Cum se utilizează un singur supercondensator ca alimentare de rezervă pentru o sursă de 5 volți

Cândva limitate la dispozitivele esențiale, soluțiile de alimentare de rezervă sunt acum solicitate pentru o gamă largă de aplicații electronice legate de produsele finale industriale, comerciale și de consum. Deși există mai multe opțiuni, supercondensatorul oferă soluția cea mai compactă și cu cea mai mare densitate de energie, ca un rezervor de energie pentru situațiile în care alimentarea principală este întreruptă. De exemplu, atunci când există o pană de curent sau când se schimbă bateriile.

Cu toate acestea, supercondensatoarele introduc provocări de proiectare, deoarece fiecare dispozitiv poate furniza doar până la 2,7 volți. Acest lucru înseamnă că sunt necesare mai multe supercondensatoare – fiecare cu echilibrarea celulelor asociate și convertoare de tensiune de creștere (ridicare) sau descreștere (coborâre) – pentru a furniza energie regulată la o linie de alimentare de 5 volți. Rezultatul este un circuit complex și nuanțat, care este relativ costisitor și ocupă un spațiu excesiv pe placă.

Acest articol compară bateriile cu supercondensatoarele și explică de ce acestea din urmă oferă mai multe avantaje tehnice pentru aplicațiile electronice compacte de joasă tensiune. Articolul explică apoi cum se poate proiecta o soluție simplă și elegantă pentru a alimenta o șină de 5 volți folosind doar un singur condensator combinat cu un convertor de tensiune reversibil de coborâre/ridicare.

Baterii versus supercondensatoare

Alimentarea neîntreruptă cu energie electrică a devenit un element esențial pentru o experiență satisfăcătoare a utilizatorilor dispozitivelor electronice moderne. Fără o alimentare constantă cu energie electrică, produsele electronice nu numai că nu mai funcționează, dar pot pierde și informații vitale. De exemplu, un PC conectat la rețeaua electrică va pierde datele stocate în memoria RAM volatilă în cazul unei întreruperi. Sau o pompă de insulină ar putea pierde citirile importante ale glicemiei din memoria volatilă în timpul înlocuirii bateriei.

O modalitate de prevenire a acestui lucru este de a încorpora o baterie de rezervă care stochează energie ce poate fi eliberată în cazul în care sursa principală de energie se întrerupe. Bateriile cu ioni de litiu (Li-ion) reprezintă o tehnologie matură și oferă o densitate energetică foarte bună, permițând unui dispozitiv relativ compact să ofere energie de rezervă pentru perioade lungi de timp.

Dar, indiferent de chimia de bază, toate bateriile au caracteristici distincte care pot fi problematice în anumite circumstanțe. De exemplu, acestea sunt relativ grele, necesită un timp relativ lung pentru a se reîncărca (ceea ce ar putea fi o problemă în cazul unor întreruperi frecvente de energie electrică), celulele pot fi reîncărcate doar de un număr limitat de ori (ceea ce crește costurile de întreținere), iar substanțele chimice din care sunt fabricate pot prezenta riscuri pentru siguranță și mediu.

O soluție alternativă pentru energia de rezervă este supercondensatorul, cunoscut și sub numele de ultracondensator. Un supercondensator este cunoscut din punct de vedere tehnic sub denumirea de condensator electric cu dublu strat (EDLC). Dispozitivul este construit folosind electrozi de carbon simetrici, stabili din punct de vedere electrochimic, pozitivi și negativi. Aceștia sunt separați cu un separator izolator permeabil la ioni, încorporat într-un recipient umplut cu un electrolit de sare organică/solvent. Electrolitul este conceput pentru a maximiza conductivitatea ionică și umezirea electrodului. Combinația dintre electrozii de carbon activat cu suprafață mare și separarea extrem de mică a sarcinilor rezultă într-o capacitate mult mai mare a unui supercondensator, în comparație cu cea a condensatoarelor convenționale (Figura 1).

Figura 1: un supercondensator utilizează electrozi de carbon pozitivi și negativi simetrici, separați de un separator izolator permeabil la ioni, imersat într-un electrolit. Combinația dintre electrozii cu suprafață mare și separarea extrem de mică a sarcinilor rezultă într-o capacitate ridicată. (Sursa imaginii: Maxwell Technologies)

Sarcina este stocată în mod electrostatic prin adsorbția reversibilă a electrolitului pe electrozii de carbon cu suprafață mare. Separarea sarcinilor are loc la polarizarea de la interfața electrod/electrolit, producând dublul strat eponim. Acest mecanism are un grad foarte ridicat de reversibilitate, permițând încărcarea și descărcarea supercondensatorului de sute de mii de ori, deși există o anumită scădere a capacității în timp.

