Суперконденсаторы и их роль в системах питания электроники ближайшего будущего

Расширенная функциональность означает не только большую сложность технических решений и компонентов, заложенных в электронном оборудовании, но и более высокую потребляемую этой электроникой мощность, особенно если речь идет об устройствах, работающих в сети и осуществляющих обмен данными, — например, интеллектуальных счетчиках учета расхода ресурсов, в том числе воды и тепла, которые не имеют подключения к питающей сети и передают показания по графику или по запросу. Инженеры-разработчики и технологи прошли большой путь в этом направлении, минимизировав потребляемые ватты и уменьшив потери в динамических режимах работы. Кроме того, сокращение общего энергопотребления, когда не требуется обработка и передача данных, достигается и переводом устройства в дежурный режим или в еще менее энергозатратный режим сна. Это позволяет использовать небольшие источники питания или питать такие устройства путем сбора свободной энергии — тепла, стороннего электромагнитного излучения, вибрации, солнечной энергии и т. п.

Однако остаются некоторые функции, требующие пусть и в короткий период времени мгновенной отдачи относительно большой мощности, например в момент передачи информации по каналу беспроводной связи или включения светодиодной ИК-вспышки при фотосъемке для фиксации текущей ситуации по команде датчика, обнаружившего несанкционированное движение в охраняемой зоне. И это далеко не все. Есть устройства, которые, имея малое собственное потребление во время функционирования, по своей природе требуют кратковременной повышенной мощности. Здесь можно отметить устройства, в чьем составе имеются небольшие электродвигатели или аудиоусилители. Сюда можно отнести и весь парк маломощной и, как правило, малогабаритной электроники, для которой критична не только сама возможность получения пиковой мощности, но и габариты и стоимость обеспечивающего такую мощность решения.

Использование в подобных устройствах для обеспечения требуемой пиковой мощности батарей оказывается неэффективным, громоздким и относительно дорогим, поэтому здесь предпочтительно иное решение проблемы пиковой нагрузки. Для того чтобы глубже понять суть проблемы, рассмотрим типичную ситуацию — проблему организации эффективного питания. Например, мы проектируем некий датчик типа «интеллектуальной пыли», который действует в составе ячеистой сети, расположен в зоне с ограниченным доступом и питается путем сбора свободной энергии или миниатюрной батареи. Это связано с тем, что с точки зрения массогабаритных ограничений мы не можем питать его от относительно мощной батареи, к тому же требующей выезда персонала для периодической замены. Максимум, что мы можем себе позволить — маломощную дисковую литиевую батарею напряжением 3,6 В. Но в работе нашего датчика есть моменты, когда ему в течение 20 с нужен ток 30 мА, — например, датчик должен «проснуться», выполнить измерения, обработать их, сформировать пакет, отправить данные по каналу беспроводной связи и получить подтверждение и указания о дальнейших действиях, затем обновить память и перейти в режим сна до следующего цикла. Первое и единственное лежащее на поверхности решение — применить конденсатор, что мы и сделаем. Итак:

1. От буферной батареи мы имеем напряжение 3,6 В, а наш датчик остается работоспособным до напряжения 2,6 В, то есть допустимое падение напряжения на конденсаторе ΔU = 1 В.
2. Ток, который нам нужно обеспечить в течение t = 20 с, равен I = 30 мА.
3. Таким образом, заряд Q = Ixt = 0,030×20 = 0,6 Кл.
4. Итак, чтобы обеспечить такой заряд, потребуется конденсатор емкостью не менее С> Q/ΔU = 0,6/1 = 0,6 Ф.

Словом, в идеале мы должны учесть и влияние ESR, тогда наша формула примет следующий вид: С > Iхt/(ΔU–IхESR), однако даже если положить ESR = 0,5 Ом, при нашем токе 30 мА эта поправка не окажет заметного влияния. Но сбрасывать ее со счетов нельзя, поскольку от конденсатора в других приложениях может потребоваться импульс тока в 1 А и более.

