20 I www.finestreet.ru
компоненты пассивные элементы
Александр КОСОЛАПОВ
gleb@realchip.ru
Аэрогелевые конденсаторы
фирмы NessCap
Потребность современной техники в новых источниках тока привела к появлению нового класса устройств — суперконденсаторов (Supercap). Эта статья рассказывает об их устройстве, принципе действия и областях применения.
Принцип действия
Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя (ДЭС). Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника (из которого изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника (например, активированного угля) достигает 1500-2000 м2/г, емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100-500 Ф.
Напряжение электрохимических конденсаторов (одного элемента) в большинстве случаев составляет 2,3—2,7 В. Оно ограничено величиной, при которой на электродах становится возможным процесс электролиза электролита (зависит от природы электролита).
Опираясь на эти физические принципы, компания ЫеввСар Со., выпускает серию аэрогелевых двухслойных конденсаторов (суперконденсаторов) на основе вспененного углеродного материала.
Приставку «супер» конденсаторы получили благодаря большой емкости по отношению к габаритам: так, у компании Ые88Сар Со., они имеют в 2000 раз большую объемную емкость по сравнению со стандартными алюминиевыми электролитическими конденсаторами, чрезвычайно низкий уровень последовательного сопротивления
X >•
3 2 О I
ь а
® о СП о-
Электролит
©©©©©©©©©©
©ееее©©©©©
Конструкция
R] R;
Эквивалентная схема
Рис. 1. Конструкция и эквивалентная схема суперконденсатора
ДУобщ. = IxR+lxAt/qf)
Рис. 2. Напряжение на нагрузке в зависимости от времени разряда
и ультранизкую утечку тока. Суперконденсаторы могут быть использованы как для длительного хранения энергии, так и кратковременного питания нагрузки большими токами, поскольку обеспечивают чрезвычайно высокую скорость разряда и большую, до 4000 Вт/кг, плотность энергии (примерно в 10 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов).
Характеристики при разряде на нагрузку
Основные достоинства суперконденсаторов заключаются в большой электроемкости при малых габаритах, а также в крайне малом значении эквивалентного последовательного сопротивления (ЕБЯ). На практике не требуется применение специальных схем зарядки, управления процессом разряда; имеется возможность простой пайки контактов на печатную плату (в отличие от батарей). Кроме того, эти конденсаторы не содержат опасных и вредных веществ.
Величина емкости и Е8И оказывает влияние на характер временной зависимости напряжения.
Так, при разрядке суперконденсатора на нагрузку первоначально напряжение падает на величину АУ1г (влияние ЕвИ конденсатора), после чего разрядная кривая принимает вид экспоненты (участок АУ(3).
В результате при больших импульсных разрядных токах основную роль играет резистивная составляющая общего сопротивления конденсатора, а при малых импульсных токах большой длительности — емкостная составляющая. Поэтому при работе с большими импульсами тока следует применять суперконденсаторы с малым Е8И, а при работе с малыми токами — конденсаторы большой емкости.
Характеристики при импульсной нагрузке
В ряде случаев, чтобы выяснить преимущества применения суперконденсаторов, до-
статочно составить простейшую цепь из батареи и нагрузки (в данном случае используется усилитель мощности).
В нашем примере усилитель воспроизводил импульсный сигнал, длительность пачки импульсов составляла 300 мс (рис. 3-4). Видно, что просадка напряжения с суперконденсатором вдвое меньше, чем без него.
Поскольку аккумулятор запасает намного больше энергии, чем конденсатор, его последовательное сопротивление потерь также намного выше. Конденсатор берет на себя часть нагрузки, ограничивая максимальный ток и продлевая тем самым жизнь батарее.
Применение суперконденсаторов
В автомобильных аудиосистемах
Общая выходная мощность автомобильных аудиосистем выросла с единиц до десятков ватт, потребляемые токи выросли также в десятки раз, наблюдается явная тенденция увеличения процентного соотношения использования низкочастотных звуков, при этом напряжение бортовой сети осталось неизменным — 12 В.
Обычные свинцовые батареи, применяемые в автомобилестроении, имеют достаточно высокий энергозапас, однако вследствие электрохимических реакций, протекающих с определенной скоростью на их электродах, они не могут адекватно реагировать на мощные кратковременные нагрузки, возникающие при работе усилителя. Их внутреннее сопротивление не позволяет реализовать возникающие при этом большие разрядные токи. При работе усилителя с традиционным аккумулятором на режимах высокой мощно-
сти напряжение бортовой сети автомобиля резко падает, что ощутимо отражается на качестве воспроизведения аудиопрограмм: появляются искажения, особенно в области низких частот, возникает нестабильность громкости звучания.
