Egyetlen szuperkondenzátor használata 5 V-os tápegység tartalék áramforrásaként
A valaha csak a létfontosságú eszközökre korlátozódó, tartalék áramellátást biztosító megoldások ma már az ipari, kereskedelmi és fogyasztói végtermékekben használt elektronikai eszközök széles körében alapelvárásnak számítanak. Bár többféle lehetőség is létezik, energiatárolóként a szuperkondenzátor kínálja a legkisebb méretű és legnagyobb energiasűrűségű megoldást arra az esetre, ha a fő áramellátás kiesne. Ilyen eset például a hálózati áramkimaradás, illetve az akkumulátorcsere.
A szuperkondenzátorok használata azonban komoly kihívást jelent a tervezés során, mivel egy szuperkondenzátor csak 2,7 V-ot tud szolgáltatni. Ez lényegében azt jelenti, hogy több szuperkondenzátorra van szükség – mindegyik esetében a hozzá kapcsolódó cellakiegyenlítéssel és feszültségnövelő (boost) vagy feszültségcsökkentő (buck) feszültségátalakítókkal –, hogy szabályozott feszültséggel lássák el az 5 V-os tápsínt. Az eredmény egy összetett és kifinomult áramkör, amely viszonylag drága, és meglehetősen nagy helyet foglal el a nyomtatott áramköri lapon.
Ez a cikk összehasonlítja az akkumulátorokat a szuperkondenzátorokkal, és ismerteti, hogy az utóbbiak miért kínálnak számos műszaki előnyt a kis feszültségű, kis méretű elektronikus készülékekben. Ezután arról esik szó, hogy hogyan lehet egyszerű és elegáns megoldású eszközt tervezni egy 5 V-os tápsín áramellátására egyetlen kondenzátor és egy kétirányú feszültségcsökkentő/feszültségnövelő feszültségszabályozó segítségével.
Akkumulátorok kontra szuperkondenzátorok
A szünetmentes áramellátás a korszerű elektronikus berendezések kielégítő használatának kritikus szempontjává vált. Állandó áramellátás nélkül az elektronikus készülékek nemcsak leállnak, hanem létfontosságú adatokat is elveszíthetnek. Például egy hálózati áramellátásról táplált számítógép áramszünet esetén elveszíti a felejtő RAM memóriájában tárolt adatokat, egy inzulinpumpa pedig az elem vagy akkumulátor cseréje során elveszítheti a felejtő memóriájában tárolt fontos vércukorszint-mérési adatokat.
Ennek megakadályozásához lehetőség van egy olyan tartalék akkumulátor beépítésére, amely energiát tárol, és a benne tárolt energia a fő áramforrás meghibásodása esetén felszabadítható. A lítiumionos (Li-ion) akkumulátorok mára már kiforrott technikának számítanak, és meglehetősen nagy az energiasűrűségük, ami lehetővé teszi, hogy egy viszonylag kis méretű eszköz hosszabb ideig szolgáltasson tartalék energiát.
Függetlenül attól, hogy milyen kémiai alapokra épülnek, minden akkumulátornak vannak olyan jellemzői, amelyek bizonyos körülmények között gondot jelenthetnek, például viszonylag nehezek, viszonylag sokáig tart a feltöltésük (ami gyakori áramkimaradások esetén jelenthet gondot), a cellák csak korlátozott számú alkalommal tölthetők újra (ami növeli a karbantartási költségeket), és a vegyi anyagok, amelyeket tartalmaznak, veszélyt jelenthetnek a biztonságra és a környezetre.
Egy másik lehetséges megoldás a tartalék áramellátásra a szuperkondenzátorok vagy más néven ultrakondenzátorok használata. A szuperkondenzátort műszaki értelemben elektromos kettős rétegű kondenzátornak (EDLC, electric double-layer capacitor) nevezik. Az eszköz szimmetrikus, elektrokémiailag stabil, pozitív és negatív szénelektródák felhasználásával készül. Ezeket egy szigetelő, ionáteresztő elválasztóréteg (szeparátor) választja el egymástól, és az egész valamilyen szerves só és oldószer alkotta elektrolittal töltött tartályban van elhelyezve. Az elektrolit úgy van megalkotva, hogy maximalizálja az ionos vezetőképességet és az elektródok nedvesen tartását. A nagy felületű aktívszén-elektródák és a rendkívül kis töltésszétválasztás kombinációja azt eredményezi, hogy a szuperkondenzátoroknak a hagyományos kondenzátorokhoz képest sokkal nagyobb a kapacitásuk (1. ábra).
