Superkondensatory są ciekawą alternatywą dla klasycznych akumulatorów wszędzie tam, gdzie liczy się bardzo szybkie ładowanie, duża liczba cykli i możliwość oddania wysokiego prądu w krótkim czasie. Nie zastępują baterii w każdym zastosowaniu, bo mają mniejszą gęstość energii i zauważalny prąd upływu, ale w dobrze zaprojektowanym układzie potrafią pełnić rolę bufora, podtrzymania zasilania albo źródła impulsu mocy. Poniżej omawiamy zasadę działania superkondensatora, przykładowy obwód ładowania oraz najważniejsze zasady bezpiecznego doboru napięcia i prądu.
Co to jest superkondensator
Schemat budowy superkondensatora.
Superkondensator, nazywany również ultrakondensatorem, to element pasywny o znacznie większej pojemności niż typowy kondensator elektrolityczny. Zamiast magazynować energię wyłącznie w klasycznym dielektryku, wykorzystuje zjawiska zachodzące na granicy elektrody i elektrolitu, najczęściej w postaci elektrycznej warstwy podwójnej. Dzięki temu osiąga pojemności liczone w faradach, a nie w mikrofaradach.
Kondensator elektrolityczny dla porównania.
Pojedyncze ogniwo superkondensatora ma zwykle niskie napięcie znamionowe, często około 2,7 V. W praktyce spotyka się też gotowe moduły 5,5 V złożone z dwóch ogniw połączonych szeregowo. Jeśli układ wymaga wyższego napięcia, superkondensatory łączy się w szereg, pamiętając o balansowaniu napięć między ogniwami.
W porównaniu z kondensatorami elektrolitycznymi superkondensatory przechowują znacznie więcej energii na jednostkę masy i objętości, ale wciąż mniej niż akumulatory litowo-jonowe. Ich przewagą jest za to bardzo duża liczba cykli ładowania i rozładowania, krótki czas ładowania oraz niska rezystancja ESR, która pozwala oddawać wysokie prądy impulsowe.
Nie należy jednak traktować superkondensatora jak zwykłej baterii. Energia jest oddawana szybko, napięcie spada wraz ze stopniem rozładowania, a prąd upływu może mieć znaczenie przy długim podtrzymaniu zasilania. Dlatego w projektach elektronicznych superkondensator najczęściej pracuje jako bufor energii, element podtrzymania pamięci, źródło krótkiego impulsu albo wsparcie akumulatora.
Superkondensator, obwód ładowania
Rysunek elektryczny
Schemat przykładowej ładowarki superkondensatora.
Niezbędne składniki
Zasilacz 12 V
Układ scalony LM311 – 1 szt.
Regulator napięcia LM317 – 1 szt.
Tranzystor MOSFET IRFZ44N – 1 szt.
Tranzystor PNP BC557 – 1 szt.
Diody LED – 2 szt.
Rezystor 1 kΩ – 3 szt.
Rezystor 2,2 kΩ – 1 szt.
Rezystor 1,5 kΩ – 1 szt.
Rezystor 10 kΩ – 3 szt.
Rezystor 3,3 kΩ – 1 szt.
Kondensator 1 nF – 1 szt.
Superkondensator 5,5 V / 1 F – 1 szt.
Jak to działa
W obwodzie regulator LM317 ustala napięcie ładowania.
Przykładowy układ jest zasilany z adaptera 12 V. Regulator LM317 ogranicza napięcie dostępne dla superkondensatora 5,5 V, a tranzystor MOSFET IRFZ44N pełni funkcję przełącznika prądu ładowania. Komparator LM311 obserwuje napięcie superkondensatora i porównuje je z progiem ustawionym przez dzielnik rezystorowy. Gdy napięcie jest zbyt niskie, MOSFET pozostaje włączony i superkondensator się ładuje. Po osiągnięciu ustawionego progu ładowanie zostaje odłączone, a tranzystor BC557 może zaświecić diodę LED sygnalizującą zakończenie procesu.
Rezystory w pętli LM317 wyznaczają napięcie wyjściowe regulatora.
Napięcie wyjściowe LM317 wynika z zależności Vout ≈ 1,25 V × (1 + R2/R1), z pominięciem niewielkiego prądu regulacyjnego. Dla pary rezystorów 1 kΩ i 3,3 kΩ otrzymujemy około 5,3 V, czyli wartość odpowiednią dla modułu superkondensatora 5,5 V, o ile mieści się ona w tolerancjach elementów. W praktycznym projekcie warto zostawić zapas względem napięcia znamionowego i uwzględnić dokładność rezystorów oraz regulatora.
Komparator LM311 pracuje jako prosty nadzór napięcia. Dzielnik 2,2 kΩ i 1,5 kΩ tworzy z zasilania 12 V napięcie odniesienia około 4,86 V. Kiedy napięcie mierzone na superkondensatorze jest niższe od progu, wyjście komparatora steruje bramką MOSFET-a tak, aby ładowanie trwało dalej. Po przekroczeniu progu MOSFET zostaje wyłączony, a dioda LED informuje, że układ osiągnął zadany poziom napięcia.
