Superkondensator jako zapasowe źródło zasilania

W przypadku braku zastosowania jakichkolwiek środków ochronnych odłączenie źródła zasilania systemu powoduje nagłe zatrzymanie jego pracy, bez możliwości dalszej kontroli tego zachowania. Nie da się przewidzieć momentu wyłączenia ani stanu, w jakim system będzie się wtedy znajdował. Rodzi to wiele potencjalnych niebezpieczeństw, np. utraty krytycznych danych, które nie zdążyły zostać uprzednio zapisane na nieulotnym nośniku.

Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu jest wykorzystanie zapasowego źródła zasilania w postaci superkondensatora. Pozwala to przedłużyć pracę systemu o czas potrzebny na przeprowadzenie bezpiecznego i kontrolowanego procesu wyłączenia, nie zwiększając przy tym znacząco rozmiarów oraz kosztów całego układu.

Charakterystyka superkondensatora

Superkondensator (czasami określany również jako ultrakondensator) jest specyficznym rodzajem kondensatora elektrolitycznego, charakteryzującym się znacznie wyższą pojemnością w porównaniu do klasycznych kondensatorów. Pod względem charakterystyki oraz funkcjonalności superkondensatory sytuują się pomiędzy klasycznymi kondensatorami oraz akumulatorami Li-Ion. Zależnie od sposobu konstrukcji wyróżnia się kilka typów superkondensatorów, wszystkie one cechują się jednak, oprócz wspomnianej już wysokiej pojemności, dużą gęstością energii, zdolnością do szybkiego ładowania oraz niską zastępczą rezystancją szeregową (ESR). Niewątpliwą wadą superkondensatorów jest niski zakres napięć pracy, nieprzekraczający zazwyczaj 3,3 V. W tabeli 1 przedstawiono porównanie podstawowych parametrów klasycznego kondensatora tantalowego, superkondensatora oraz baterii Li-Ion.

Szczególnie ważnym parametrem jest gęstość energii, która przekłada się na ilość energii, jaka może zostać zgromadzona w elemencie o określonej masie. Superkondensator może zgromadzić ponaddziesięciokrotnie więcej energii niż klasyczny kondensator o tych samych wymiarach, dzięki czemu może zostać efektywniej wykorzystany jako zapasowe źródło zdolne zasilić układ przez krótki okres. Superkondensatory gromadzą energię o wiele mniej skutecznie od akumulatorów Li-Ion (kilkunastokrotnie niższa gęstość energii), są jednak zdolne do znacznie szybszej jej wymiany – charakteryzują się dużo wyższą gęstością mocy. Dzięki temu proces ładowania superkondensatora może trwać do kilku sekund, zaś podczas pracy możliwe jest osiągnięcie bardzo dużych wartości natężenia prądu. Dzieje się tak, ponieważ w superkondensatorze, podobnie jak w zwykłym kondensatorze, energia gromadzona jest w postaci pola elektrostatycznego, nie zaś w postaci wiązań elektrochemicznych, jak w przypadku baterii.

Dzięki swoim cechom superkondensatory znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, m.in. w elektronice użytkowej, motoryzacji oraz energetyce. Stanowią główny element montowanych w pojazdach układów odzyskiwania energii podczas hamowania, zaś w generatorach wiatrowych i solarnych wykorzystywane są do stabilizacji napięcia wyjściowego. Można je również spotkać w aparatach fotograficznych, gdzie funkcjonują jako źródło zasilania lamp błyskowych. Superkondensatory pod względem funkcjonalnym mogą być elektronicznym odpowiednikiem koła zamachowego, czyli urządzenia wykorzystywanego w mechanice do krótkotrwałego magazynowania energii.

Superkondensator jako zapasowe źródło zasilania

Superkondensator może odgrywać również rolę zapasowego źródła energii, zdolnego przez krótki czas podtrzymać pracę układu podczas awarii lub zaniku głównego źródła zasilania. Tego typu rozwiązanie znajduje zastosowanie głównie w urządzeniach zasilanych bateryjnie, gdzie pozwala uchronić system przed skutkami nagłego wyciągnięcia lub utraty baterii. Przykład takiej aplikacji pokazano na rysunku 1.