Datorită faptului că se bazează pe mecanismul electrostatic de stocare a energiei, performanța electrică a supercondensatoarelor este mai previzibilă decât cea a bateriilor, iar materialele de construcție le fac mai fiabile și mai puțin vulnerabile la schimbările de temperatură. În ceea ce privește siguranța, supercondensatoarele includ mai puține materiale volatile decât bateriile și pot fi descărcate complet pentru a fi transportate în siguranță.

Un alt avantaj este faptul că, în comparație cu bateriile secundare, supercondensatoarele se reîncarcă mult mai repede – astfel că, dacă se pierde din nou energia electrică la scurt timp după prima defecțiune, energia de rezervă este disponibilă imediat – și nu se pot supraîncărca. De asemenea, supercondensatoarele pot tolera mult mai multe cicluri de încărcare, reducând astfel costurile de întreținere.

În plus, supercondensatoarele oferă o densitate de putere mult mai mare decât bateriile (o măsură a cantității de energie care poate fi stocată sau furnizată în unitatea de timp). Acest lucru nu numai că asigură o încărcare rapidă, dar permite și producția de rafale de curent ridicat, dacă este necesar, permițând utilizarea lor ca energie de rezervă în mai multe aplicații (Figura 2). În plus, supercondensatoarele au o rezistență efectivă în serie (ESR) mult mai mică decât bateriile. Acest lucru le permite să furnizeze energie într-un mod mai eficient, fără pericol de supraîncălzire. Eficacitatea de conversie a energiei electrice a supercondensatoarelor este de peste 98%.

Figura 2: bateriile reîncărcabile pot furniza energie pentru perioade lungi de timp la curenți modești, dar au nevoie de mult timp pentru a se reîncărca. În schimb, supercondensatoarele (sau ultracondensatoarele) se descarcă rapid cu un curent ridicat, dar se și reîncarcă rapid. (Sursa imaginii: Maxwell Technologies)

Principalul dezavantaj al supercondensatoarelor este densitatea energetică relativ scăzută a acestora (o măsură a cantității de energie stocată per unitatea de volum) în comparație cu bateriile reîncărcabile. Tehnologia actuală permite unei baterii Li-ion să stocheze de douăzeci de ori mai multă energie decât un supercondensator de același volum. Decalajul se reduce pe măsură ce noi materiale îmbunătățesc supercondensatoarele, dar este probabil să rămână semnificativ pentru mulți ani. Un alt dezavantaj semnificativ al supercondensatoarelor este costul relativ ridicat în comparație cu cel al bateriilor Li-ion.

Considerente legate de proiectare pentru supercondensatoare

În cazul în care un produs electronic se bazează pe un supercondensator pentru energie de rezervă, este vital ca proiectantul să înțeleagă cum să selecteze cea mai bună componentă pentru stocarea și furnizarea fiabilă a energiei și pentru o durată de viață lungă.

Unul dintre primele lucruri pe care trebuie să le verificați în fișa tehnică este efectul temperaturii asupra capacității și rezistenței. Este o bună practică de proiectare să se selecteze un dispozitiv care prezintă foarte puține modificări în intervalul de temperatură de funcționare prevăzut pentru produsul final, astfel încât, dacă este necesară o alimentare de rezervă, tensiunea furnizată să fie stabilă, iar energia să fie furnizată în mod eficient.

Durata de viață a supercondensatorului este determinată în mare măsură de efectul combinat al tensiunii de funcționare și al temperaturii (Figura 3). Supercondensatorul are rareori defecțiuni catastrofale. În schimb, capacitatea și rezistența sa internă se modifică în timp și își diminuează treptat performanțele până când componenta nu mai este capabilă să îndeplinească specificațiile produsului final. De obicei, scăderea performanței este mai mare la începutul duratei de viață a produsului final și se reduce pe măsură ce produsul final îmbătrânește.

