Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Technologie superkondenzátorů opravdu dospěla. Původně byly tyto elektrochemické součástky s vysokou kapacitou elektrického náboje ve formě velkých nízkonapěťových válcových prvků navrženy pro použití ve stejnosměrných obvodech, například jako udržovací zdroj napájení pro hodiny v mikrovlnných troubách nebo videorekordérech. Během posledních deseti let se jejich vývoj rozdělil do dvou směrů. Na jednom konci jsou to převážně velká vysokonapěťová a vysokokapacitní pole pro vozidla s hybridním pohonem, na druhém konci se jedná o zavedení nové řady malých nízkoprofilových prizmatických pulzních superkondenzátorů.
Novou generaci pulzních superkondenzátorů charakterizuje velmi nízký ESR, což jim umožňuje dodávat špičkový proud dle potřeby a zároveň mohou být dobíjeny v režimu „trickle charge“ primárně z Li-Ion nebo ze standardních AA/AAA baterií. Díky nízkoprofilové konstrukci mohou být použity na malých DPS, kde ideálně vyhovují energeticky stále více „hladovějším“ aplikacím, jako jsou bezdrátové karty a datové přenosy s vysokou hustotou v mobilních zařízeních. U těchto aplikací je vyžadována špičková energie, která představuje dvojnásobný proud, než který je schopna dodat primárně použitá baterie. Tato špičková energie je nutná k rychlému přenosu dat nebo při zpracování megabitů dat u digitálních zrcadlovek a video aplikací, kdy blesk soupeří o energii se zpracováním signálu focení v režimu focení „série snímků“ a se zápisem mnoha souborů během jedné sekundy.
Obr. 1 Superkondenzátory
Superkondenzátory, jak napovídá jejich název, jsou schopny uchovávat obrovské množství elektrického náboje. U standardních kondenzátorů jsou elektrody odděleny dielektrikem, které je možné působením elektrického pole polarizovat. Vnitřní dipóly se v rámci dielektrika uspořádají do jednoho směru a vzniklé elektrické pole můžeme na elektrodách kondenzátoru změřit jako napětí. Čím více náboje dokážou elektrody pojmout, tím má kondenzátor větší kapacitu. Pro akumulovanou energii (v joulech) platí vztah ½∙(C∙U2), kde C=kapacita ve faradech a U=napětí na elektrodách.
Superkondenzátory poskytují stejnou funkci, ale místo seřazení dipólů v dielektriku využívají velkoobjemové separace a pohybu náboje. Povaha mechanismu pohybu opačných nábojů na opačné strany separátoru je elektrochemická a velmi podobná technologii baterií. Doba, po kterou dokáže jak standardní kondenzátor, tak superkondenzátor, uchovávat energii, je závislá na vnitřním svodovém proudu (uvolňování dipólů a rekombinace nábojů). Rychlost, jakou dokáže kondenzátor uvolnit uloženou energii, je závislá na jeho vnitřním odporu.
Technologie standardních kondenzátorů investují do vývoje materiálů – vylepšení permitivity dielektrika, svodového proudu, vnitřního odporu a napěťové charakteristiky. Podobné je to se superkondenzátory. Původní výrobky byly založeny na vysokoodporových elektrochemických systémech, jejichž úložná a vybíjející charakteristika byla podobná bateriím. Vývoj nových materiálů umožnil výrobu kondenzátorů s nízkým ESR, které jsou ideální pro pulzní aplikace.
