. Komparatori s histerezom

Komparator s histerezom je nelinearan analogni sklop koji uspoređuje

ulazni i referentni napon. Referentni napon se uvijek nalazi na pozitivnoj

stezaljci komparatora. Unutar komparatora se nalazi bipolarni tranzistor koji

se otvara i zatvara ovisno o tome kakvi su odnosi ulaznog i referentnog

napona. Kada je napon na pozitivnoj stezaljci komparatora veći od napona

na negativnoj stezaljci bipolarni tranzistor unutar komparatora će provesti

struju i na izlazu ćemo dobiti nisku razinu napona. U suprotnom, odnosno

kada je napon na pozitivnoj stezaljci manji od onog na negativnoj, sklopka

unutar komparatora će ostati otvorena i struja kroz njega neće prolaziti te

ćemo na izlazu dobiti visoku razinu. Komparatore smo koristili za hardversko

reguliranje napona na superkondenzatorima, gdje smo uspoređivali

referentni izvor napajanja od 2.5 V i napon na kondenzatoru te pazili da

napon na superkondenzatorima ne prijeđe iznos referentnog napona. Kada

na izlazu dobijemo visoku razinu napona sklopke kojima upravljamo se

zatvaraju i uključuje se zaštita. Komparatore smo također koristili za

otvaranje i zatvaranje sklopki ispod transformatora i tako podizali napon na

sekundaru transformatora. Kao referentni izvor napona smo također koristili i

3 V s procesorske pločice. Detaljnije o radu i upotrebi komparatora biti će

riječ u slijedećem poglavlju. Važno je napomenuti da je komparator „open

collector“ tipa, što znači da kolektor bipolarnog tranzistora pliva u zraku,

odnosno nije spojen na ništa stoga je bilo potrebno spojiti otpore velikih

vrijednosti između kolektora i izlaza komparatora kako bi ispravno radio.

17

Slika 21 Ovisnost ulaznih i izlaznih napona komparatora

Slika 22 Simbol komparatora

18

3. Princip rada pretvornika za baterijsko-

superkondenzatoski spremnik

Slika 23 Pretvornik za baterijsko-kondenzatorski spremnik

Na slici 23 prikazana je shema pretvornika za baterijsko kondenzatorski

spremnik. Pretvornik možemo podijeliti na dvije cjeline, lijevu i desnu

polovicu, a kao referentnu sredinu možemo uzeti transformator. O pojedinim

cjelinama i njihovom načinu rada govorili smo u prethodnom poglavlju, sada

ćemo te cjeline povezati u jedan zajednički sklop. Na lijevoj strani se nalazi

šest baterija nominalnog napona 3.7 V koje daju ukupnu struju od 6 A. Struju

određujemo odabirom radnog ciklusa koji generira procesorska pločica.

