Superkondensatory chronią węzły IoT przed utratą zasilania

Jednym z najpopularniejszych sposobów podtrzymania zasilania w aplikacjach małej mocy przez krótki czas są baterie (jednorazowe lub akumulatory). Niestety mają one ograniczoną żywotność i w całym okresie eksploatacji urządzenia tworzą dość duży koszt. Gdy planowany czas eksploatacji jest długi, zamiast nich można zastosować superkondensatory – specjalny typ kondensatorów elektrolitycznych o dużej wartości pojemności znamionowej, rzędu 1 F lub większej. W artykule omówiono znaczenie ciągłości zasilania aplikacji IoT i IIoT, na których działają krytyczne procesy. Pokazano też, jak za pomocą superkondensatorów można zapewnić ochronę przed spadkami napięcia.

Węzły IoT w domowej sieci energetycznej

Zakłady przemysłowe, w których realizowane są krytyczne procesy, często mają na wyposażeniu zapasowe agregaty prądotwórcze utrzymujące ciągłość zasilania w wypadku awarii zasilania. Nadmiarowość w zasobach urządzeń infrastruktury kontrolno-pomiarowej, generatory i UPS-y zapewniają ciągłe utrzymanie zasilania, z wyjątkiem skrajnych przypadków przedłużających się przerw w zasilaniu przez wiele godzin. Gdy dostępność zasilania jest kluczowa, fabryki mogą nawet mieć własną linię zasilającą z głównej sieci energetycznej lub przyłącza do dwóch sieci.

Wiele małych lub niekrytycznych pod względem znaczenia węzłów IoT korzysta z energii pochodzącej z tej samej domowej sieci energetycznej, z której korzystają domy w okolicy, bez wspomagani się drogimi systemami zasilania awaryjnego. W zależności od przypadku, awaria lub chwilowa utrata zasilania może zresetować takie systemy, wyłączyć je oraz spowodować utratę danych i spadek wydajności.

Jest wiele opcji zapobiegania takiej utracie danych i kontroli. Generatory zapasowe zasilane benzyną lub gazem ziemnym mogą dostarczać energię przez długi czas, ale są drogie i kosztowne w eksploatacji. Poza materiałami wymagają okresowej konserwacji i testowania. Te dodatkowe koszty i robocizna powodują, że są one niepraktyczne do podtrzymania sieci małej mocy.

Na drugim biegunie plasują się chemiczne magazyny energii. Wykorzystują one zwykle akumulatory kwasowo-ołowiowe i są niezawodnym sposobem na zapewnienie zasilania awaryjnego przez krótki czas. Jednak akumulatory wymagają regularnych kontroli i testów ich kondycji (starzenia). Ogniwa kwasowoołowiowe mają ograniczoną żywotność i dlatego wymagają regularnej wymiany, co zwiększa koszty. Aby dodatkowo skomplikować konserwację, akumulatory kwasowo-ołowiowe w akumulatorowych jednostkach rezerwowych czasami nie ulegają przewidywalnym awariom i mogą ulec awarii wkrótce po aktywacji podczas przerwy w zasilaniu lub niedługo po zakupie (tzw. zjawisko przedwczesnej utraty pojemności).

Zarówno generatory zapasowe, jak i jednostki awaryjne są nieporęczne i wymagają dodatkowego miejsca. W przypadku sieci IoT wdrożenie tych rozwiązań może być niepraktyczne lub niemożliwe. Stąd typową opcją jest umieszczenie małej baterii zapasowej (jednorazowej lub akumulatora) w węźle IoT. Jest to niedroga opcja w porównaniu do całej reszty. Akumulator litowo- jonowy (Li-Ion) zajmuje mało miejsca i wymaga ograniczonej konserwacji. Jednak takie ogniwa mają ograniczoną liczbę cykli pracy – często jest to tylko 500 cykli ładowania/ rozładowania, po których niezbędna staje się okresowa wymiana. Źródła litowo-jonowe mają również bardzo ograniczoną temperaturę pracy. Niskie temperatury zmniejszają pojemność takiego akumulatora, prowadzą do trwałego uszkodzenia, podczas gdy bardzo wysokie temperatury mogą stopniowo uszkadzać akumulator i prowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury a nawet zapłonu. Zamiast tego łatwym i opłacalnym sposobem zapewnienia chwilowego tymczasowego zasilania podczas awarii zasilania lub krótkotrwałej utraty mocy jest umieszczenie superkondensatora w węźle IoT jako zasobnika energii.