 

Rys. 1. Po wyjęciu baterii superkondensator jest w stanie podtrzymać pracę układu przez krótki czas

Wartość uzyskanego w taki sposób dodatkowego czasu pracy zależy od wielu czynników, przede wszystkim od mocy pobieranej przez układ oraz pojemności superkondensatora. Głównym zadaniem projektanta jest taki dobór parametrów, aby możliwe było bezpieczne wyłączenie urządzenia, przy jednoczesnych jak najmniejszych wymiarach dodatkowego układu zapasowego zasilania.

Na rysunku 2 przedstawiono ogólny przebieg napięcia zasilania układu z rysunku 1 w funkcji czasu. Po włożeniu baterii superkondensator bardzo szybko gromadzi energię w procesie ładowania, zaś napięcie na jego okładkach stabilizuje się na poziomie równym napięciu baterii (V_BAT=V_SC). Podczas pracy bateryjnej superkondensator pozostaje w stanie bezczynności i zerowego natężenia prądu I_SC. Po wyjęciu baterii superkondensator staje się źródłem zasilania, wypływający z niego prądu I_{SC_SYS} zasila układ, zaś napięcie na okładkach maleje liniowo wraz ze spadkiem zgromadzonej w elemencie energii. Gdy napięcie na superkondensatorze spadnie poniżej minimalnej dopuszczalnej dla układu wartości, system wyłącza się.

 

Rys. 2. Superkondensator ładuje się po podłączeniu baterii, oddając zmagazynowaną w ten sposób energię po jej usunięciu

Przedstawione rozwiązanie może pozwolić na bezpieczne wyłączenie systemu, ma jednak kilka znaczących ograniczeń. Znaczna część energii zgromadzonej w kondensatorze pozostaje niewykorzystana w związku ze spadkiem napięcia poniżej minimalnej dopuszczalnej wartości systemu, która dla większości układów cyfrowych określana jest w zakresie od 3 do ok. 2 V. Problemem może być ponadto niska maksymalna wartość napięcia superkondensatora, dla obecnie produkowanych układów wynosząca zazwyczaj poniżej 4 V. Przykładowo, jeśli napięcie zasilania systemu V_BAT (czyli nominalne napięcie pracy baterii i kondensatora) wynosi 3,3 V, zaś minimalne napięcie V_SYS(MIN) wynosi 2,7 V, w superkondensatorze pozostaje w momencie wyłączenia układu niewykorzystane ok. 66% całkowitej zgromadzonej energii.

Szeregowe łączenie superkondensatorów

W związku z niską wartością napięcia pracy, w przypadku znacznej części produkowanych modeli nieprzekraczającą 3 V, superkondensatory mogą być niekiedy łączone szeregowo. Przykładowo, szeregowe połączenie dwóch superkondensatorów o napięciu 2,7 V pozwala osiągnąć napięcie zasilania 5,4 V. Dla takiego połączenia maleje jednak pojemność układu – w przypadku łączenia elementów o identycznej pojemności wypadkowa pojemność będzie równa połowie nominalnej pojemności pojedynczego superkondensatora C_SC=(C₁×C₂)/ (C₁+C₂). Aby zatem osiągnąć wymaganą w projekcie wartość pojemności, konieczne jest zastosowanie dwukrotnie pojemniejszych, więc również większych superkondensatorów. Szeregowe połączenie dwóch kondensatorów spowoduje w sumie ponadczterokrotny wzrost wymiarów układu zapasowego zasilania – zamiast pojedynczego elementu konieczne będzie zastosowanie dwóch około dwukrotnie większych.

Efektywniejsze wykorzystanie superkondensatora

Jak pokazano, szeregowe łączenie superkondensatorów może pozwolić na uzyskanie wyższych napięć pracy, znacząco jednak zwiększa wymiary i koszty całego układu, przez co nie jest zbyt efektywnym rozwiązaniem.

