Pojedynczy superkondensator w układzie 5-woltowego zasilacza buforowego
| TechnikaZasilanie gwarantowane przez wiele lat było wykorzystywane jedynie w aplikacjach o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa. Dzisiaj staje się codziennością i jest stosowane w szerokiej gamie urządzeń elektronicznych w zastosowaniach przemysłowych, komercyjnych i konsumenckich. Chociaż istnieje kilka metod realizacji takiej funkcjonalności, superkondensator daje obecnie najbardziej kompaktowe i efektywne energetycznie rozwiązanie magazynu energii, pozwalając zapewnić ciągłość zasilania, gdy nastąpi przerwa w dostawie prądu lub gdy wymieniane są baterie.
Superkondensatory są komponentem wymagającym od projektanta wiele uwagi, ponieważ ich maksymalne napięcie pracy wynosi jedynie 2,7 wolta. Dla większości aplikacji oznacza to, że do zasilania urządzenia typowym napięciem 5 V konieczne jest użycie wielu takich elementów w połączeniu szeregowym wraz z układem równoważenia ładunku (balanser) lub konwerterów DC-DC podwyższających lub obniżających napięcie w zależności od konfiguracji. Rezultatem tego jest złożony obwód elektroniczny, który jest stosunkowo drogi w realizacji i zajmuje wiele miejsca na płytce.
W artykule porównano właściwości baterii i superkondensatorów oraz wyjaśniono, jakie zalety te ostatnie mają w niskonapięciowych układach elektronicznych. Następnie pokazano, jak zaprojektować prosty układ zasilania 5-woltowego za pomocą tylko jednego kondensatora współpracującego z przetwornicą buck/boost.
Baterie kontra superkondensatory
Zasilanie gwarantowane stało się istotnym elementem zapewnienia satysfakcji użytkownika nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Poza komfortem liczy się też możliwość utraty ważnych danych lub ustawień i plików roboczych nie tylko w komputerach, ale na przykład także w pompie insulinowej, która może utracić zapamiętane odczyty poziomu glukozy we krwi z pamięci podczas wymiany baterii.
Jednym ze sposobów realizacji podtrzymania ciągłości zasilania jest użycie dodatkowej baterii (akumulatora), która podtrzymuje zasilania w czasie, gdy główne źródło zasilania jest niedostępne. W tym zastosowaniu pracują ogniwa litowo-jonowe, które zapewniają bardzo dużą gęstość energii, dzięki czemu stosunkowo nawet niewielkie produkty mogą zapewnić zasilanie awaryjne przez dłuższy czas.
Jednak niezależnie od typu chemii, wszystkie akumulatory w pewnych okolicznościach mogą być problemem. Są stosunkowo ciężkie, długo się ładują, co może był kłopotliwe w przypadku częstych przerw zasilania, ogniwa można ładować tylko ograniczoną liczbę razy (co zwiększa koszty eksploatacji), a materiały, z których są wykonane ogniwa, mogą stwarzać zagrożenie dla bezpieczeństwa i środowiska.
Alternatywnym rozwiązaniem realizacji zasilania rezerwowego jest użycie superkondensatora. Element ten jest też nazywany ultrakondensatorem lub kondensatorem dwuwarstwowym (EDLC). Jest zbudowany z dwóch symetrycznych, stabilnych elektrochemicznie, elektrod węglowych (dodatniej i ujemnej). Są one oddzielone izolującym, przepuszczalnym dla jonów separatorem, umieszczonym w pojemniku wypełnionym elektrolitem z soli organicznej w rozpuszczalniku. Elektrolit zapewnia maksymalizację przewodności jonowej i zwilżenia elektrod. Użycie elektrod z węgla aktywnego o dużej powierzchni pozwala na wyjątkowo małą separację ładunków na warstwie izolacyjnej i znacznie większą pojemność superkondensatora w porównaniu z konwencjonalnymi elementami (rys. 1).
Ładunek elektryczny jest magazynowany elektrostatycznie poprzez odwracalną adsorpcję elektrolitu na elektrodach węglowych. Separacja ładunków zachodzi podczas polaryzacji na granicy faz elektroda-elektrolit, tworząc dwie warstwy (stąd alternatywna nazwa – EDLC). Mechanizm ten jest odwracalny, co pozwala na ładowanie i rozładowywanie superkondensatora setki tysięcy razy. Niemniej faktem jest, że z czasem następuje pewne zmniejszenie dostępnej pojemności.
Ze względu na wykorzystywany mechanizm elektrostatyczny do magazynowania energii, wydajność superkondensatorów jest bardziej przewidywalna niż baterii, a użyte do budowy materiały konstrukcyjne czynią te elementy bardziej niezawodnymi i mniej wrażliwymi na zmiany temperatury. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, superkondensatory zawierają mniej substancji lotnych niż akumulatory i można je całkowicie rozładować w celu bezpiecznego transportu bez wpływu na późniejsze działanie.