19

Napon na baterijama mjerimo na naponskom djelilu koji je određen otporima

𝑅1 i 𝑅2. Taj napon nam je važan za punjenje baterija. Prilikom prvog

uključivanja sklopa kako bi zaštitili sklop od prenaglih napona postavili smo u

seriju otpor 𝑅3 iznosa 0.5 Ω koji regulira struju kroz ostatak sklopa. Nakon

prvog uključivanja možemo premostiti otpornik preko kratkospojnika. Zatim

dolazimo do transformatora koji podiže napon na sekundaru i tako određuje

napon na superkondenzatorima. Sklopke ispod transformatora regulirane su

programski i hardverski. Programski preko programa pisanog na procesoru,

a hardverski pomoću komparatora. Struja kroz transformator može teći u oba

smjera stoga moramo okrenuti sklopke na suprotne strane tako da kroz jednu

sklopku teče struja kroz tranzistor, a kroz drugu preko zaštitne diode

tranzistora. Hardverski način upravljanja sklopkama omogućen je tako da

dovodimo PWM signal s procesora i uspoređujemo ga sa referentnim

naponom. Kada je iznos referentnog napona veći od ulaznog napona dobit

ćemo nisku razinu napona i sklopke će ostati otvorene, i obrnuto. Moramo

posebno naglasiti da je važno da se sklopke na primaru i sekundaru

transformatora ne uključuju istovremeno što smo omogućili tako da

komparatori rade u suprotnom režimu, odnosno kada jedan ima visoku razinu

napona na izlazu, drugi ima nisku i obratno. Potrebno je bilo dizajnirati sklop

tako da se sklopke brže spuštaju nego podižu, a to smo postigli spajanjem

RC člana na izlaz komparatora. Kada se sklopka spušta kondenzator se puni

preko diode, a kada se sklopka podiže kondenzator se prazni preko otpora.

Zbog različitih vremena punjenja i pražnjenja, što dolazi zbog različitih

otpora, sklopka se sporije podiže nego spušta. Ispod transformatora mjerimo

struju, pomoću procesora, koja teče kroz primar i sekundar kako bi se uvjerili

da teče u oba smjera. Zbog malih iznosa struja potrebno je povećati njegovu

vrijednost i to činimo pomoću pojačala. Pojačalo INA2331 nam služi za

pojačanje signala koji dovodimo na procesor. Iznos pojačanja odabire se

iznosom otpora koji spajaju van pojačala, u našem slučaju je iznos pojačanja

(A) pojačala INA2331 100. Za napajanje pojačala INA2331 koristimo

invertirani napon baterija i napon baterija. Invertirani napon smo postigli

pomoću sklopa, invertora TL7660, koji invertira ulazni napon te tako na izlazu

20

daje željenih -3.7 V. Izlaze pojačala dovodimo na procesor. U sklopu

koristimo još jedno pojačalo, INA331, koje mjeri struju koja nam dolazi iz

trošila, odnosno motora koji je spojen na pretvornik, ona će u nekim

trenutcima postignuti vrijednost od 100 A. Procesor napajamo pomoću

stabilizatora koji napon baterije od 3.7 V stabilizira na napon od 3.3 V kojim

napajamo procesor. Sada prelazimo na desnu stranu, stranu gdje su

superkondenzatori. Koristili smo 4 superkondenzatora spojenih u seriju, svaki

od 400 F, što daje ukupan kapacitet od 100 F. Na svakom kondenzatoru

pazimo da nam napon ne prijeđe 2.5 V. Taj napon reguliramo hardverski i

programski. Mjerimo napon na svakom kondenzatoru i izlaze šaljemo

procesor. Hardverski smo koristili plivajući spoj kondenzatora. Rad će biti

opisan na jednom primjeru koji vrijedi za sve. Na komparator dovodimo izvor

referentnog napona i napon na samom kondenzatoru. Kao visoku razinu

koristimo napon iznad superkondenzatora, odnosno u slučaju prvog

kondenzatora napon koji smo dobili na podizaču napona, 12.5 V, a kao nisku

razinu koristimo napon ispod superkondenzatora, odnosno 7.5 V. Ako napon

slučajno prijeđe 2.5 V uključuje se sklopka i struja proteče kroz zaštitni otpor.

Također pazimo da nam ukupni napon na svim superkondenzatorima ne

prijeđe 10 V, taj problem je također riješen pomoću komparatora gdje

uspoređujemo referentni napon od 9.9 V i napon na superkondenzatorima i

ukoliko napon pređe 9.9 V sva energija se prenosi na otpor grijalicu. Da

budemo sigurniji da će se ta grijalica uključivati kada je potrebno upotrijebili

smo još jedan komparator koji regulira napon na superkondenzatorima. To

smo učinili tako da smo upotrijebili PWM signal s procesora i referentni

napon od 1.5 V, što nam omogućuje pravovremeno uključivanje naše

takozvane grijalice. Konačno smo došli do krajnjeg problema, kada dođe

prevelika snaga sa motora koji je priključen na pretvornik potrebno je prenesti

tu snagu na baterije. Tako ćemo moći održavati napajanje baterija.