1. ábra A szuperkondenzátor szimmetrikus pozitív és negatív szénelektródákat használ, amelyeket egy szigetelő, ionáteresztő szeparátor választ el egymástól, amely elektrolitba van merítve. A nagy felületű elektródák és a rendkívül kis töltésszétválasztás kombinációja nagy kapacitást eredményez (Kép: Maxwell Technologies)
A töltés elektrosztatikusan, az elektrolit visszafordítható (reverzibilis) adszorpciója révén tárolódik a nagy felületű szénelektródákon. Az elektród–elektrolit határfelületen a polarizáció hatására töltésszétválasztás következik be, amely létrehozza a névadó kettős réteget. Ez a mechanizmus nagymértékben visszafordítható, így a szuperkondenzátorok több százezerszer is feltölthetők és kisüthetők, bár a kapacitásuk idővel némileg csökken.
Mivel az energia tárolása az elektrosztatikus mechanizmusra támaszkodik, a szuperkondenzátorok villamos teljesítménye kiszámíthatóbb, mint az akkumulátoroké, az anyagok pedig, amelyekből készülnek, megbízhatóbbá és a hőmérséklet-változásokkal szemben kevésbé érzékennyé teszik őket. Ami a biztonságot illeti, a szuperkondenzátorok kevesebb illékony anyagot tartalmaznak, mint az akkumulátorok, és a biztonságos szállítás érdekében teljesen kisüthetők.
További előny, hogy a szuperkondenzátorok a másodlagos akkumulátorokhoz képest sokkal gyorsabban töltődnek fel, így ha az első meghibásodás után hamarosan ismét megszűnik az áramellátás, a tartalék energia azonnal rendelkezésre áll, ráadásul nem lehet őket túltölteni sem. A szuperkondenzátorok emellett sokkal több töltési ciklust elviselnek, ami csökkenti a karbantartási költségeket.
Ráadásul sokkal nagyobb teljesítménysűrűséget (az egységnyi idő alatt tárolható vagy leadható teljesítmény mérőszáma) is kínálnak, mint az akkumulátorok. Ez nemcsak gyors töltést tesz lehetővé, hanem szükség esetén nagy áramok leadását is, így több felhasználási területen is használhatók tartalék áramforrásként (2. ábra). A szuperkondenzátoroknak ráadásul sokkal kisebb az egyenértékű soros ellenállásuk (ESR), mint az akkumulátoroknak. Ez lehetővé teszi, hogy a túlmelegedés veszélye nélkül, jobb hatásfokkal szolgáltassanak energiát. A szuperkondenzátorok energiaátalakítási hatásfoka jellemzően 98% feletti.
2. ábra Az akkumulátorok szerény áramerősség mellett hosszú ideig képesek áramot szolgáltatni, de hosszú időbe telik az újratöltésük. Ezzel szemben a szuperkondenzátorok (vagy ultrakondenzátorok) képesek nagy áramerősséget szolgáltatva gyorsan kisülni, de gyorsan is töltődnek (Kép: Maxwell Technologies)
A szuperkondenzátorok fő hátránya az akkumulátorokéhoz képest viszonylag kis energiasűrűségük (az egységnyi térfogatonként tárolt energia mennyisége). A mai technika már lehetővé teszi, hogy egy Li-ion akkumulátor akár hússzor annyi energiát tároljon, mint egy azonos térfogatú szuperkondenzátor. A különbség egyre csökken, ahogy az új anyagok használatával javítják a szuperkondenzátorokat, de valószínűleg még évekig jelentős marad. A szuperkondenzátorok másik jelentős hátránya a Li-ion akkumulátorokéhoz képest viszonylag magas költségük.
