Pro 5 voltovou napěťovou hladinu však superkondenzátory představují konstrukční problémy, protože obecně poskytují napětí 2,7 V. To znamená, že je zapotřebí více superkondenzátorů a k tomu napěťový konvertor. Výsledkem je větší složitost obvodu. Proto tento článek porovnává baterie se superkondenzátory a vysvětluje, proč je právě vhodné použít superkondenzátory. V článku nalezneme elegantní řešení záložního zdroje pro 5 V hladinu napájení pomocí jediného kondenzátoru kombinovaného s buck/boost měničem napětí.
Baterie vs superkondenzátory
Moderní elektronická zařízení vyžadují stabilní napájení bez jakéhokoli výpadku. Bez nepřetržitého napájení může dojít ke ztrátě důležité informace uložené v paměti RAM nebo například inzulínová pumpa při výměně baterie může ztratit důležité hodnoty glykémie. Jedním ze způsobů, jak tomu zabránit, je zabudovat záložní zdroj.
Lithium-iontové (Li-ion) baterie nabízejí velmi dobrou hustotu energie a mohou fungovat jako záložní napájení po dlouhou dobu. Ale bez ohledu na jejich základní chemické složení mají tyto baterie odlišné vlastnosti, které mohou být za určitých okolností problematické. Jsou relativně těžké, nabíjení trvá poměrně dlouhou dobu (to může být problémem, pokud dochází k častým výpadkům napájení), články lze dobíjet jen omezeně (zvýšené náklady na údržbu) a obsahují chemické látky, které mohou představovat bezpečnostní riziko.
Alternativním řešením pro záložní napájení je superkondenzátor, známý také jako ultrakondenzátor a najdeme ho pod zkratkou EDLC (Electric Double-Layer Capacitor). Superkapacitor je složen pomocí symetrických, elektrochemicky stabilních, kladných a záporných uhlíkových elektrod. Ty jsou odděleny izolačním separátorem propustným pro ionty, zabudovaným do pouzdra, které je vyplněno organickou solí nebo elektrolytem. Elektrolyt je navržen tak, aby iontová vodivost a smáčení elektrod bylo co největší. Díky kombinace elektrod z aktivního uhlí s velkou plochou a extrémně malým oddělením (separátorem) se dosáhne mnohem vyšší kapacity ve srovnání s běžnými kondenzátory (obrázek 1).
Obrázek 1: Superkondenzátor obsahuje symetrické kladné a záporné uhlíkové elektrody oddělené izolačním separátorem ponořeným do elektrolytu. Kombinace elektrod s velkou plochou a extrémně malého oddělení má za následek vysokou kapacitu. (Zdroj obrázku: Maxwell Technologies )
Náboj se ukládá elektrostaticky reverzibilní adsorpcí elektrolytu na velkoplošnou uhlíkovou elektrodu. K oddělení náboje dochází při polarizaci na rozhraní elektroda/elektrolyt, čímž vzniká dvojitá vrstva. Tento mechanismus je vysoce reverzibilní (vratný) a umožňuje, aby byl superkondenzátor nabit a vybit stotisíc krát jen s minimální ztrátou kapacity.
Vzhledem k tomu, že se při ukládání energie spoléhá na elektrostatický mechanismus, je elektrický výkon superkondenzátorů předvídatelnější než u baterií a díky použitým materiálům je činí spolehlivějšími a méně zranitelnými vůči změnám teploty. Z hlediska bezpečnosti obsahují superkondenzátory méně těkavých materiálů než baterie a pro bezpečnou přepravu je lze zcela vybít.
Další výhodou je, že ve srovnání s bateriemi se superkondenzátory nabíjejí mnohem rychleji. Takže pokud dojde k opětovnému výpadku napájení v krátké době po prvním výpadku, je okamžitě k dispozici záložní napájení. Superkondenzátory snesou mnohem více nabíjecích cyklů, a to má za následek snížení nákladů na údržbu.