Uključivanjem sklopke iznad transformatora ta snaga se prenosi s jednog

kraja na drugi kraj pretvornika.

21

4. Proces izrade tiskane pločice

Za izradu tiskane pločice koristili smo programski alat Altium Designer

2017, koji omogućuje izradu sheme i samog dizajna tiskane pločice. Tiskana

pločica je dizajnirana u dva sloja što vidimo na slikama 24 i 25.

Slika 24 Gornji sloj tiskane pločice

Slika 25 Donji sloj tiskane pločice

22

Za izradu tiskane pločice koristili smo fotopostupak. Fotopostupkom se

na prethodno pripremljenu pločicu nanosi maska za selektivno jetkanje

bakrenog sloja. Prvo se na pločicu nanosi fotoosjetljivi lak. U prostoriji svjetlo

mora biti prigušeno, a sloj laka što jednolikiji i tanji. Zatim se lak suši na

temperaturi od 340 K. Za selektivno osvjetljavanje fotolaka poželjan je pozitiv

fotografskog filma nacrta tiskanih veza. Osvjetljavanje jakim izvorom

ultraljubičaste svjetlosti je 40 do 50 sekundi, a grafoskopom 5 do 10 minuta.

Nakon selektivnog osvjetljavanja lak se razvija u 7 %-tnoj vodenoj otopini

natrijeve lužine. Pločica se jetka bilo kojom otopinom koja nagriza bakar,

najčešće se koristi željezni klorid. Nakon što je završen fotopostupak i

jetkanje komponente se leme na tiskanu pločicu.

Slika 26 Tiskana pločica

23

5. Simulacija programskim alatom MATLAB

Za simuliranje smo koristili Simulink iz programskog alata MATLAB. U

narednom tekstu će biti opisan rad pojedinih sklopova i njihov očekivani tok

signala.

5.1. Transformator

Simulacijski model prikazan je na slici 27.

Slika 27 Simulink model transformatora

Slika 28 Izlaz transformatora

24

Slika 29 Ulaz transformatora

Iz simulacije vidimo da će napon na izlazu transformatora biti dvostruko veći

od napona na ulazu, što je bio i cilj.

25

5.2. Podizač napona (charge pump)

Slika 30 Simulink model podizača napona

Simulacija prikazuje rad komparatora u ovisnosti o referentnom naponu i

PWM signalu, prikazana simulacija potvrđuje rad komparatora opisanu u

jednom od prethodnih poglavlja. Napon na kondenzatoru se podiže na

vrijednost 3 puta veću od ulaznog napona i vidimo da dolazi do pražnjenja i

punjenja kondenzatora.

Slika 31 Rad komparatora

26

Slika 32 Izlaz iz podizača napona

27

5.3. Izvor referentnog napona 9.9 V

Stabilni napon ovisi samo o spojenim otpornima izvan sklopa i ovisnost

izlaznog napona o omjeru priključenih otpora i referentnom naponu koji iznosi

0.2 V. Ovisnos je dana jednadžbom :

𝑈 = 0.2 ∗ (1 +𝑅2

𝑅1). (14)

Na grafu je označen napon koji trebamo dobiti i za to potreban omjer otpora.

Slika 33 Ovisnost napona o omjeru otpora

28

5.4. DC-DC pretvornik

Slika 34 prikazuje ovisnost izlaznog napona, odnosno napona na izlazu

transformatora u ovisnosti o radnom ciklusu D te je označena točka gdje je

pokazano koliki mora biti radni ciklus da bi se postiglo 10 V na izlazu.

Slika 34 Graf ovisnosti napona o radnom ciklusu

Slike 35 pokazuje napon koji se mjeri na baterijama i šalje na procesor.

Slika 35 Napon na baterijama

29

Slike 35 prikazuje napon na superkondenzatorima i vidimo da će napon

prelaziti 2.7 V te ćemo zbog toga morati uključivati zaštitne otpornike kako bi

regulirali napone na njima.