A szuperkondenzátorok használatának szempontjai
Ha egy elektronikus készülék szuperkondenzátort használ tartalék áramforrásként, létfontosságú, hogy a tervező tisztában legyen azzal, hogyan kell kiválasztani a legjobb alkatrészt a megbízható energiatárolás és -leadás, valamint a hosszú élettartam érdekében.
Az egyik első dolog, amit az adatlapon ellenőrizni kell, a hőmérséklet hatása a kapacitásra és az ellenállásra. Bevált tervezési módszer az, hogy olyan eszközt kell választani, amely nagyon kis változást mutat a végtermék tervezett üzemi hőmérséklet-tartományában, hogy ha a tartalék áramforrásra van szükség, a szolgáltatott feszültség stabil, az energialeadás pedig kellően hatékony legyen.
A szuperkondenzátor élettartamát nagymértékben az üzemi feszültség és a hőmérséklet együttes hatása határozza meg (3. ábra). A szuperkondenzátor ritkán hibásodik meg katasztrofálisan. Ehelyett a kapacitása és a belső ellenállása változik idővel, ami fokozatosan csökkenti a szuperkondenzátor teljesítményét, míg végül az alkatrész már nem tudja teljesíteni a végtermékre megadott jellemzőket. A teljesítménycsökkenés jellemzően nagyobb a végtermék élettartamának kezdetén, és a végtermék öregedésével csökken.
3. ábra A magasabb hőmérsékletek és ráadott feszültségek lerövidíthetik a szuperkondenzátorok élettartamát (Kép: Elcap, CC0, a Wikimedia Commons-on keresztül, a szerző által módosítva)
Ha a szuperkondenzátort tartalék áramforrásként szolgáló tápegységben használják, akkor hosszú ideig tartják az üzemi feszültségen, és csak nagyon ritkán kell kisütni a benne tárolt energiát. Ez végül hatással lesz a szuperkondenzátor teljesítményére. Az adatlapon fel van tüntetve, hogyan csökken a kapacitás az idő múlásával a jellemző üzemi feszültségek és különböző hőmérsékletek esetén. Ha például egy szuperkondenzátort 88 000 órán (10 éven) keresztül 25 °C-on tartanak 2,5 V feszültséget ráadva, a kapacitás 15%-os csökkenése és a belső ellenállás 40%-os növekedése következhet be. A hosszú élettartamú végtermékek tartalék áramellátását biztosító eszközök tervezésekor figyelembe kell venni az ilyen teljesítménycsökkenést.
A kondenzátor időállandója az az idő, amely alatt az eszköz eléri a teljes feltöltöttség 63,2%-át, vagy kisül a teljes feltöltöttség 36,8%-ára. A szuperkondenzátor időállandója körülbelül egy másodperc. Ez sokkal rövidebb, mint egy elektrolitkondenzátoré. E miatt a rövid időállandó miatt a tervezőnek gondoskodnia kell arról, hogy a tartalék áramellátást biztosító szuperkondenzátor ne legyen kitéve folyamatos búgóáramnak, mert az a károsodását okozhatja.
A szuperkondenzátorok 0 V és a legnagyobb névleges kapacitásuk között működhetnek. Míg a szuperkondenzátorral való energiatárolás és a benne tárolt energia kinyerése úgy érhető el jó hatásfokkal, ha a szuperkondenzátor a legnagyobb feszültségtartományban működik, a legtöbb elektronikus alkatrésznek van valamilyen minimumfeszültség-küszöbértéke. Ez a minimumfeszültség-követelmény korlátozza a kondenzátorból kinyerhető energia mennyiségét.
A kondenzátorban tárolt energia például E = ½CV2. Ezzel a képlettel kiszámítható, hogy ha a rendszer a kondenzátor névleges feszültségének felén (például 2,7 V helyett 1,35 V-on) működik, az elérhető energiamennyiségnek körülbelül a 75%-a nyerhető ki.