Navíc superkondenzátory nabízejí mnohem vyšší hustotu výkonu – míru energie, kterou lze uložit nebo dodat za jednotku času. Tato vlastnost umožňuje rychlé nabíjení, ale také v případě potřeby zajišťuje vysoké proudové výboje. Díky tomu lze superkondenzátory jako zálohu použít pro širokou škálu aplikaci (obrázek 2). Superkondenzátory navíc vykazují mnohem nižší efektivní sériový odpor (ESR) než baterie. To jim umožňuje poskytovat energii efektivněji bez nebezpečného přehřátí. Typická účinnost přeměny výkonu u superkondenzátoru je vyšší než 98 %.
Obrázek 2: Dobíjecí baterie mohou dodávat energii po dlouhou dobu, ale s malým proudem. Nabíjení baterií trvá ale delší dobu. Naproti tomu superkondenzátory (nebo ultrakondenzátory) se mohou vybít rychle vysokým proudem, ale také se rychle nabíjejí. (Zdroj obrázku: Maxwell Technologies)
Nevýhodou superkondenzátorů je jejich relativně nízká hustota energie (míra množství energie uložené na jednotku objemu) ve srovnání s dobíjecími bateriemi. Dnešní technologie umožňuje, aby Li-ion baterie uložila dvacetinásobek energie ve srovnání se superkondenzátorem stejného objemu. Tato nevýhoda se pomalu vytrácí díky novým materiálům použitých v superkondenzátorech. Další významnou nevýhodou superkondenzátorů je relativně vysoká cena ve srovnání s Li-ion bateriemi.
Výběr vhodného typu superkondenzátoru
Jednou z prvních věcí, které je nutné zkontrolovat v datovém listu, je vliv teploty na kapacitu a odpor. Je nutné vybrat ten, který vykazuje velmi malé změny v zamýšleném rozsahu provozních teplot konečného produktu. Životnost superkondenzátoru je do značné míry určena kombinovaným účinkem provozního napětí a teploty (obrázek 3).
Superkondenzátor zřídkakdy selže katastrofálně. Místo toho se jeho kapacita a vnitřní odpor v průběhu času mění a postupně se snižuje výkon, dokud již není schopen pracovat jako záložní zdroj. Pokles výkonu je obvykle větší na začátku životnosti a postupně se tento pokles snižuje.
Obrázek 3: Vyšší teploty a použité napětí mohou zkrátit životnost superkondenzátoru. (Zdroj obrázku: Elcap, CC0, přes Wikimedia Commons, upraveno autorem)
Superkondenzátor jako záložní zdroj je udržován na pracovním napětí po dlouhou dobu. Technický list uvádí pokles kapacity v průběhu času pro typická provozní napětí a při různých teplotách. Například u superkondenzátoru udržovaného na napětí 2,5 V po dobu 88 000 hodin (10 let) při 25˚C může dojít k 15% snížení kapacity a 40% zvýšení vnitřního odporu. Takový pokles výkonu by měl být již zohledněn při návrhu záložního řešení.
Časová konstanta kondenzátoru je doba potřebná k tomu, aby kondenzátor dosáhl 63,2 % plného nabití nebo vybití na hodnotu 36,8 %. Časová konstanta superkondenzátoru je kolem jedné sekundy. To je mnohem menší hodnota než elektrolytický kondenzátor. Kvůli této krátké časové konstantě by v návrhu mělo být zajištěno, aby superkondenzátor nebyl vystaven trvalému zvlnění proudu, protože by mohlo dojít k jeho poškození.
Superkondenzátory mohou pracovat mezi 0 V a jejich maximální jmenovitou hodnotou. Energie uložená v kondenzátoru se vypočítá dle E = ½ CV2. Z tohoto vztahu lze vypočítat, že přibližně 75 % energie je přístupných, pokud systém pracuje s polovičním jmenovitým napětím kondenzátoru (například od 2,7 do 1,35 voltu).