Charakterystyka i możliwości superkondensatorów

Superkondensatory to biegunowe kondensatory elektrolityczne o wartości 1 F lub wyższej. Jako kondensatory mogą ładować i rozładowywać się w ciągu kilku sekund, dzięki czemu mogą tworzyć krótkotrwały akumulator dla węzłów IoT. Podczas rozładowania stałym prądem napięcie na zaciskach tego elementu obniża się liniowo w czasie.

Superkondensatory mają praktycznie nieograniczoną żywotność wynoszącą ponad milion cykli, co umożliwia ich ciągłe ładowanie i rozładowywanie bez wpływu na pojemność lub żywotność. W przeciwieństwie do ogniw chemicznych, cykliczne ładowanie ma minimalny wpływ na dielektryk lub elektrody kondensatora. Superkondensatory są stosunkowo odporne na ciepło i zimno i mogą bezpiecznie działać w ekstremalnych temperaturach, które dla odmiany mogłyby uszkodzić baterię litowo-jonową.

Ładowanie superkondensatora jest proste i nie wymaga skomplikowanego obwodu do utrzymania stanu naładowania, ponieważ kondensatorów nie można przeładować. Jednak przyłożenie napięcia wstecznego do spolaryzowanych zacisków lub przyłożenie do okładek napięcia wyższego niż maksymalne znamionowe może skrócić jego żywotność lub go uszkodzić.

Wybór superkondensatora to szereg kompromisów. Oczywiście im większa jego pojemność, tym dłużej będzie w stanie dostarczać energię. Jednak ten wzrost pojemności wiąże się nie tylko ze zwiększonym kosztem, ale także ze znacznym wzrostem rozmiaru aplikacji. Superkondensatory są nieporęcznymi komponentami, a długość i średnica są ważne do uwzględnienia w układzie płytki drukowanej, zwłaszcza jeśli trzeba zrobić miejsce na element o większej pojemności później.

Zwiększenie rozmiaru płytki drukowanej może być niedopuszczalne w IoT, co z góry ogranicza pojemność superkondensatora. Większy element może również zakłócać przepływ powietrza wokół reszty podzespołów, co może utrudniać rozpraszanie ciepła. Są to wszystkie ważne kwestie, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania urządzeń w celu ochrony przed zanikiem zasilania.

W zależności tej: t – czas w sekundach, przez jaki superkondensator może dostarczyć wystarczającą moc do obwodu, C – pojemność w faradach, V_max – napięcie na kondensatorze w początkowym momencie rozładowania, V_min – minimalne napięcie, do którego kondensator może się rozładować, zanim będzie niewystarczające do zasilania obwodu, I_max – maksymalny (w najgorszym przypadku) pobór prądu obwodu w amperach.

Jak wszystkie kondensatory, superkondensatory mają równoważną rezystancję szeregową (ESR), która zmienia się w zależności od temperatury, napięcia na okładkach i poboru prądu. Dla elementów o pojemności powyżej jednego farada ESR jest mniejsza niż 10 mΩ, co sprawia, że wpływ ESR na czas rozładowania jest minimalny.

W celu efektywnego wykorzystania w ochronie przed krótkotrwałym zanikiem zasilania, projektant musi wybrać superkondensator, który może spełnić podane równanie w danej aplikacji. Programiści powinni również przetestować swoje systemy w warunkach symulowanego zaniku energii, aby przetestować rzeczywiste działanie komponentów. Ponieważ kondensator początkowo jest naładowany zwykle do napięcia wyższego niż wymagane napięcie robocze obwodu, zaleca się stosowanie stabilizatora LDO zmniejszającego wahania napięcia na pojemności magazynującej.