Tervezési kihívások több szuperkondenzátor használata esetén
Bár a szuperkondenzátorok nyújtotta előnyök az elektronikai termékek széles körében alkalmassá teszik őket a tartalék áramellátás biztosítására, a tervezőnek oda kell figyelnie a használatuk jelentette tervezési problémákra. A tartalék tápegység áramkörének megvalósítása komoly feladat lehet a tapasztalatlan mérnökök számára. A legnagyobb gond az, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható szuperkondenzátorok névleges feszültsége körülbelül 2,7 V, így egy jellegzetes 5 V-os tápsín feszültséggel való ellátásához két szuperkondenzátort kell sorba kapcsolni (4. ábra).
4. ábra A kereskedelmi forgalomban kapható szuperkondenzátorok névleges feszültsége körülbelül 2,7 V, így egy jellegzetes 5 V-os tápsín feszültséggel való ellátásához két szuperkondenzátort kell sorba kapcsolni, ami bonyolultabbá teszi a tervezést (Kép: Maxim Integrated)
Bár ez egy kielégítően működő megoldás, az aktív vagy passzív cellakiegyenlítés szükségessége miatt további költségekkel jár, és bonyolítja az áramkört. A kapacitási tűrések, a különböző kúszóáramok és a különböző egyenértékű soros ellenállások miatt a két vagy több azonos névleges értékű, teljesen feltöltött kondenzátoron mért feszültség eltérő lehet. Ez a feszültségegyenlőtlenség azt eredményezi, hogy a tartalék áramkörben az egyik szuperkondenzátor nagyobb feszültséget szolgáltat, mint a másik. A hőmérséklet növekedésével és a szuperkondenzátorok öregedésével ez a feszültségegyenlőtlenség olyan mértékig növekedhet, hogy az egyik szuperkondenzátoron mért feszültség meghaladja az adott eszköz névleges küszöbértékét, és ez hatással van az eszköz élettartamára.
A cellakiegyenlítés a kis terhelési ciklusú eszközökben jellemzően úgy érhető el, hogy mindegyik cellával párhuzamosan kötnek egy áthidaló söntellenállást. Az ellenállás értékét úgy kell megválasztani, hogy bármilyen folyó áram jóval nagyobb értékű legyen, mint az adott szuperkondenzátor teljes kúszóárama. Ez a módszer hatékonyan megoldja azt, hogy az egyes szuperkondenzátorok egyenértékű soros ellenállásának bármilyen változása elhanyagolható legyen. Ha például a tartalék áramkörben lévő szuperkondenzátorok átlagos kúszóárama 10 μA, akkor egy 1%-os söntellenálláson 100 μA erősségű áthidalóáram folyhat, ami az átlagos kúszóáramot 110 μA-re növeli. Ily módon a söntellenállás hatékonyan, több tíz százalékról néhány százalékra csökkenti az egyes szuperkondenzátorok kúszóárama közötti eltérést.
Ha minden párhuzamos ellenállás értéke közel azonos, a nagyobb feszültségű szuperkondenzátorok nagyobb sebességgel fognak kisülni a párhuzamos ellenállásukon keresztül, mint a kisebb feszültségűek. Ez egyenletesen osztja el a teljes feszültséget a szuperkondenzátorok teljes során. Nagy igénybevételű készülékek esetében ennél kifinomultabb szuperkondenzátor-kiegyenlítésre van szükség.
Egyetlen szuperkondenzátor használata 5 V-os áramellátásra
A tartalék tápáramkör kevésbé bonyolult lehet és kisebb helyet foglalhat el, ha két vagy több szuperkondenzátor helyett egyetlen szuperkondenzátort használunk. Egy ilyen elrendezés esetén a szuperkondenzátorok kiegyenlítésére sincs szükség. Az egyetlen eszközből származó 2,7 V kimenőfeszültséget azonban egy feszültségnövelő feszültségszabályozóval kell megnövelni, hogy a tápáramkör elegendő feszültséget állítson elő ahhoz, hogy kompenzálja a diódán keletkező feszültségesést, és 5 V-ot szolgáltasson a rendszer számára. A szuperkondenzátort egy töltőáramkör tölti fel, és amikor kell, a feszültségnövelő feszültségszabályozón keresztül sül ki. Azt a diódák teszik lehetővé, hogy vagy az elsődleges áramforrás, vagy a szuperkondenzátor táplálja a rendszert (5. ábra).