Použití více než jednoho superkondenzátoru
Superkondenzátory jsou dimenzovány přibližně na 2,7 V, takže pro napájení 5 voltové úrovně je nutno použít dva superkondenzátory v sérii (obrázek 4).
Obrázek 4: Superkondenzátory jsou dimenzovány přibližně na 2,7 V, takže pro napájení 5 voltové úrovně je nutno použít dva superkondenzátory v sérii. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Zapojení dvou kondenzátory do série přináší dodatečné náklady a větší složitost zapojení, jelikož je nutné přidat aktivní nebo pasivní vyvažování článků. Kvůli toleranci velikosti kapacit, různým svodovým proudům a různým hodnotám ESR se může napětí na dvou nebo více nominálně stejných a plně nabitých kondenzátorech lišit. Tato napěťová nerovnováha má za následek, že jeden superkondenzátor v záložním obvodu dodává větší napětí než druhý. Jak se teplota zvyšuje nebo superkondenzátory stárnou, může se tato napěťová nerovnováha zvýšit až do bodu, kdy napětí na jednom superkondenzátoru překročí jmenovitý práh a ovlivní to provozní životnost.
Vyvažování článků se dosahuje umístěním bypass rezistoru paralelně s každým kondenzátorem. Hodnota odporu je zvolena tak, aby umožňovala jakémukoli toku proudu dominovat nad celkovým svodovým proudem superkondenzátoru. Díky tomu je zajištěno, že jakákoliv změna ekvivalentního paralelního odporu mezi superkondenzátory je zanedbatelná.
Použití jednoho superkondenzátoru pro 5 V úroveň napájení
Obvod záložního napájení je méně složitý a zabírá méně místa, pokud je použit jeden superkondenzátor namísto dvou či víc. V takovém případě není potřeba vyvažovat napěťovou nerovnováhu superkondenzátoru. Výstup 2,7 V z jednoho kondenzátoru však musí být zvýšen pomocí boost měniče napětí na hodnotu 5V. Superkondenzátor se nabíjí a vybíjí přes tento zesilovací měnič. Diody v obvodu umožňují napájet systém buď primárním zdrojem energie nebo superkondenzátorem (obrázek 5).
Obrázek 5: Použití jednoho superkondenzátoru eliminuje potřebu vyvažování napěťové nerovnováhy, ale je nutné použít měnič pro zvýšení výstupního napětí na hodnotu 5V. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Efektivním řešením je použití jednoho superkondenzátorem doplněného speciálním reverzibilním měničem napětí MAX38888 nebo MAX38889 od Maxim Integrated. První z nich nabízí výstupní napětí 2,5 až 5 V a proud až 2,5 A, zatímco druhý nabízí výstupní napětí 2,5 až 5,5 V s proudem až 3 A (obrázek 6).
Obrázek 6: Superkondenzátor s reverzibilním měničem MAX38889 (nebo MAX38888) nepotřebuje přidat zesilovací komponent a diody. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
MAX38889 umožňuje efektivní přenos energie mezi superkondenzátorem a systémovým napájením. Pokud je napětí hlavního zdroje nad minimální hodnotou systémového napájecího napětí, MAX38889 pracuje v režimu nabíjení a nabíjí superkondenzátor maximálním proudem 3 A. Jakmile je superkondenzátor nabitý, MAX38889 odebírá proud pouze 4 μA a přitom se udržuje ve stavu připravenosti.
Závěr
Superkondenzátory nabízejí několik výhod oproti bateriím. Ve srovnání s dobíjecími bateriemi se superkondenzátory nabíjejí rychleji, snesou mnohem více nabíjecích/vybíjecích cyklů a nabízejí mnohem vyšší hustotu výkonu. Jejich maximální výstupní napětí 2,7 V však přináší určité konstrukční problémy pro využití jako zálohu 5 voltového zdroje napětí. Tyto problémy jsou elegantně vyřešeny reverzibilním měničem napětí MAX38889 nebo MAX38888.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