Při výpočtu energie uložené formou uspořádaných dipólů ve standardním kondenzátoru, sledujeme výhradně funkci stejnosměrného napětí. Většina aplikací ale vyžaduje, aby kondenzátorem procházel signál, to znamená, že elektrody kondenzátoru musejí být připojeny na střídavé napětí. Otázka zní, jak dobře je dipól schopen oscilovat s frekvencí vstupního signálu, aby tento procházel bez zkreslení. To je to, co odlišuje jednotlivé typy standardních kondenzátorů a určuje je pro různé aplikace. Například, tantalový kondenzátor bude pro velké kapacity do 2200 μF při 6 V a s ESR<50 mdobře fungovat při rozsahu 100 kHz až 1 MHz. Protože zachování kapacity při 100 kHz je vysoké (~90 %), jsou tyto kondenzátory ideální pro široký rozsah filtrování v SMPS zařízeních. Keramické materiály typu II jsou rovněž vhodné pro tento rozsah, ale s menšími kapacitami a zároveň s nižším ESR (100 μF/5 m). Zatímco dielektrika třídy I mohou pracovat s daleko vyššími frekvencemi a jsou tak vhodná pro RF aplikace. Jednovrstvé kondenzátory dosahují v optických systémech odezvy 10 GHz.
Podobně i technologie superkondenzátorů se vyvíjejí, aby je bylo možné uplatnit pro širší spektrum aplikací. Všechny profitují z technologie nanočástic (vývoj uhlíkových vrstev s velkým povrchem), ale jedno z největších zdokonalení posledních let spočívá v zavedení „protonových polymerů“ pro systém separátorů. Tato technologie přináší následující výhody:
Dlouhá životnost: zátěžové nabíjecí/vybíjecí testy představující 10 miliónů cyklů (tzn. 8 měsíců nepřerušeného testování) neukázaly žádnou zásadní změnu v parametrech těchto kondenzátorů.
Zapouzdření pulzních superkondenzátorů se také vyvíjí. Důraz je kladen především na rozměry a nízkou výšku. Například řada BestCap společnosti AVX byla představena před více než 8 lety. Standardní rozměr byl 28×17 mm, větší verze 48×30 mm. Výška byla od 2 do 6 mm.
Obr. 2 Závislost skutečné kapacity na šířce pulzu
Dnes je k dispozici ještě menší rozměr (20×15 mm) a ve vývoji je rozměr 15×12 mm. Konstrukce je extrémně robustní, skládá se z přesného vnějšího ocelového pouzdra a vnitřní prvek je zafixován pomocí pryskyřice. Vnitřní prvek je tvořen mnoha buňkami, které tvoří homogenní matrici. Tyto buňky jsou vyrobeny z ekologických bezrozpouštědlových materiálů na bázi vody. Díky pevnému pouzdru a homogennímu vnitřnímu prvku vydrží tyto součástky náraz/zrychlení až 1000 g, přičemž provozní teplota vnitřního prvku je −40 °C až +75 °C.
Elektrické vlastnosti společně s nízkoprofilovým provedením předurčují superkondenzátory pro digitální bezdrátové aplikace. Jednou z hlavních spotřebních aplikací představují bezdrátové karty, ať už v provedení PCMCIA nebo USB, kde superkondenzátory slouží jako energetický zdroj pro proudové požadavky přenosů GPRS a EDGE, přičemž nabíjení trickle charge je zajištěno z Li-Ion baterií použitých v notebooku nebo PDA. Jelikož superkondenzátory dokážou podporovat tyto pulzy v širším provozním rozsahu než primární baterie (a prodlužují jejich životnost o 200–300 %), mohou zvýšit účinnost mnoha zařízení a také existuje množství bezdrátových aplikací, které této výhody využívají, například vzdálené optické skenery.