Figura 3: temperaturile mai ridicate și tensiunile aplicate pot scurta durata de viață a supercondensatorului. (Sursa imaginii: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, modificat de autor)

Atunci când este utilizat într-o aplicație de alimentare de rezervă, supercondensatorul va fi menținut la tensiunea de lucru pentru perioade lungi de timp, fiind solicitat doar foarte ocazional pentru a-și descărca energia stocată. Acest lucru va afecta, în cele din urmă, performanța. Fișa tehnică va indica scăderea capacității în timp pentru tensiuni de funcționare tipice și la diferite temperaturi. De exemplu, se pot înregistra o reducere de 15% a capacității și o creștere de 40% a rezistenței interne pentru un supercondensator menținut la 2,5 volți timp de 88.000 de ore (10 ani) la 25 ˚C. O astfel de scădere a performanței ar trebui să fie luată în considerare când se proiectează dispozitive de rezervă pentru produsele finale cu durată de viață lungă.

Constanta de timp pentru un condensator este timpul necesar pentru ca dispozitivul să ajungă la 63,2% din încărcarea completă sau să se descarce la 36,8% din încărcarea completă. Constanta de timp a unui supercondensator este de aproximativ o secundă; aceasta este mult mai scurtă decât cea a unui condensator electrolitic. Din cauza acestei constante de timp scurte, proiectantul trebuie să se asigure că supercondensatorul de rezervă nu este expus la un curent de ondulație continuu, deoarece se pot produce daune.

Supercondensatoarele pot funcționa între 0 volți și capacitatea lor nominală maximă. În timp ce utilizarea eficientă a energiei disponibile și a stocării de putere a supercondensatorului are loc atunci când acesta funcționează în cea mai largă gamă de tensiuni, majoritatea componentelor electronice au un prag minim de tensiune. Această cerință minimă de tensiune limitează cantitatea de energie care poate fi extrasă din condensator.

De exemplu, energia stocată în condensator este E = ½CV². Din această relație, se poate calcula că aproximativ 75% din energia disponibilă este accesibilă dacă sistemul funcționează la jumătate din tensiunea nominală a condensatorului (de exemplu, de la 2,7 la 1,35 volți).

Provocări de proiectare la utilizarea mai multor supercondensatoare

În timp ce avantajele supercondensatoarelor le fac potrivite pentru furnizarea de energie de rezervă pentru o gamă largă de produse electronice, proiectantul trebuie să fie atent la provocările de proiectare pe care le introduc. Implementarea unui circuit de alimentare de rezervă poate fi o sarcină semnificativă pentru un inginer neexperimentat. Principala complexitate constă în faptul că supercondensatoarele comerciale au o putere nominală de aproximativ 2,7 volți, astfel încât, pentru a alimenta o șină de alimentare tipică de 5 volți, trebuie utilizate două supercondensatoare în serie (Figura 4).

Figura 4: supercondensatoarele comerciale au o putere nominală de aproximativ 2,7 volți, astfel încât, pentru a alimenta o șină de alimentare tipică de 5 volți, trebuie utilizate două supercondensatoare în serie, ceea ce complică procesul de proiectare. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Deși este o soluție de lucru satisfăcătoare, aceasta implică costuri și complexitate suplimentare din cauza necesității de echilibrare activă sau pasivă a celulelor. Din cauza toleranțelor de capacitate, a diferiților curenți de scurgere și a diferitelor ESR-uri, tensiunea pe două sau mai multe condensatoare nominal identice și complet încărcate poate fi diferită. Acest dezechilibru de tensiune determină un supercondensator dintr-un circuit de rezervă să furnizeze o tensiune mai mare decât celălalt. Pe măsură ce temperatura crește și/sau supercondensatoarele îmbătrânesc, acest dezechilibru de tensiune poate crește până la punctul în care tensiunea dintr-un supercondensator depășește pragul nominal al dispozitivului respectiv și afectează durata de viață operațională.

Echilibrarea celulelor în aplicațiile cu ciclu de funcționare redus se realizează, de obicei, prin plasarea unui rezistor de bypass în paralel cu fiecare celulă. Valoarea rezistorului se alege astfel încât să permită ca orice flux de curent să domine curentul total de scurgere al supercondensatorului. Această tehnică garantează în mod eficient că orice variație a rezistenței paralele echivalente între supercondensatoare este neglijabilă. De exemplu, dacă supercondensatoarele din circuitul de rezervă au un curent mediu de scurgere de 10 microamperi (μA), un rezistor de 1% va permite un bypass de curent de 100 μA, crescând curentul mediu de scurgere la 110 μA. În acest fel, rezistorul reduce efectiv variația curentului de scurgere între supercondensatoare de la zeci de procente la doar câteva procente.

Având toate rezistențele paralele potrivite suficient, orice supercondensator cu tensiuni mai mari se va descărca prin rezistența sa paralelă la o rată mai mare decât supercondensatoarele cu tensiuni mai mici. Acest lucru distribuie tensiunea totală în mod egal pe întreaga serie de supercondensatoare. Pentru aplicațiile de mare putere, este necesară o echilibrare mai sofisticată a supercondensatoarelor.

Utilizarea unui singur supercondensator pentru o alimentare de 5 volți

Circuitul de alimentare de rezervă ar putea fi mai puțin complex și ar putea ocupa mai puțin spațiu dacă se utilizează un singur supercondensator în loc de două sau mai multe. Un astfel de aranjament elimină nevoia de echilibrare a supercondensatorului. Cu toate acestea, ieșirea de 2,7 volți de la un singur dispozitiv trebuie să fie mărită cu ajutorul unui regulator de tensiune de ridicare, creând o tensiune suficientă pentru a depăși căderea de tensiune pe o diodă și a furniza 5 volți în sistem. Supercondensatorul este încărcat de un dispozitiv de încărcare și se descarcă prin intermediul convertorului de ridicare atunci când este necesar. Diodele permit alimentarea sistemului fie de la sursa de energie principală, fie de la supercondensator (Figura 5).

Figura 5: utilizarea unui singur supercondensator într-un circuit de alimentare de rezervă elimină necesitatea echilibrării celulelor, dar necesită un regulator de creștere pentru a amplifica tensiunea de ieșire a supercondensatorului. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

O soluție mai elegantă este utilizarea unui singur condensator completat de un convertor de tensiune specializat, cum ar fi regulatorul de tensiune reversibil de coborâre-ridicare MAX38888 sau MAX38889 de la Maxim Integrated. Primul oferă o ieșire de la 2,5 volți la 5 volți și până la 2,5 amperi (A), în timp ce al doilea este un dispozitiv de ieșire de la 2,5 volți la 5,5 volți și 3 A (Figura 6).

Figura 6: atunci când sunt utilizate într-un circuit de alimentare de rezervă cu supercondensatoare, regulatoarele reversibile MAX38889 (sau MAX38888) elimină necesitatea unor dispozitive și diode de încărcare și de ridicare separate. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

MAX38889 este un regulator de rezervă flexibil pentru condensatorul de stocare sau pentru bancul de condensatoare pentru transferul eficient de energie între supercondensatoare și o șină de alimentare a sistemului. Atunci când alimentarea principală este prezentă și tensiunea acesteia este peste pragul minim al tensiunii de alimentare a sistemului, regulatorul funcționează în modul de încărcare și încarcă supercondensatorul cu un curent de inducție maxim cu un vârf de 3 A, medie de 1,5 A. Supercondensatorul trebuie să fie încărcat complet pentru a permite funcționarea de rezervă. Odată ce supercondensatorul este încărcat, circuitul consumă doar 4 μA de curent, menținând în același timp componenta în stare pregătită.

Atunci când alimentarea principală este întreruptă, regulatorul împiedică sistemul să scadă sub tensiunea de funcționare de rezervă stabilită a sistemului, prin creșterea tensiunii supercondensatorului la tensiunea de sistem necesară la un curent de vârf programat al inductorului, până la un maxim de 3 A. Regulatorul reversibil poate funcționa până la o tensiune de alimentare a supercondensatorului de numai 0,5 volți, maximizând utilizarea energiei stocate.

Durata de rezervă depinde de rezerva de energie a supercondensatorului și de consumul de energie al sistemului. Caracteristicile produselor Maxim Integrated permit obținerea unei energii de rezervă maxime de la un singur supercondensator de 2,7 volți, reducând în același timp numărul de componente ale circuitului prin eliminarea necesității de utilizare a dispozitivelor de încărcare și de amplificare separate și a diodelor.

Concluzie

Supercondensatoarele oferă mai multe avantaje față de bateriile secundare pentru alimentarea de rezervă în anumite aplicații, cum ar fi cele care necesită schimbarea frecventă a bateriilor. În comparație cu bateriile reîncărcabile, supercondensatoarele se încarcă mai repede, pot fi pornite și oprite de mai multe ori și oferă o densitate de putere mult mai mare. Cu toate acestea, ieșirea lor maximă de 2,7 volți introduce unele provocări de proiectare atunci când se caută o rezervă pentru o sursă de alimentare tipică de 5 volți.

După cum s-a arătat, regulatoarele de tensiune reversibile de coborâre/ridicare a tensiunii oferă o soluție elegantă, permițând unui singur supercondensator să alimenteze o linie de 5 volți, reducând la minimum spațiul și numărul de componente necesare.