Разумеется, использовать обычный электролитический конденсатор в этом случае просто не реально, так как нам нужен конденсатор и большой емкости, и малых габаритов. И здесь на арене появляются суперконденсаторы, в СССР они получили название «ионисторы», что близко к их правильному названию — «двухслойный электрический», а вернее «электрохимический конденсатор», или EDLC (Electric doublelayer capacitor). Применительно к рассматриваемой нами области одним из наиболее эффективных решений с точки зрения объема и электрической емкости являются суперконденсаторы серий DMF [4, 5] и DMT [6, 7] компании Murata (рис. 1).

Рис. 1. Двухслойные электрические конденсаторы серий DMT и DMF компании Murata

Суперконденсатор — это не обычный электролитический конденсатор. Функционально он представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Электролит, твердый или жидкий, заполняет пространство между двумя электродами (рис. 2) [1].

Рис. 2. Принцип работы двухслойного электрического конденсатора

Такой конденсатор может быть с органическим или неорганическим электролитом, а своеобразными обкладками в нем служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Этот слой образуется на границе раздела порошка из активированного угля и электролита. Хранение заряда происходит не вследствие химического процесса, как в батареях или аккумуляторах, а физическим движением ионов в порах в слоях углерода. Поры в активированном угле обеспечивают огромную площадь поверхности для аккумулирования заряда, что дает высокое значение емкости, превышающее 1 Ф. Что касается столь важного параметра, как эквивалентное последовательное сопротивление, или ESR (Equivalent Series Resistance), оно является вполне умеренным и обычно находится в пределах 50–500 мОм, что делает суперконденсаторы устойчивыми к коротким замыканиям.

Почему мы выбрали суперконденсаторы серий DMT и DMF? Существует несколько форм-факторов суперконденсаторов, оптимизированных для разных сфер применений: от дисковых, типа монеты, до цилиндрических и плоских.

Рис. 3. Типовые варианты конструктивного исполнения суперконденсаторов:
а) низкопрофильный, дисковый монетного типа;
б) цилиндрического типа (бочонок);
в) в металлическом корпусе;
г) плоский многослойный

На рис. 3 они показаны в порядке возрастания их рабочих максимально допустимых пиковых токов. Суперконденсаторы серий DMT и DMF выделяются в этом ряду благодаря своим малым габаритам и конструктивному исполнению, о чем более подробно поговорим далее. Типовые сферы применения плоских многослойных суперконденсаторов серий DMT и DMF компании Murata — это приложения, где требуется большой кратковременный пиковый ток, выравнивание токовой нагрузки на батарею или маломощный источник питания, а также резервное питание при кратковременной просадке или отключении основного источника энергии.

В чем же еще преимущества суперконденсатора и каковы его слабые стороны? Начнем с сильных сторон. Во‑первых, высокая емкость (у конденсаторов серии DTM — 0,22 и 0,47 Ф, а у DMF — 0,47 и 1 Ф), относительно низкое эквивалентное последовательное сопротивление ESR и собственная индуктивность. Что касается суперконденсаторов серий DMT и DMF компании Murata, то у DMT ESR находится в пределах 130–330 мОм, а у DMF всего 40–45 мОм. При этом по сравнению с батареей суперконденсатор выделяет всего около 10 Дж тепловой энергии, что не создает значительного нагрева даже в условиях короткого замыкания и сопутствующего механического стресса, приводящего к разгерметизации корпуса из-за роста внутренних напряжений [2].

Во‑вторых, формально суперконденсатор — не полярный, нанесенная на него соответствующая маркировка показывает лишь полярность его начального заряда на заводе-изготовителе [1]. Это вроде бы и мелочь, но ошибка при включении, в отличие от электролитических конденсаторов, не приведет к его выходу из строя и повреждению устройства, в которое он установлен, особенно учитывая большой уровень накопленной в нем энергии и высокий выходной импульсный ток.

Уровень накопленной энергии и уровень мощности суперконденсаторов по отношению к обыкновенным электролитическим конденсаторам и аккумуляторным батареям можно оценить на примере рис. 4.