 

Rys. 3. Dodanie konwertera napięcia powoduje, że praca systemu nie jest już bezpośrednio zależna od napięcia na superkondensatorze

 

Rys. 4. Dzięki konwerterowi napięcia system może być zasilany nawet w sytuacji, gdy napięcie na superkondensatorze spadnie poniżej minimalnej dopuszczanej dla systemu wartości

Skuteczniejszym sposobem na lepsze wykorzystanie energii zgromadzonej w kondensatorze może być zastosowanie przetwornicy napięcia, tak jak pokazano na rysunku 3. Pozwala to wyeliminować część kłopotów związanych z niskim napięciem pracy superkondensatora. Przetwornica konwertuje napięcie kondensatora na stałą wyższą wartość, wystarczającą do zasilania urządzenia. W takiej konfiguracji napięcie zasilania układu nie jest już bezpośrednio zależne od napięcia wyjściowego na kondensatorze, zaś czynnikiem ograniczającym możliwość dalszej pracy staje się minimalna dozwolona wartość napięcia wejściowego przetwornicy, będąca zazwyczaj znacząco niższa od minimalnej dozwolonej wartości napięcia zasilania systemu. Na rysunku 4 przedstawiono zależności czasowe układu z rysunku 3. Po wyciągnięciu baterii układ zasilany jest napięciem wyjściowym przetwornicy i nie odczuwa liniowego spadku napięcia na kondensatorze. Zasilanie jest obecne do momentu spadku napięcia na kondensatorze poniżej minimalnej dopuszczalnej wartości napięcia wejściowego przetwornicy. Czas pracy układu na zasilaniu awaryjnym można oszacować, korzystając z poniższego równania:

gdzie: Eff jest współczynnikiem sprawności przetwornicy, C_SC to pojemność superkondensatora, V_{SC_INI} to początkowe napięcie na superkondensatorze, V_{SC_FIN} to minimalne dopuszczalne napięcie wejściowe przetwornicy, V_SYS to napięcie zasilania systemu (napięcie wyjściowe przetwornicy) oraz I_{SC_SYS} to prąd zasilania. Przykładowo, dla wartości przedstawionych na rysunku 4 (C_SC = 2,3 mF, V_{SC_INI} = 2,7 V, V_{SC_FIN} = 1,5 V, V_SYS = 3 V, I_{SC_SYS} = 500 mA), przy założeniu, że konwersja napięcia odbywa się bezstratnie (Eff =1), czas pracy na zasilaniu zapasowym powinien wynieść ok. 3,8 ms. W rzeczywistości byłby on zapewne bardziej zbliżony do 3 ms, w związku z występowaniem niezerowej rezystancji szeregowej superkondensatora oraz strat konwersji (Eff <1). Warto ponadto zauważyć, że przy takiej konfiguracji do zapasowego zasilania układu wykorzystywane jest ok. 70% całkowitej energii zgromadzonej w superkondensatorze.

Wybór odpowiedniego superkondensatora

Podczas poszukiwań najbardziej odpowiedniego superkondensatora należy zwrócić uwagę na kilka parametrów, zarówno dotyczących samego elementu, jak i całego systemu. Najważniejsze parametry superkondensatora to napięcie pracy (V_SC) oraz pojemność (C_SC). Do najważniejszych cech systemu zaliczyć można moc zasilania (V_SYS×I_SYS), minimalne dopuszczalne napięcie wejściowe przetwornicy (V_SC(MIN)), sprawność konwersji napięcia (Eff ) oraz minimalny czas wymagany do przeprowadzenia bezpiecznego zamknięcia systemu (t_BKUP). Wszystkie te czynniki determinują minimalną wartość pojemności superkondensatora, która może zostać wyliczona za pomocą przekształconej wersji przedstawionego już wcześniej równania:

Podsumowanie

Superkondensator jest niekiedy błędnie traktowany jako bezpośredni zamiennik baterii pozwalający na długoterminowe zasilanie układu lub jako specyficzny rodzaj klasycznego kondensatora, mogący znaleźć zastosowanie np. przy filtracji sygnału. Główną rolą superkondensatora pozostaje jednak krótkookresowe przechowywanie energii i zdolność jej szybkiej wymiany za pomocą ładowania oraz rozładowywania. Właśnie tę cechę wykorzystać można do konstrukcji zapasowego układu zasilania, zdolnego podtrzymać pracę układu na czas wystarczający do przeprowadzenia bezpiecznego i kontrolowanego procesu wyłączenia urządzenia. Aby zwiększyć efektywność tego rozwiązania i skuteczniej wykorzystać energię zgromadzoną w superkondensatorze, możliwe jest zastosowanie układu konwersji napięcia pomiędzy superkondensatorem a zasilanym układem. Na rynku dostępne są ponadto specjalizowane układy scalone służące do zarządzania pracą superkondensatora w układzie zapasowego zasilania, co może uprościć i przyspieszyć proces projektowania.

Damian Tomaszewski