Jak naładować superkondensator?
Superkondensator można ładować z kontrolowanego źródła napięcia i prądu.
Źródło: Wikimedia Commons
Najprostszy sposób ładowania polega na podłączeniu bieguna dodatniego superkondensatora do dodatniego wyjścia zasilacza, a bieguna ujemnego do masy. W praktyce nie wystarczy jednak samo „podanie napięcia”. Trzeba ograniczyć prąd rozruchowy, ponieważ rozładowany superkondensator na początku zachowuje się niemal jak zwarcie.
Napięcie ładowania nie może przekraczać napięcia znamionowego superkondensatora. Przekroczenie tej granicy zwiększa prąd upływu, przyspiesza degradację elementu, a w skrajnym przypadku może doprowadzić do uszkodzenia lub rozszczelnienia. Dla dłuższej żywotności często ładuje się superkondensator do napięcia nieco niższego niż maksymalne, zwłaszcza jeśli układ pracuje w podwyższonej temperaturze.
Ograniczenie prądu można zrealizować rezystorem szeregowym, źródłem prądowym albo dedykowanym układem ładowania. Rezystor jest najprostszy, ale powoduje straty mocy i wydłuża czas ładowania. W urządzeniu seryjnym lepszym rozwiązaniem bywa kontrolowany układ ładowarki, który pilnuje zarówno prądu, jak i końcowego napięcia.
Zastosowania
Superkondensator może pracować jako szybki bufor energii w urządzeniu elektronicznym.
Superkondensatory najlepiej sprawdzają się tam, gdzie energia jest magazynowana krótko, a cykle ładowania i rozładowania powtarzają się bardzo często. Nie są optymalnym wyborem do wielodniowego zasilania urządzenia, ale bardzo dobrze radzą sobie z podtrzymaniem, odzyskiem energii i impulsami dużej mocy. Typowe zastosowania obejmują między innymi:
Odtwarzacze MP3
Autobusy
Pociągi
Dźwigi
Windy
Statyczne pamięci RAM
Turbiny wiatrowe
Profesjonalne lampy błyskowe do aparatów fotograficznych
Telefony komórkowe
Laptopy
Samochody elektryczne
FAQs:
Jaka jest różnica między kondensatorem a superkondensatorem?
Przykład klasycznego kondensatora.
Źródło: Wikimedia Commons
Kondensator magazynuje energię w polu elektrycznym między okładkami rozdzielonymi dielektrykiem. Superkondensator magazynuje energię przede wszystkim na granicy elektrody i elektrolitu, w elektrycznej warstwie podwójnej, a w części konstrukcji również dzięki zjawiskom pseudopojemnościowym. W efekcie ma dużo większą pojemność, ale niższe napięcie pojedynczego ogniwa i większy prąd upływu niż typowy kondensator.
Jaki jest najszybszy sposób ładowania superkondensatora?
Najszybsze ładowanie zapewnia zasilacz lub ładowarka pracująca z kontrolą prądu i napięcia, ustawiona zgodnie z dopuszczalnymi parametrami danego superkondensatora. Nie należy po prostu podłączać elementu do źródła o dużej wydajności prądowej bez ograniczenia, bo początkowy prąd może przekroczyć możliwości zasilacza, ścieżek PCB albo samego elementu.
Jak długo superkondensator może utrzymać ładunek?
To zależy od pojemności, prądu upływu, temperatury oraz obciążenia podłączonego do układu. W zastosowaniach praktycznych czas podtrzymania może wynosić od sekund i minut do wielu godzin, a przy bardzo małych prądach nawet dłużej. Superkondensator nie jest jednak idealnym magazynem długoterminowym, dlatego przy projektowaniu trzeba sprawdzić prąd upływu w nocie katalogowej.
Czy superkondensator może zastąpić baterię?
Superkondensatory mogą zastąpić baterię tylko w wybranych zastosowaniach.
Czasami tak, ale nie jest to zamiennik jeden do jednego. Superkondensator może zastąpić baterię tam, gdzie potrzebne jest krótkie podtrzymanie zasilania, szybkie ładowanie albo bardzo duża liczba cykli. Jeśli urządzenie ma pracować długo bez ładowania, klasyczny akumulator zwykle pozostaje lepszym wyborem ze względu na większą gęstość energii.
Podsumowanie
Superkondensator jest dobrym narzędziem projektowym, ale tylko wtedy, gdy uwzględni się jego ograniczenia. Zapewnia szybkie ładowanie, wysoką moc chwilową i długą żywotność cykliczną, natomiast wymaga kontroli napięcia, ograniczenia prądu ładowania i przemyślenia czasu podtrzymania. Przy wyższych napięciach trzeba też zadbać o poprawne łączenie ogniw w szereg oraz balansowanie.
Czy masz pytania dotyczące superkondensatorów lub obwodu ładowania? Zapraszamy do kontaktu z nami!