Рис. 4. Сравнение суперконденсаторов с электролитическими конденсаторами и батареями по плотности мощности и энергии

Здесь плотность энергии приведена на вертикальной оси, она показывает, сколько заряда может быть накоплено и сохранено в конденсаторе или батарее, а плотность мощности, представленная на горизонтальной оси, демонстрирует, сколько электроэнергии может быть высвобождено мгновенно. Батареи и аккумуляторы могут длительно хранить больший заряд, но количество энергии, которое может быть освобождено мгновенно, относительно мало. И наоборот, электролитические конденсаторы могут отдать большой заряд мгновенно, но заряд, который они могут хранить, довольно мал, даже с учетом их высоких рабочих напряжений. Возможности суперконденсаторов EDELC находятся между этими упомянутыми технологиями. То есть возможная накопленная в них энергия сравнима с другими типами конденсаторов, в то время как их мощность в большей степени сравнима с батареями и аккумуляторами [3].

Если же вести речь о мощности N = dE/dt, то есть энергии, переданной за единицу времени, то здесь у суперконденсаторов (если говорить в рамках проблемы, указанной в начале статьи, — для устройств с низковольтным питанием и в данном физическом объеме) конкурентов попросту нет. Суперконденсаторы, в том числе серий DMT и DMF, имеют гораздо более высокую плотность мощности, которая в 100 000 раз выше, чем, например, у дисковой батареи Li-MnO₂. По сравнению с ней суперконденсатор выигрывает в том, что может обеспечить устройство мгновенной относительно высокой мощностью, на порядок большей, нежели близкие к нему по характеристикам батареи (рис. 5) [2].

Рис. 5. Сравнение по пиковой мощности N = dE/dt суперконденсаторов Murata с батареями различных технологий

Легко посчитать, что ток короткого замыкания у конденсатора серии DMF с его ESR 40 мОм при заряде до 5 В составит в пике 125 А!

Еще одна особенность суперконденсаторов — практически неограниченное количество циклов заряда и разряда, намного превышающее допустимое для аккумуляторных батарей. И что особенно важно — они не требуют специальных зарядных устройств со сложной зарядной характеристикой. Зарядка суперконденсаторов происходит так же быстро, как и обычных электролитических конденсаторов, от любого источника напряжения и ограничена только его допустимым выходным током.

Что касается срока службы суперконденсаторов, при соблюдении обычных в этом случае требований он довольно высок, хотя, как и для всех радиоэлементов, зависит от температуры окружающей среды и приложенного напряжения, которые, как известно, являются ускоряющими факторами его старения и деградации. Если говорить о суперконденсаторах серий DMT и DMF, то диапазон температур у DMF составляет –40…+70 °C, а у DMT –40…+85 °C с относительно малым по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами ростом ESR при низких температурах [4, 5].

Однако у всех конденсаторов этого типа есть и слабые стороны. Во‑первых, они боятся разгерметизации, а во‑вторых, имеют низкий допустимый уровень рабочего напряжения. Влагостойкость обеспечивается конструкцией, для этого в многослойных плоских суперконденсаторах серий DMT и DMF, кроме конструктивных решений, благодаря которым достигнуты столь малые размеры, используется уплотнение не из резиновой вставки или резиноподобного герметика, а из герметизирующей смолы (рис. 6) [3].

Рис. 6. Сравнение конструктивного исполнения суперконденсаторов цилиндрического типа и суперконденсаторов Murata

Как уже было сказано, суперконденсаторы не поляризованные, но имеют рабочее напряжение максимум 2,7 В. Эта проблема в конденсаторах серии DMT и DMF решена таким образом, что фактически они являются двумя конденсаторами, включенными последовательно, поэтому номинальные рабочие напряжения конденсаторов DMF составляют 5,5 В, а DMT — 4,2 В.

Однако здесь необходимо учитывать, что последовательное включение всех двухслойных конденсаторов предусматривает наличие пассивной или активной схемы балансировки [3]. Но вот параллельное включение при необходимости достижения большего объема энергии достаточно просто и не нуждается в особых мерах предосторожности.

В заключение следует отметить, что значительным преимуществом конденсаторов серий DMT и DMF является ультратонкий форм-фактор вплоть до 2,2 мм, соответствующий требованиям современной карманной и носимой электроники. А сегодняшняя тенденция ее развития такова, что портативные устройства станут еще более многофункциональными, малогабаритными и легкими. В этом смысле суперконденсаторы компании Murata представляют собой элементы, дополняющие данный тренд, и позволяют просто, без добавочных источников энергии большой мощности, решать сложные проблемы организации питания устройств с малым текущим энергопотреблением, которые для должного функционирования периодически нуждаются в больших порциях энергии.