Kolejną zaletą jest to, że w porównaniu z akumulatorami superkondensatory ładują się znacznie szybciej – więc jeśli między awariami upłynie niewiele czasu, zasilanie rezerwowe będzie dostępne. Superkondensatorów nie można też przeładować oraz zapewniają znacznie więcej cykli ładowania-rozładowania, obniżając koszty eksploatacji.
Ponadto zapewniają znacznie większą gęstość mocy (miarę tego, ile energii można zmagazynować lub dostarczyć w jednostce czasu) niż baterie. Zapewnia to nie tylko szybkie ładowanie, ale także umożliwia w razie potrzeby impulsowy pobór prądu o dużym natężeniu, co pozwala na wykorzystanie ich jako zasilania rezerwowego w większej liczbie aplikacji (rys. 2). Ponadto superkondensatory mają znacznie mniejszą niż akumulatory rezystancję szeregową (ESR). Dzięki temu nie przegrzewają się nawet przy dużym obciążeniu. Typowa sprawność superkondensatorów jest większa niż 98%.
Główną wadą superkondensatorów jest ich stosunkowo mała gęstość energii (miara ilości energii zmagazynowanej na jednostkę objętości) w porównaniu z akumulatorami. Dzisiejsza technologia pozwala akumulatorowi litowo-jonowemu przechowywać dwadzieścia razy więcej energii niż superkondensator o tej samej objętości. Ten współczynnik zmniejsza się wraz z pojawianiem się na rynku kolejnych generacji superkondensatorów i nowych materiałów, ale prawdopodobnie pozostanie przez wiele kolejnych lat znaczącą różnicą. Inną wadą jest stosunkowo duży koszt w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi.
Kryteria projektowe dla superkondensatorów
Jeśli urządzenie elektroniczne ma wykorzystywać superkondensator jako rezerwowe zasilanie, ważne jest, aby projektant potrafił wybrać najlepszy komponent spośród dostępnych na rynku.
Jedną z pierwszych rzeczy, które należy sprawdzić w karcie katalogowej, jest wpływ temperatury na pojemność i rezystancję. Dobrą praktyką projektową jest wybranie elementu, który charakteryzuje się bardzo małymi zmianami parametrów w zakresie temperatur roboczych aplikacji, tak aby w razie potrzeby dostarczane napięcie było stabilne, a energia dostarczana z dużą sprawnością.
Żywotność superkondensatora jest w dużej mierze zdeterminowana wpływem napięcia roboczego i temperatury (rys. 3). Element ten rzadko ulega katastrofalnej awarii tzn. przestaje działać całkowicie. Zamiast tego jego pojemność i rezystancja wewnętrzna zmieniają się w czasie i stopniowo pogarszają parametry. Spadek ogólnej wydajności jest zwykle większy na początku pracy i później się zmniejsza.
W aplikacjach zasilania buforowego superkondensator jest utrzymywany pod napięciem roboczym bliskim maksymalnego przez długi czas i tylko bardzo sporadycznie rozładowywany. Taki cykl pracy wpłynie na wydajność. Na przykład, w przypadku superkondensatora, utrzymywanego pod napięciem 2,5 V przez 88 000 h (10 lat) w temperaturze 25°C, może wystąpić 15-procentowe zmniejszenie pojemności i 40-procentowy wzrost rezystancji wewnętrznej. Taki spadek należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu sprzętu o długiej żywotności.
Stała czasowa kondensatora to czas potrzebny do osiągnięcia stanu 63,2% pełnego naładowania lub rozładowania do 36,8% poziomu pełnego naładowania. Dla superkondensatora wynosi ona około jednej sekundy i jest to znacznie krótsza niż w przypadku kondensatora elektrolitycznego. Z tego powodu projektant powinien zadbać o to, aby superkondensator w układzie zasilania rezerwowego nie był narażony na ciągłe oddziaływanie prądu tętniącego, ponieważ może to spowodować uszkodzenie.
Superkondensatory mogą działać przy napięciach od 0 V do maksymalnej wartości znamionowej i efektywne wykorzystanie dostępnej energii jest osiągane podczas pracy w pełnym zakresie napięć. Z kolei większość układów elektronicznych ma minimalny próg napięcia zasilania. To wymaganie dotyczące dolnej wartości napięcia ogranicza ilość energii, którą można pobrać z takiego kondensatora.
Energia zmagazynowana w kondensatorze określana jest wzorem E = ½ CV2. Gdy więc system pracuje do połowy napięcia znamionowego kondensatora (na przykład 2,7 do 1,35 V), wykorzystuje się tylko 75% dostępnej wartości.
Zagadnienia projektowe podczas korzystania z układu wielu superkondensatorów
Chociaż liczne zalety superkondensatorów sprawiają, że nadają się one do zasilania awaryjnego w szerokiej gamie sprzętu elektronicznego, projektant musi uważać na to, że dostępne na rynku elementy mają napięcie znamionowe około 2,7 V, więc aby zasilić typową 5-woltową szynę zasilającą, należy zastosować min. dwa elementy połączone szeregowo (rys. 4).
Pokazane na rysunku 4 rozwiązanie spełnia wymagania, wiąże się z dodatkowymi kosztami i złożonością ze względu na konieczność aktywnego lub pasywnego równoważenia ładunku w elementach. Ze względu na tolerancje pojemności, różne wartości prądów upływu i ESR, napięcie na dwóch lub więcej nominalnie identycznych i w pełni naładowanych kondensatorach może być różne. Ta nierównowaga napięcia powoduje, że jeden superkondensator w obwodzie ma większe napięcie niż drugi. Wraz ze wzrostem temperatury i/lub starzeniem się superkondensatorów ta nierównowaga napięcia może przekroczyć dopuszczalną wartość znamionową i negatywnie wpłynąć na żywotność.
Balansowanie ogniw w zastosowaniach o cyklu pracy charakterystycznym dla zasilania buforowego jest zwykle osiągane przez umieszczenie rezystora obejściowego równolegle do każdego ogniwa. Wartość rezystora wybiera się tak, aby przepływ prądu przez ten element zdominował całkowity prąd upływu superkondensatora. Taka technika zapewnia, że wszelkie zmiany równoważnej rezystancji równoległej między superkondensatorami stają się pomijalne. Na przykład, dla średniego prądu upływu 10 μA, przepuszczenie przez rezystor 100 μA a więc zwiększenie prądu upływu do 110 μA, skutecznie zmniejsza zmienność prądu upływu między poszczególnymi superkondensatorami z kilkudziesięciu do zaledwie kilku procent.
Gdy wszystkie rezystancje równoległe zostaną dopasowane, superkondensatory o wyższym napięciu będą rozładowywać się przez ich rezystancję obejściową z większą szybkością niż te o niższym napięciu. To rozkłada napięcia równomiernie na całą baterię, ale w przypadku aplikacji o dużym obciążeniu wymagane jest bardziej wyrafinowane balansowanie.
Pojedynczy superkondensator do układów 5-woltowych
Zasilacz buforowy mógłby być mniej skomplikowany i zajmować mniej miejsca na płytce, gdyby dało się użyć jednego superkondensatora zamiast dwóch lub więcej. Jeden element nie wymaga balansowania, niemniej aby to było możliwe, napięcie 2,7 V pojedynczego komponentu musi zostać zwiększone za pomocą konwertera boost na tyle, aby po uwzględnieniu spadku napięcia na diodzie dało się dostarczyć 5 V do aplikacji. Superkondensator trzeba też ładować za pomocą odpowiedniej ładowarki. Pokazane na rysunku 5 diody umożliwiają zasilanie aplikacji albo z głównemu źródła zasilania, albo z superkondensatora.
Bardziej eleganckim rozwiązaniem jest wykorzystanie jednego kondensatora w roli magazynu energii współpracującego z konwerterem buck-boost, takim jak MAX38888 lub MAX38889 firmy Maxim Integrated. Pierwszy ma napięcie wyjściowe od 2,5 do 5 woltów i dostarcza do 2,5 A, drugi zapewnia napięcie wyjściowe od 2,5 do 5,5 V przy prądzie 3 A (rys. 6). Są to układy dwukierunkowe, a więc realizujące ładowanie kondensatora w czasie, gdy główne napięcie zasilające (podstawowe) jest dostępne.
MAX38889 to przetwornica współpracująca z kondensatorem magazynującym energię lub bankiem takich elementów i realizująca transmisję mocy od magazynu do szyny zasilającej urządzenie. Gdy główne zasilanie jest dostępne i napięcie to jest powyżej minimalnego progowego napięcia zasilania, konwerter ten pracuje w trybie ładowania superkondensatora maksymalnym prądem 3 A, przy średnim prądem w dławiku 1,5 A. Po naładowaniu obwód ładowania pobiera tylko 4 μA prądu jałowego, utrzymując magazyn energii w stanie gotowości.
Po zaniku głównego zasilania konwerter zapobiega obniżeniu się napięcia zasilającego system poniżej ustawionego napięcia aktywacji pracy buforowej. Realizuje podbicie napięcia superkondensatora do wymaganego napięcia zasilającego i pozwala na ustawienie prądu szczytowego w dławiku, maksymalnie do 3 A. Może działać przy napięciu na superkondensatorze wynoszącym zaledwie 0,5 V, maksymalizując wykorzystanie ładunku.
Czas podtrzymania zasilania zależy od zgromadzonej energii w superkondensatorze i poboru mocy. Ale dzięki temu, że układy konwerterów MAX38889/MAX38888 działają już od 0,5V, możliwe jest wykorzystanie praktycznie całego zgromadzonego ładunku, co w innych rozwiązaniach jest zwykle niemożliwe.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