Prosta ochrona przed zanikiem napięcia

Aby zapewnić prostą ochronę przed przerwą w zasilaniu, np. taką, która trwa tylko od kilku sekund do około minuty, w węzłach IoT wystarczą małe superkondensatory. Na przykład element produkowany przez AVX Corporation o symbolu SCMR22L105SRBB0 ma pojemność 1 F przy wielkości 8×22×22 mm (rys. 1). Pozwala na użycie w trudnych warunkach środowiskowych i działa w temperaturze od –40 do +65°C, a więc w zakresie wykraczającym poza wartości odpowiednie dla akumulatora litowo-jonowego. Pionowa konstrukcja pomaga zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej.

 

Rys. 1. SCMR22L105SRBB0 to superkondensator AVX Corporation z wyprowadzeniami promieniowymi o wymiarach 8×22×22 mm

Wartość ESR w SCMR22L105SRBB0 wynosi tylko 840 mΩ, co zapewnia bardzo małe straty mocy podczas rozładowywania. Jego maksymalne napięcie ładowania wynosi aż 9 V. Korzystając z równania, można obliczyć czas rozładowania tej pojemności dla prostego węzła IoT biorącego 80 mA przy zasilaniu 3,3 V i użyciu zwykłego zasilacza adapterowego dostarczającego napięcia 9 V do ładowania, przy idealnym stabilizatorze LDO. Taka konfi- guracja pozwala podtrzymać zasilanie przez 71 s w optymalnych warunkach. Tolerancja pojemności wynosi ±30%, zatem w najgorszym przypadku (0,7 F) prąd 80 mA będzie dostarczany przez ok. 50 s. Czas podtrzymania najlepiej szacować dla najgorszego przypadku.

Przy 50-sekundowym podtrzymaniu zasilania kondensator SCMR22L10- 5SRBB0 jest więcej niż wystarczający, aby poradzić sobie ze spadkami mocy w sytuacjach krótko trwających awarii (chwilowych zaników). Podczas umieszczania superkondensatora na PCB ścieżki należy układać tak, jakby były to linie zasilania, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Ponadto koszulka izolacyjna elementu nie powinna stykać się z PCB ani żadnym innym sąsiednim elementem. Inaczej w wysokich temperaturach lub przy naprężeniach mechanicznych może dojść do zwarcia.

 

Rys. 2. Superkondensator firmy Illinois Capacitor o pojemności 400 F ma dwa piny kodujące zapobiegające odwrotnemu montażowi na płytce drukowanej, średnicę 35 mm i długość 60 mm

Do zastosowań, gdzie potrzebna jest większa pojemność, firma Illinois Capacitor proponuje 400-faradowy superkondensator DSF407Q3R0 o napięciu 3,0 V (rys. 2). Ma on średnicę 35 mm i długość 60 mm, a więc jest znacznie większy od poprzednika. Warte zauważenia są dwa piny kodujące pozycję, aby zapobiec odwrotnemu montażowi i złej polaryzacji zasilania.

Niskie napięcie znamionowe 3 V wymusza użycie w systemach niskonapięciowych, ale 400 F zapewnia długi czas podtrzymania. Przy tolerancji ±30% w najgorszym przypadku do dyspozycji zostaje 280 F. Dla systemu 2,7 V pobierającego 350 mA, zgodnie z równaniem 1, naładowanie kondensatora do jego wartości znamionowej 3,0 V daje 343 s podtrzymania przy 400 F i 240 s przy 280 F. Oczywiście ważna jest weryfikacja tych szacunków testów w rzeczywistym obwodzie, co związane jest z nieidealnością stabilizatora LDO.

Kondensator może się nagrzewać, dlatego ważne jest, aby zapewnić odpowiednią odległość od innych elementów. W górnej części obudowy jest też odpowietrznik i nad nim też musi być odpowiedni odstęp.

Podsumowanie

Superkondensatory doskonale nadają się do podtrzymania zasilania w czasie krótkich zaników dopływu energii w aplikacjach małej mocy. Mają one znaczące zalety w stosunku do akumulatorów Li-Ion, w tym praktycznie nieograniczoną żywotność oraz dużą wydajność i niezawodność. Właściwe użycie superkondensatorów w węzłach IoT i IIoT zasilanych z domowej sieci prądu przemiennego może zmniejszyć koszty konserwacji i systemu, jednocześnie poprawiając wydajność całego systemu.

Rolf Horn, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/