Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX

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.

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.

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).

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!

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).