Традиционно эта проблема решалась путем установки дополнительных классических алюминиевых конденсаторов в цепь питания усилителя аудиосистемы. Это хорошие конденсаторы, но сегодня они уже не могут обеспечить высокое качество работы современных мощных (к примеру, 50 Вт) усилителей при приемлемых массогабаритных и технических характеристиках.
Появление на рынке в конце ХХ века электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем — суперконденсаторов — с более высокими удельными характеристиками, чем у обычных алюминиевых конденсаторов, позволило им занять серьезную нишу на рынке автоаудиосистем ряда зарубежных стран.
Общеизвестно, что красота глубокого тембра низких частот тем ярче, чем длительнее импульс. Для частот ниже 50 Гц всегда желательно продлить звучание на время более 100 мс при сохранении установленной мощности прослушивания. Сравнительные испытания суперконденсаторов и алюминиевых конденсаторов, проведенные известными в области Car-Audio компаниями — Alumapro, JME (США), показали явные преимущества суперконденсаторов.
Даже в диапазоне мощности усилителя до 80 Вт, где традиционно применялись алюминиевые конденсаторы, суперконденсаторы показывают более высокое напряжение
в конце 100-й миллисекунды разряда, а следовательно, и более высокую мощность (табл. 1).
А если говорить о более мощных системах, которые сейчас наиболее популярны, то старый принцип: 1 Ф на 40 Вт перестает действовать. Из табл. 2 видно, что 2 Ф алюминиевого конденсатора не в состоянии поддерживать качество звука в 80-Вт аудиосистеме.
В то же время суперконденсаторы при работе с усилителем мощностью выше 80 Вт обеспечивают мощность пролонгированного импульса низкой частоты и, следовательно, качество тембровой окраски.
Последние испытания показали также эффективность использования суперконденсаторов для поддержки качества средних и высоких частот. При этом суперконденсатор поддерживает мощность на этих частотах в миллифарадном диапазоне.
В бесперебойных источниках питания Существует несколько типов бесперебойных источников питания, отличающихся по схемотехнике, однако в любом из них есть элемент (например, аккумулятор), способный отдавать накопленную энергию на преобразователь.
К примеру, при топологии DoubleConversion On-Line (True On-Line) используется несколько основных модулей:
1. входной фильтр;
2. фильтр;
3. выпрямитель/зарядное устройство;
4. коммутатор;
5. батарея;
6. инвертор.
В случае замены аккумуляторной батареи на суперконденсаторы модули 3 и 4 упроща-
Таблица 1. 40 Вт
Тип конденсатора и емкость і фарада, Алюминиевый 15 фарад, Cупeркондeнсатор 30 фарад, Cупeркондeнсатор
Напряжение конденсатора в конце 100-й миллисекунды 11,6 В 11,84 В 11,9 В
Таблица 2. 80 Вт
Тип конденсатора и емкость 2 фарады, Алюминиевый 15 фарад, Cупeркондeнсатор 30 фарад, Cупeркондeнсатор
Напряжение конденсатора в конце 100-й миллисекунды «0» В 10,98 В 11,14 В
22 компоненты пассивные элементы
CURRENT-
LIMITER Пкс I
0
+
VCC
(orVB)
T
Control
|(ESR)
Supercapacitor
PULSED
LOAD
Рис. 5. Схема включения суперконденсатора
15 20 25 30 35
Battery Run Time, minutes
Рис. 6. Напряжение для случаев включения батареи без суперконденсатора (синий график) и батареи с суперконденсатором (желтый график)
ются, но инвертор работает непрерывно и переключений режима его работы при аварии питающего напряжения сети не происходит. При наличии питающего напряжения в сети мощность, потребляемая инвертором от батареи, полностью компенсируется мощным зарядом батареи.
Коммутатор обеспечивает подачу напряжения сети напрямую с входа на выход (в случае аварии инвертора или необходимости замены батарей «на ходу»).
Данная топология применяется в тех случаях, когда защищаемое оборудование очень чувствительно к качеству питающего напряжения. Она обеспечивает наивысшую степень защиты оборудования:
• для хранения информации (счетчики, память, микроконтроллеры);
• в устройствах, облегчающих запуск двигателей внутреннего сгорания (обеспечивает более плавный запуск при пониженных температурах окружающей среды);
• в устройствах сглаживания пиковых нагрузок;
• в устройствах, накапливающих энергию и отдающих ее в течение длительного промежутка времени.
Например: солнечная батарея — суперконденсатор — потребитель (элемент индикации) или ветряной генератор — батарея суперконденсаторов — потребитель (жилой дом).
В сотовых системах стандарта GSM Поскольку такие устройства используют импульсы до 2 А, включение суперконденсатора параллельно батарее питания повышает как КПД ВЧ усилителя трубки, так и эффективность источника питания.
Так, в частности, был проведен тест с подключением литий-ионной батареи емкостью 600 мА-ч на «пульсирующую» нагрузку GPRS Class 10 (2 A при ширине импульса 1,154 мс, 100 мА для длительного времени) и использовании параллельно батарее суперконденсатора 1Ф (рис. 5).
В результате теста при работе батареи на нагрузку GPRS Class 10 напряжение снизилось до уровня 3,3 В за 14,9 мин (синий график). В то же время, если параллельно батарее включить суперконденсатор, то снижение напряжения до уровня 3,3 В происходит уже за 38,1 мин. В портативных компьютерах
Включение параллельно аккумуляторам суперконденсатора продлевает время работы компьютера без подзарядки.
В качестве источника тока для привода высоковольтных размыкателей
Применение суперконденсатора дает возможность повысить надежность системы питания, уменьшить ее габариты и вес. Системы питания задвижек и аварийных клапанов трубопроводов, систем вентиляции и кондиционирования воздуха в аварийных ситуациях
Батареи суперконденсаторов, в отличие от аккумуляторов или пневматических систем приводов, не требуют обслуживания, имеют срок службы более 12 лет, обладают большой надежностью и безопасностью. Источники энергии для физических установок, импульсно-периодических лазеров, сверхъярких светодиодов
В качестве примера приведена часть схемы включения суперконденсатора 1,2 Ф в составе фотовспышки при нагрузке на сверхъяр-кий светодиод фирмы Lumiled LXCL-PWF1.
Замена в таких устройствах традиционных конденсаторных накопителей на накопители
Vref/+ 1V22
-CZb
1М5
Vout = 5,5 V
LED Current Control
-CZb
100k
8350
Disable . Current ■—I Ц
ff^856
Lumiled
Ъ LXCL-PWF1 J1’2F/“
ST Micro TS1851
оит>у——| k =^= 220p
3k3
Zetex
ZXM64N02X
_f_f
UL
Disable
Boost
T-------------------?— t—£
Supercapacitor ~tL CAP-XX GW118 7*rg"Semi M
---- О MBRA13QLT3 і
Panasonic ELL6RH330M
Zetex
ZXT13N50DE6I
1xLI-lon
pi-
Torch/* FI ash
Vcc EM RE Vdrive
Isense
0 47т Rsense LED 47т Rsense BJT и
BOOST Zetex
ZXSC100
Рис. 7. Схема включения суперконденсатора в фотовспышке
на базе суперконденсаторов приводит к значительному снижению габаритов и веса источника энергии, а во многих случаях — и к уменьшению цены.
Параллельное и последовательное включение суперконденсаторов
Для случаев, где не может справиться один конденсатор, разработаны специальные батареи с параллельным или последовательным включением конденсаторов. Прежде всего, раз-работники должны убедиться, что рабочее напряжение, определенное для таких батарей, не вызовет перегрузку отдельных конденсаторов. Рабочее напряжение для каждого конденсатора вирегСар не должно превышать 85% от номинального. В циклическом функционировании при соответствующем расчете схемы это напряжение может быть несколько выше. Кроме того, после разрядки на отдельных конденсаторах в течение определенного периода времени не должно появляться никакое отрицательное напряжение.
Более высокое значение тока может быть получено при параллельном соединении конденсаторов вирегСар. Но если в ходе работы происходит глубокий разряд конденсаторов, конфигурация батареи должна быть изменена. Во время зарядки конденсаторы должны быть развязаны друг от друга специальными резисторами, а параллельное их включение осуществляется только непосредственно перед началом процесса разряда.
При использовании последовательной схемы включения каждый отдельный конденсатор не должен быть заряжен выше его максимально допустимого напряжения. Полное напряжение по постоянному току должно быть разделено пропорционально ЕвИ различных конденсаторов вирегСар.
Поскольку ЕвИ отдельных конденсаторов в батарее может сильно различаться, приложенное к ней постоянное напряжение может быть распределено очень неравномерно, что приведет к перегрузке отдельных конденсаторов. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры для обеспечения однородного распределения напряжения. Наиболее надежный способ заключается в том, чтобы для заряда различных конденсаторов исполь-
зовались электрические изолированные источники напряжения.
Если изолированные источники напряжения не могут быть использованы, ситуацию можно исправить, соединяя различные конденсаторы с внешними балластными резисторами ИЬа1, сопротивление которых должно быть одинаковым. Если полученное при делении напряжение существенно ниже номинального напряжения конденсатора вирегСар, балластные резисторы можно не использовать.
Опыт показывает, что это может быть реализовано (в разумном соотношении) с помощью двух или трех отдельных конденсаторов (возможно и больше, если изделие это допускает), пока полное напряжение не превышает 80% от произведения числа конденсаторов на их номинальное напряжение. При этом надо следить за тем, чтобы последовательно соединялись конденсаторы одного типа с одинаковой емкостью, а их ЕвИ не отличались значительно.
Все описанные рекомендации относятся и к батареям конденсаторов более сложной конфигурации. Для случая уравнивания напряжения с помощью балластных резисторов рекомендуется, чтобы каждый отдельный конденсатор имел свой собственный резистор.
Здесь показано, как параллельно соединенные конденсаторы могут быть объединены
в последовательную схему с помощью одного балластного резистора на группу. Это решение несколько проще приведенного ранее, но имеет один существенный недостаток: если один из конденсаторов выйдет из строя, приложенное напряжение будет перераспределено среди оставшихся последовательно включенных конденсаторов, что может привести к их перегрузке и значительному сокращению срока службы батареи в целом.
В схеме уравнивания напряжения балластными резисторами (рис. 9), опасности подвергается только один ряд конденсаторов. В более простой схеме, при использовании одного балластного резистора на группу (рис. 10), повышенное напряжение воздействует на все ряды последовательно соединенных конденсаторов, и повреждение может быть гораздо более серьезным. По той же самой причине в комбинированных схемах надо избегать внутренних связей между параллельно включенными конденсаторами без использования балластных резисторов.
Расчет суперконденсатора
Поскольку суперконденсатор имеет те же самые физические принципы работы, что и обычный конденсатор, то и необходимые параметры электроемкости и рабочего напряжения можно получить, опираясь на известные формулы для обычного конденсатора.
Полную расчетную информацию можно найти в Интернете (http://www.cap-xx.com/ resources/designaids/design_calc.htm). Здесь представлены расчетные формы в виде графиков для различных схем включения конденсаторов.
Конструктивное исполнение суперконденсаторов фирмы ЫеззОар
В зависимости от требований суперконденсаторы разделены на несколько серий: Серии ESLSR, ESLLR, ESLLP, PSHLR
Отличаются напряжением 2,3 В и ЕвИ (внутренним сопротивлением 0,5-150 мОм) при значениях емкости 3-3500 Ф. Выпускаются в призматических и цилиндрических корпусах, благодаря чему могут применять-
ся в устройствах, где требуется быстрая разрядка, а также в источниках накопления энергии (серия РвНЬИ).
Серии ESHSR, ESHSP, ESHLR, ESHLP Имеют рабочее напряжение 2,7 В и внутреннее сопротивление 0,35-100 мОм. Они могут применяться в необслуживаемых системах резервного питания. В серии представлены конденсаторы емкостью от 5 до 5000 Ф. Серии EMLLR, EMHSR,
EMHSP, EMHLR, EMHLP
Выпускаются в цилиндрических или призматических корпусах и в виде сборок, имеют разное напряжение — от 4,6 до 340 В при значении емкости 1,5-238 Ф и низком ЕвИ (3-500 мОм) для применения в различных устройствах.
Выводы
Основные физические принципы работы суперконденсаторов схожи с работой электролитических конденсаторов, однако запасенная энергия во много раз больше, чем в последних. В то же время суперконденсаторы уступают по плотности энергии аккумуляторам (литий-ионным), но могут отдавать в десятки, а то и в сотни раз большие токи на нагрузку без каких-либо последствий для себя. Так, многие зарубежные компании (в том числе немецкая компания Sonnenschein lithium) выпускают готовые модули питания «два в одном» — батарея с суперконденсатором — для применения в различных устройствах, где требуется им-
пульсное питание. Все это предсказывает, что суперконденсаторы займут достойное место среди электронных компонентов. ■
Литература
1. ШурыгинаВ. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания // Электроника: Наука Технология Бизнес. 2003. № 3.
2. PowerStor, Aerogel Supercapacitors Provide Both High Energy and High Power Stability: 2003-2005. Site company Cooper Bussman.
3. AVX, BestCap, Ultra-low ESR, High Power Pulse Supercapacitance B. E. Site company AVX, 2005.
4. Zeff R. Car Audio&Electronics. 2002.