Slika 36 Napon na superkondenzatorima

Na slikama 37 i 38 prikazana je struja koju mjerimo na primaru i sekundaru

transformatora i dobiveno je da je zbog prijenosnog koeficijenta (n) na

transformatoru dobivena duplo manja negativna struja na sekundaru.

30

Slika 37 Struja primara transformatora

Slika 38 Struja sekundara transformatora

31

6. Zaključak

Vidjeli smo da projektiranje sklopovlja ima mnogo problema, iziskuje puno

vremena, znanja i vještina. Upoznali smo se sa radom DC-DC pretvornika,

podizača napona, upoznali poluvodičke komponente. DC-DC pretvornik za

baterijsko-superskondenzatorski spremnik imao bi primjenu u električnim

vozilima poput električnih automobila i bicikala. Za primjer uzmimo kako se

automobil vozi autocestom i želi naglo ubrzati i preteči drugi automobil.

Pretvornik bi tada svu snagu koja je pohranjena na superkondenzatorima

prenio na trošilo, odnosno motor i vozač bi mogao u sekundi ubrzati i preteči

automobil. U suprotnom recimo da se vozimo niz padinu i konstantno

kočimo, sva snaga s motora se prenosi na naš sklop i tako on prima energiju

koja nam može poslužiti za punjenje baterija. Razvoj elektronike je sve brži i

brži i treba biti u toku s vremenom stoga primjena ovakvog sklopovlja bi imala

korisnu primjenu u automobilskoj industriji, ne samo u automobilskoj nego

bilo kojoj grani gdje se prenosi velika količina energije.

32

7. Literatura

[1] Butković Ž., Divković Pukšec J., Barić A. : Elektronika 1, Zagreb,

2006.

[2] Šujansky N. : Seminarski rad : Superkondenzatori, Zagreb, 2014.

[3] Litij-ionska baterija : https://hr.wikipedia.org/wiki/Litij-ionska_baterija

[4] Litij-ionska baterija : http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/view/597042/PANASONICBATTERY/NCR18650A.html

[5] Elektrolitski kondenzatori :

http://resonator1.blogspot.hr/2013/07/elektrolitski-kondenzator.html

[6] Superkondenzatori :

https://www.fer.hr/_download/forum/Superkondenzatori.pdf

[7] Podizač napona ( charge pump) :

https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump

[8] Dioda : https://hr.wikipedia.org/wiki/Dioda

[9] Magjarević R., Stare Z., Cifrek M., Džapo H., Ivančić M., Lacković I., :

Projektiranje tiskanih veza, Zagreb, 2009.

33

8. Sažetak/summary

Potrebno je razviti elektronički pretvornik koji će povezivati bateriju i slog

superkondenzatora. Specifični kapacitet snage superkondenzatora je puno

veći, a energetski kapacitet manji od baterijskog. Elektronički pretvornik mora

povezivati dva sustava na način da se energija može prenositi u oba smjera.

Potrebno je osigurati punjenje i pražnjenje pojedinih sustava. Koristili smo

DC-DC pretvornik za podizanje napona s transformatorom kao glavnim

podizačem napona. Koristili smo MOSFET sklopke i komparatore s

histerezom za reguliranje napona na pojedinim sustavima. Simulacije smo

proveli u programskom alatu MATLAB. Tiskanu pločicu smo izrađivali

fotopostupkom i koristili smo programski alat Altium Designer za izradu

sheme i slojeva tiskane pločice.

It is necessary to develop an electronic transducer that will connect the

battery and the plug of the supercapacitors. The specific capacitance power

of the supercapacitors is much higher and the energy capacity is smaller than

the battery. An electronic converter must connect two systems in such a way

that energy can be transmitted in both directions. It is necessary to provide

charging and discharging of individual systems. We used a DC-DC

transformer voltage transformer as the main voltage booster. We used

MOSFET switches and hysteresis comparators to regulate the voltage on

some systems. Simulations were performed in MATLAB software. We

created a printed tile with a photocopy and we use Altium Designer software

to create PCB.

34

9. Privitak