5. ábra Ha csak egyetlen szuperkondenzátor van a tartalék tápáramkörben, azzal szükségtelenné válik a cellakiegyenlítés, de a szuperkondenzátor kimenőfeszültségének megnöveléséhez egy feszültségnövelő feszültségszabályozóra van szükség (Kép: Maxim Integrated)
Elegánsabb megoldás, ha egyetlen kondenzátort használunk egy különleges feszültségátalakítóval kiegészítve, amilyen például a Maxim Integrated MAX38888 vagy MAX38889 kétirányú feszültségcsökkentő/feszültségnövelő feszültségszabályozója. Az előbbi 2,5–5 V kimenőfeszültséget és legfeljebb 2,5 A kimenő áramerősséget tesz lehetővé, míg az utóbbi 2,5–5,5 V kimenőfeszültségű és 3 A kimenő áramerősségű készülék (6. ábra).
6. ábra A szuperkondenzátoros áramkörben való használat esetén a MAX38889 (vagy MAX38888) kétirányú feszültségszabályozók kiküszöbölik a külön töltőáramkör és feszültségnövelő eszköz, valamint a diódák szükségességét (Kép: Maxim Integrated)
A MAX38889 egy rugalmas tárolókondenzátorral vagy kondenzátorteleppel megoldott tartalék áramkörhöz való feszültségszabályozó, amely hatékonyan továbbítja az energiát a szuperkondenzátor(ok) és a rendszer tápsínje között. Ha a fő áramellátás működőképes, és annak feszültsége meghaladja a rendszer tápfeszültségének alsó küszöbértékét, a szabályozó töltési üzemmódban működik, és legfeljebb 3 A csúcs-, 1,5 A átlagos tekercs-áramerősséggel tölti a szuperkondenzátort. A szuperkondenzátort teljesen fel kell tölteni ahhoz, hogy lehetővé váljék a tartalék áramellátásként való használata. A szuperkondenzátor feltöltése után az áramkör csak 4 μA áramot vesz fel, miközben az alkatrészt készenléti állapotban tartja.
Ha a fő áramellátás megszűnik, a szabályozó megakadályozza, hogy a rendszer tápfeszültsége a tartalék tápáramkörre beállított üzemi feszültség alá essen, mégpedig úgy, hogy a szuperkondenzátor feszültségét legfeljebb 3 A erősségű programozott tekercscsúcsáram mellett a szükséges rendszerfeszültségre növeli. A kétirányú szabályozó egészen 0,5 V szuperkondenzátoros tápfeszültségig képes működni, maximálisra növelve a tárolt energia felhasználását.
A tartalék tápáramkörről való áramellátás időtartama a szuperkondenzátor energiatartalékától és a rendszer teljesítményfelvételétől függ. A Maxim Integrated termékeinek jellemzői lehetővé teszik, hogy egyetlen 2,7 V-os szuperkondenzátorból maximális tartalékáramköri teljesítményt kapjunk, miközben a külön töltőáramkör és feszültségnövelő eszköz, valamint a diódák szükségességét kiküszöbölve csökkentjük az áramköri alkatrészek számát.
Összegzés
A szuperkondenzátorok bizonyos – például a gyakori akkumulátorcserét igénylő – készülékekben számos előnyt kínálnak tartalék tápegységként a másodlagos akkumulátorokkal szemben. Az akkumulátorokhoz képest a szuperkondenzátorok gyorsabban töltődnek, sokkal több töltési ciklust bírnak ki, és sokkal nagyobb teljesítménysűrűséget kínálnak. A 2,7 V-os legnagyobb kimenőfeszültségük azonban némi kihívást jelent tervezés során, ha egy jellegzetes 5 V-os tápegységet szeretnénk tartalék áramellátással pótolni.
Mint látható, a kétirányú feszültségcsökkentő/feszültségnövelő feszültségszabályozók elegáns megoldást kínálnak erre a problémára, mivel lehetővé teszik, hogy egyetlen szuperkondenzátor legyen a tartalék áramforrása egy 5 V-os tápfeszültségű áramkörnek, miközben minimális a helyigényük, és minimálisra csökkentik a szükséges alkatrészek számát.
Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics
Digi-Key Electronics
www.digikey.hu
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
#e4202a
