Stosowanie pojedynczego superkondensatora jako rezerwy dla zasilania 5V

Niegdyś ograniczające się do urządzeń o znaczeniu krytycznym, rozwiązania zasilania rezerwowego są obecnie wymagane w szerokiej gamie zastosowań elektronicznych w przemysłowych, komercyjnych i konsumenckich produktach końcowych. Mimo że dostępnych jest kilka opcji, superkondensator stanowi najbardziej kompaktowy magazyn energii zapewniający najwyższą gęstość energii na wypadek przerwy w dostawie zasilania z głównego źródła, na przykład w przypadku awarii zasilania sieciowego lub podczas wymiany baterii.

Jednak superkondensatory stwarzają wyzwania projektowe, ponieważ każdy z nich może dostarczyć maksymalne napięcie 2,7V. Potencjalnie oznacza to, że do doprowadzenia do szyny zasilającej 5V prądu o regulowanym napięciu potrzebnych jest wiele superkondensatorów - z których każdy wymaga powiązanych przetwornic do równoważenia ogniw, podwyższania i obniżania napięcia. W rezultacie powstaje skomplikowany i pełen niuansów obwód, który jest stosunkowo kosztowny i zajmuje zbyt dużo miejsca na płytce.

W niniejszym artykule porównano baterie z superkondensatorami i wyjaśniono, dlaczego te drugie oferują kilka zalet technicznych w przypadku kompaktowych urządzeń elektronicznych niskiego napięcia. Artykuł wyjaśnia następnie jak zaprojektować proste i wygodne rozwiązanie do zasilania szyny 5V przy użyciu tylko jednego kondensatora w połączeniu z odwracalną przetwornicą obniżająco-podwyższającą napięcie.

Baterie kontra superkondensatory

Zasilanie bezprzerwowe stało się kluczowym elementem zapewniającej komfort pracy użytkownika nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Bez stałego zasilania produkty elektroniczne nie tylko przestają działać, ale także mogą utracić istotne informacje. Na przykład zanik zasilania w sieci energetycznej, do której jest podłączony komputer spowoduje utratę danych przechowywanych w pamięci RAM. Pompa insulinowa podczas wymiany baterii może utracić ważne odczyty poziomu cukru we krwi zapisane w pamięci ulotnej.

Jednym ze sposobów zapobiegania takim przypadkom jest zainstalowanie baterii podtrzymującej, która magazynuje energię i uwalnia ją następnie w przypadku awarii głównego źródła zasilania. Baterie litowo-jonowe (Li-ion) to dojrzała technologia, która charakteryzuje się bardzo dobrą gęstością energii, dzięki czemu stosunkowo niewielkie urządzenie może zapewnić zasilanie rezerwowe przez dłuższy czas.

Jednak bez względu na skład chemiczny, wszystkie baterie mają pewne cechy charakterystyczne, które w określonych okolicznościach mogą być problematyczne. Na przykład, są one stosunkowo ciężkie, wymagają relatywnie długiego czasu ładowania (co może stanowić problem w przypadku częstych przerw w zasilaniu). Ogniwa mogą być ładowane tylko ograniczoną liczbę razy (co zwiększa koszty utrzymania), a substancje chemiczne, z których są wykonane, mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa i środowiska.

Alternatywnym rozwiązaniem zasilania rezerwowego jest superkondensator, zwany również ultrakondensatorem. Superkondensator z technicznego punktu widzenia jest elektrochemicznym kondensatorem dwuwarstwowym (EDLC). Urządzenie to składa się z symetrycznych, stabilnych elektrochemicznie, dodatnich i ujemnych elektrod węglowych. Są one oddzielone izolującym separatorem jonoprzepuszczalnym, wbudowanym w pojemnik wypełniony elektrolitem z soli organicznej w rozpuszczalniku. Elektrolit jest przygotowany w taki sposób, aby maksymalnie zwiększał przewodnictwo jonowe i zwilżenie elektrod. Kombinacja elektrod węglowych o dużej powierzchni i bardzo małej separacji ładunku pozwala uzyskać znacznie większą pojemność superkondensatora w porównaniu z kondensatorami tradycyjnymi (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Superkondensator wykorzystuje symetryczne dodatnie i ujemne elektrody węglowe oddzielone izolującym separatorem jonoprzepuszczalnym, zanurzonym w elektrolicie. Kombinacja elektrod o dużej powierzchni i bardzo małej separacji ładunku pozwala uzyskać wysoką pojemność. (Źródło ilustracji: Maxwell Technologies)

Ładunek jest magazynowany elektrostatycznie w wyniku efektu odwracalnej adsorpcji elektrolitu na elektrodach węglowych o dużej powierzchni. Separacja ładunku następuje po polaryzacji na powierzchni rozdziału elektrody i elektrolitu, co powoduje uzyskanie podwójnej warstwy. Mechanizm ten jest wysoce odwracalny, co pozwala na ładowanie i rozładowywanie superkondensatora setki tysięcy razy, choć z czasem występuje pewne zmniejszenie pojemności.

Dzięki wykorzystaniu elektrostatycznego mechanizmu magazynowania energii, elektryczne parametry działania superkondensatorów są bardziej przewidywalne niż baterii, a materiały wykonania zapewniają większą niezawodność i mniejszą podatność na zmiany temperatury. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, superkondensatory zawierają mniej substancji lotnych niż baterie i można je całkowicie rozładować na czas transportu w celu zapewnienia bezpieczeństwa.

Kolejną zaletą jest to, że w porównaniu z bateriami wtórnymi superkondensatory ładują się znacznie szybciej, więc w przypadku ponownej utraty zasilania w niedługim czasie po pierwszej awarii, zasilanie rezerwowe będzie nadal dostępne. Dodatkowo superkondensatorów nie da się nadmiernie naładować. Superkondensatory wytrzymują wiele cykli ładowania, co obniża koszty utrzymania.

Ponadto superkondensatory oferują znacznie większą gęstość mocy (miara mocy, jaką można przechowywać lub dostarczać w jednostce czasu) niż baterie. Dzięki temu nie tylko szybko się ładują, ale także w razie potrzeby mogą zapewniać zasilanie z dużymi skokami natężenia prądu, co pozwala na wykorzystanie ich do zasilania rezerwowego w większej liczbie zastosowań (ilustracja 2). Ponadto superkondensatory mają znacznie niższą efektywną rezystancję szeregową (ESR) niż baterie. Dzięki temu mogą wydajniej dostarczać zasilanie bez niebezpieczeństwa przegrzania. Typowa skuteczność konwersji mocy superkondensatora przekracza 98%.

Ilustracja 2: Baterie wielokrotnego ładowania mogą zasilać odbiorniki przez długi czas przy umiarkowanych natężeniach prądu, ale ich ładowanie zajmuje dużo czasu. W przeciwieństwie do tego, superkondensatory (lub ultrakondensatory) można szybko rozładowywać prądem o wysokim natężeniu, ale także szybko ładują się. (Źródło ilustracji: Maxwell Technologies)

Główną wadą superkondensatorów jest ich stosunkowo niska gęstość energii (miara ilości energii przechowywanej na jednostkę objętości) w porównaniu z bateriami wielokrotnego ładowania. Współczesna technologia umożliwia magazynowanie w bateriach litowo-jonowych 20 razy więcej energii niż w superkondensatorach o tej samej objętości. Dystans dzielący oba urządzenia zmniejsza się wraz z zastosowaniem nowych materiałów poprawiających wydajność superkondensatorów, ale prawdopodobnie pozostanie on znaczący przez wiele lat. Inną istotną wadą superkondensatorów jest stosunkowo wysoki koszt w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi.