Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX

| CAP-XX Ltd

Известный производитель сверхтонких суперконденсаторов компания CAP-XX провела интересное исследование на примере своих моделей GW201 и GW208. В нем ставилась цель выяснить, как меняется эффективность работы суперконденсаторов, если устанавливать их не вблизи нагрузки, а на значительном расстоянии. В результате оказалось, что даже при использовании проводного монтажа они сохраняли высокую эффективность.

Суперконденсаторы от CAP-XX

Рис. 1. Суперконденсаторы от CAP-XX

Если не углубляться в техническую сторону вопроса, то можно сказать, что суперконденсаторы – это компоненты, которые занимают место между аккумуляторами и обычными конденсаторами.

Суперконденсаторы имеют значительную энергетическую емкость и могут использоваться вместо химических источников тока (литиевых аккумуляторов, алкалиновых батареек и т. д.). Например, сверхтонкие суперконденсаторы компании CAP-XX при толщине всего 0,6 мм обладают удельной емкостью, которая в 100 раз больше, чем у обычных конденсаторов. С другой стороны, они способны обеспечивать очень высокие разрядные токи, отличаются низкими токами утечки и малым значением последовательного активного сопротивления (ESR), что роднит их с конденсаторами.

Конечно, такое промежуточное положение не позволяет полностью отказаться от аккумуляторов и конденсаторов, но, тем не менее, существует несколько случаев, когда использование суперконденсаторов дает очень много преимуществ. Примерами таких приложений являются портативные приборы с батарейным питанием и значительными импульсными токами: светодиодные вспышки фотоаппаратов, устройства с GSM и GPRS приемопередатчиками, системы с картами памяти (PC и CF+ ).

Большую часть времени в таких устройствах потребление оказывается гораздо меньше, чем номинальный ток аккумулятора. Например, приемопередатчик GPRS класса 10 имеет ток покоя 100 мА, а во время передачи он потребляет до 2 А! Такие импульсы тока приводят к возникновению различных проблем.

Отключения при просадке напряжения. Броски тока неизбежно вызывают просадку напряжения, а это может привести к выключению электроники.

Преждевременный разряд аккумуляторов. За счет периодических бросков тока разряд аккумулятора происходит значительно быстрее, чем при его работе при постоянном номинальном токе.

Сокращение срока службы аккумуляторов. Значительные токи и перепады напряжений неизбежно сказываются на сроке службы аккумулятора, который обычно измеряется числом циклов заряда-разряда. Каждый значительный импульс, по сути, и есть миниатюрный заряд-разряд, а так как таких импульсов много, то они понемногу «убивают» аккумулятор.

Ограничение диапазона рабочих температур. Хорошо известно, что при снижении температуры эффективность аккумуляторов падает. Это выражается в снижении их номинальных и пиковых выходных токов. Чтобы устройство работало при низких температурах, нужно выбирать более мощную батарею, что негативно сказывается на габаритах и массе.

К сожалению, решить эти проблемы с помощью обычных конденсаторов нельзя, так как они имеют слишком малую емкость. Зато суперконденсаторы в таких случаях подходят идеально. Они перезаряжаются от аккумуляторов в течение интервалов с низкими нагрузочными токами и отдают накопленную энергию в моменты пиковой нагрузки. В итоге, получается гибридная связка с большой емкостью, малым последовательным сопротивлением и малыми токами утечки. При этом перечисленные выше проблемы оказываются решены:

  • Устранение просадок напряжения за счет малого ESR суперконденсатора;
  • Продление срока службы аккумулятора за счет снижения пиковой нагрузки;
  • Увеличение длительности работы аккумулятора между подзарядками;
  • Расширение температурного диапазона. Суперконденсаторы не так чувствительны к низким температурам и обеспечивают разрядные токи, которые аккумуляторы выдавать не способны.

Однако многие могут сразу увидеть недостаток суперконденсаторов – очень часто их невозможно разместить в непосредственной близости от нагрузки. Это особенно сложно, когда в системе есть несколько мощных импульсных потребителей.

Логика подсказывает, что чем ближе источник энергии к нагрузке, тем меньше индуктивность и активное сопротивление проводников. При этом провода (или дорожки печатной платы) должны быть минимальной длины и максимального сечения (ширины). В случае обычных конденсаторов проблема решается просто – на каждого потребителя навешиваются индивидуальные емкости, которые располагают у вывода питания. А вот разместить несколько суперконденсаторов в портативном устройстве иногда проблематично. Таким образом, встает вопрос: не получится ли так, что все перечисленные достоинства окажутся реальностью только в самых простых случаях с одним потребителем?

Чтобы успокоить пользователей, инженеры CAP-XX провели ряд испытаний. В них они показали, что увеличение расстояния до нагрузки даже в случае проводного монтажа незначительно снижает эффективность суперконденсаторов.

Тестовый стенд включал в себя источник питания, последовательное сопротивление Rs, нагрузку в виде GPRS модуля и суперконденсатор (рис. 2). Сопротивление Rs имитировало внутреннее сопротивление литиевого аккумулятора и составляло 100 мОм. Проводились испытания с помощью двух суперконденсаторов от CAP-XX: GW201A с собственным сопротивлением 80 мОм и GS208D с собственным сопротивлением 40 мОм.

Схема испытания эффективности суперконденсатора

Рис. 2. Схема испытания эффективности суперконденсатора

Всего было выполнено шесть тестов, по три на каждый суперконденсатор. В первой паре испытаний они подключались в непосредственной близости от нагрузки. Во второй паре испытаний суперконденсаторы подключались с помощью тонких проводов CSA сечением 0,336 мм2 и длиной 10 см. В третьей паре испытаний использовались провода той же длины 10 см, но сечением 1 мм2.

Для каждого случая были проведены измерения падения напряжения при протекании импульсов тока 2 А. Выяснилось, что ни расстояние, ни сечение проводника не оказывают существенного влияния на качество работы суперконденсатора. В случае с GW201A при минимальном расстоянии до нагрузки падение напряжения в импульсе составило 128 мВ, при подключении тонким проводом длинной 10 см величина падения была 140 мА, а при использовании проводника среднего сечения 134 мВ! Схожие результаты были получены и для  GS208D: 68 мВ, 78 мВ и 76 мВ, соответственно!

Осциллограммы испытаний демонстрируют минимальные скачки напряжений во всех случаях (рис. 3).

Осциллограммы при различном расположении суперконденсатора относительно нагрузки

Рис. 3. Осциллограммы при различном расположении суперконденсатора относительно нагрузки

Интересно, что провода длиной 10 см - вовсе не предел! Например, использование 20 см кабеля добавит последовательному сопротивлению всего 4 мОм (сечение провода 1 кв.мм) и 10,7 мОм (сечение 0,336 кв. мм.). А это не так и много, если учесть, что собственное сопротивление суперконденсатора GW201A 80 мОм.

Таким образом, даже единственный расположенный на удалении суперконденсатор даст положительный эффект в виде всех перечисленных выше факторов. В качестве примера можно привести график длительности работы аккумулятора при наличии суперконденсатора и без него (рис. 4). При использовании суперконденсатора амплитуда бросков напряжения на аккумуляторе снизилась примерно в 6 раз, а длительность одного цикла разряда возросла более чем в 2 раза!

Увеличение длительности работы аккумулятора при наличии суперконденсатора

Рис. 4. Увеличение длительности работы аккумулятора при наличии суперконденсатора

Портативные приборы - не единственная область, в которой успешно применяются суперконденсаторы, есть и множество других:

  • Автомобильная электроника (электромобили и электрокары, автомобильные логистические системы, навигаторы и т.д.);
  • Медицинские приборы (инсулиновые помпы, портативные биометрические сенсоры, беспроводные системы мониторинга состояния пациента и т. д.);
  • Счетчики электричества/ воды/ газа/ тепла с беспроводным интерфейсом;
  • Промышленная электроника (беспроводные датчики, автоматика и т.д.);
  • Потребительская электроника (электронные книги, игрушки, навигаторы, музыкальные плееры, ноутбуки, ПК и т. д.);
  • Беспроводные системы (интернет вещей IoT, мобильные телефоны и смартфоны, планшеты и т. д.).

Характеристики суперкондесатора GS208:

  • максимальное номинальное напряжение: 5,0 В;
  • типовая емкость: 900 мФ;
  • типовое активное последовательное сопротивление: 20  мОм;
  • типовой ток утечки (23 °С): 2 мкА;
  • максимальный среднеквадратичный ток (23 °С): 8 А;
  • максимальный пиковый ток (23 °С): 30 А;
  • диапазон рабочих температур: -40…+70 °C;
  • толщина корпуса: 3,0 мм (GS208F), 3,1 мм (GS208G).

Характеристики суперкондесатора GW201:

  • максимальное номинальное напряжение: 5,0 В;
  • типовая емкость: 400 мФ;
  • типовое активное последовательное сопротивление: 45  мОм;
  • типовой ток утечки (23 °С): 1 мкА;
  • максимальный среднеквадратичный ток (23 °С): 6 А;
  • максимальный пиковый ток (23 °С): 30 А;
  • диапазон рабочих температур: -40…+70 °C;
  • толщина корпуса: 2,5 мм (GS201F), 2,6 мм (GS201G).
Производитель: CAP-XX Ltd
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
GS208F
GS208F
CAP-XX Ltd
Арт.: 2097626 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Сверхтонкие суперконденсаторы компании CAP-XX толщиной всего 0,6 мм и удельной емкостью, превышающей емкость обычных конденсаторов в 100 раз. Аналог GW208(D)
GS208F
-
Поиск
предложений
GW201F
GW201F
CAP-XX Ltd
Арт.: 2097627 ИНФО PDF
Доступно: 81 шт. от: 1800 руб.
Сверхтонкие суперконденсаторы компании CAP-XX толщиной всего 0,6 мм и удельной емкостью, превышающей емкость обычных конденсаторов в 100 раз. Аналог GW201(A)
GW201F 1800,00 от 2 шт. 1550,00 от 5 шт. 1420,00
7 шт.
(на складе)
74 шт.
(под заказ)