Důležitým faktorem bezdrátového přenosu je efektivní kapacita při přenosové frekvenci. Mnoho supekondenzátorů s vysokou stejnosměrnou kapacitou trpí snížením efektivní kapacity s rostoucí frekvencí pulzů nebo pracovního cyklu. Systém protonových polymerů používaných u některých superkondenzátorů poskytuje vysokou efektivní kapacitu, což znamená, že vysoce zátěžové cykly (např. GPRS-8 nebo GPRS-10) mohou být vybaveny nižší stejnosměrnou kapacitou, která má zároveň menší požadavky na trickle charge, což je u některých kapesních zařízení velmi důležitý faktor pro zapínací čas. Rozsah jmenovitých napětí (3,6 až 5,5 V) pro tato zařízení znamená, že nasazení pulzních superkondenzátorů sahá od GSM čipů (3,5 V) přes Li-Ion baterie (4,5 V) po DC-DC o/p (5,5 V). Použití napětí 5,5 V umožňuje udržovat napájení pro přídavné obvody nebo eliminovat jiné komponenty (LDO atd.).
Další aplikaci s vysokým nárokem na energii představují high-endové digitální fotoaparáty. Tyto přístroje jsou energeticky náročné z důvodu podpůrných systémů (zoom, ostření, podpora procesoru při kešování velkých datových souborů při sériovém exponování), zároveň je ale požadován trvalý přísun energie pro blesk, aniž by se bez energie ocitly ostatní aplikace.
Přenosná zařízení se používají ve ztížených podmínkách, kde musejí tato zařízení pracovat v širokém rozsahu teplot a odolávat nárazům a vibracím, ať už se jedná o sběr dat, kontrolu skladových zásob nebo monitorování zásilek. V případech, kde hrozí upadnutí přístroje během provozu na zem, není nejdůležitější, zda to přístroj přečká bez úhony, ale zda nedojde ke ztrátě dat. U přístrojů napájených pouze baterií, může dojít k vyskočení baterie a následné ztrátě kritických dat. Pokud je ale přístroj vybaven napevno připájeným superkondenzátorem, nedojde v důsledku silného nárazu k přerušení provozu.
Díky této úrovni odolnosti a elektrickým vlastnostem lze superkondenzátory použít v mnoha bateriemi napájených aplikacích „průmyslové třídy“, kde je požadována dodávka pulzní energie dle potřeby, například bezdrátové přenosy nebo elektromechanické aplikace. To zahrnuje vzdálené instalace a bezdrátové ovládání automatických ventilů, automatické měřicí systémy, dálkové RFID čtečky a vzdálené bezpečnostní systémy. V mnoha těchto systémech nemusí být primárním napájením baterie, ale může jím být také solární článek.
Objevují se také aplikace bez bateriového napájení. Ve většině systémů pracují superkondenzátory jako sekundární zařízení a pokud k jejich nabíjení postačuje trickle charge, není v některých případech nutná baterie (nebo solární článek). Existuje mnoho způsobů, jak z pohybu nebo vibrací generovat energii, např. piezo nebo indukční zařízení. Dnes jsou k dispozici systémy, které dokážou vytěžit energii z jakýchkoliv mechanických vibrací a vygenerovat napěťový výstup vhodný pro zařízení pro uložení energie. V těchto zařízeních má protonový polymer další výhodu – vyšší napětí od 7 V do 15 V jsou k dispozici jako diskrétní součástky, a proto nepotřebujeme vyrovnávací rezistory jako je tomu u jiných superkondenzátorů v sériovém zapojení.
Jak již bylo zmíněno dříve, energie uložená v kondenzátoru je dána vztahem ½∙(C∙U2), to znamená, že se jedná o funkci druhé mocniny napětí. Pokud bude tedy jakýkoliv systém ukládat energii při vyšším napětí, bude mnohem účinnější. Kondenzátor má v těchto systémech dvojí funkci: 1) ukládat vytěženou energii a také poskytovat proud pro jakékoliv vzdálené napájené zařízení; 2) v případě bezdrátových zařízení zvyšuje navíc technologie protonových polymerů účinnost systému díky udržení vysoké kapacity během pracovního cyklu. Od svého uvedení před téměř deseti lety urazily pulzní superkondenzátory kus cesty – od spotřebních aplikací po vzdálené průmyslové systémy. Během příštích deseti let by měly být stejně rozšířené jako dielektrické typy.
