L'attenzione deve essere elevata con i supercondensatori

Oggi i progettisti utilizzano i supercondensatori (detti anche condensatori elettrochimici in doppio strato o EDLC) per moltissime applicazioni, tra cui potenza di riserva locale per sistemi embedded con memoria flash, potenza impulsiva, derivazioni in parallelo o potenza hold-up, sistemi flash per fotocamere, energy harvesting, applicazioni a impulso, gruppi di continuità, sistemi industriali, allarmi wireless, contatori remoti e giocattoli. Oltre che l'utilità di questi supercondensatori, è opportuno conoscere anche la loro complessità e alcune caratteristiche specifiche che li differenziano dai condensatori convenzionali a livello di scheda.

In questo blog, inizieremo da tre considerazioni importanti in merito all'utilizzo dei supercondensatori e concluderemo presentando brevemente le offerte di AVX Corp., Eaton e KEMET, ognuna ottimizzata per applicazioni diverse.

Cosa tenere presente quando si utilizzano i supercondensatori nel progetto

Alcune sottigliezze legate ai supercondensatori possono rappresentare sfide per i progettisti:

Resistenza equivalente in serie (ESR): l'ESR non è così semplice con i supercondensatori. Potrebbe sembrare che le specifiche non varino poi così tanto tra le schede tecniche dei diversi produttori, in realtà l'ESR effettiva dei dispositivi all'opera può variare molto. Inoltre, il valore cresce con il passare del tempo. È consigliabile cercare supercondensatori che abbiano una bassa ESR iniziale e che la mantengano relativamente bassa, nei diversi intervalli di temperature e durante tutta la vita operativa. I fattori che possono incidere sull'ESR nel tempo includono la purezza dei materiali, la pulizia del processo di produzione e il tempo (se pertinente) per cui i dispositivi sono stati sottoposti a burn-in prima di essere spediti.

Massimizzazione della vita utile dei supercondensatori: in generale, temperature più elevate e una tensione di funzionamento maggiore a livello di cella determinano un aumento più rapido dell'ESR e una riduzione della vita utile dei supercondensatori. Abbassare la tensione di funzionamento per cella dunque è il metodo principale per massimizzare la vita utile. La strategia più comune consiste nell'aggiungere più celle in serie, ma questa opzione aumenta l'ESR del sistema. Questo inconveniente può essere evitato aggiungendo capacità per ridurre l'ESR.

Conversione di potenza: molti progettisti sono abituati a lavorare con batterie o un'altra sorgente di tensione più costante. Quando si lavora con i supercondensatori, è importante comprendere in che modo la tensione cala mentre dà potenza al carico e l'effetto che la velocità della corrente può avere sulla tensione. Con un convertitore di potenza non ottimale, i supercondensatori possono diventare più costosi del necessario. Se l'elettronica di alimentazione è progettata per utilizzare una finestra di tensione più ampia (da piena tensione nominale a ½ della tensione nominale), è possibile utilizzare tutta l'energia immagazzinata nel supercondensatore e quindi supercondensatori di dimensioni più ridotte che permettono di abbassare i costi e ridurre le dimensioni del sistema.

Supercondensatore a 5 F per un'alta densità di energia

Il supercondensatore a 5 farad (F) PHV-5R4H505-R di Eaton è un dispositivo a 5 Volt (V) ottimizzato per le esigenze delle applicazioni ad alta densità di energia, come i sistemi a potenza impulsiva, i gruppi di continuità e i sistemi industriali (Figura 1). Offre gestione delle celle integrata (bilanciamento incorporato). Ha un'ESR di 70 milliohm (mΩ) a 100 Hertz (Hz) e 65 mΩ a 1 kilohertz (kHz) e un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +65 °C, con un intervallo di temperatura esteso fino a +85 °C e declassamento lineare della tensione di 4,0 V a +85 °C. La vita utile di PHV-5R4H505-R può arrivare a 20 anni in caso di funzionamento all'interno degli intervalli di tensione di carica e temperatura specificati.

Figura 1: il supercondensatore a 5 F PHV-5R4H505-R di Eaton ha un contenitore rettangolare per garantire alta densità di potenza. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Ora consideriamo due supercondensatori da 470 millifarad (mF) ottimizzati per tipi di esigenze applicative diversi.

Supercondensatore da 470 mF, 400 mΩ, per potenza impulsiva

SCMQ14C474PRBA0 è un modulo supercondensatore di AVX a 5 V, 470 mF, collegato in serie, con un'ESR di 400 mΩ a 1 kHz (Figura 2). È ottimizzato per l'uso in sistemi di energy harvesting, applicazioni con potenza impulsiva e in aggiunta o sostituzione di batterie in circuiti hold-up di energia. Se usati insieme a batterie, questi supercondensatori possono estendere i tempi di riserva, contribuire ad aumentare la durata della batteria e rispondere a requisiti di potenza impulsiva istantanea.

Figura 2: SCMQ14C474PRBA0 è un supercondensatore a 5 V, 470 mF, ottimizzato per applicazioni di energy harvesting e potenza impulsiva. (Immagine per gentile concessione di AVX Corp.)

Supercondensatore da 470 mF, 25 Ω, per potenza di riserva a lungo termine

FC0V474ZFTBR24 è un supercondensatore di KEMET a 470 mF, 3,5 V, adatto all'uso in applicazioni hold-up a bassa tensione e corrente continua (c.c.), come i sistemi a microprocessore embedded con memoria flash e CI di clock (Figura 3). Con un'ESR di 25 Ω a 1 kHz, questo dispositivo è particolarmente utile per fornire corrente di riserva di max 500 microampere (μA) per periodi prolungati.

Figura 3: FC0V474ZFTBR24 è un supercondensatore di KEMET a 470 mF, 3,5 V con contenitore a montaggio superficiale che non richiede vano. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

Conclusione

I supercondensatori sono più complessi rispetto ai condensatori convenzionali a livello di scheda: sono disponibili molte varianti per applicazioni che spaziano da alimentazione ausiliaria locale in sistemi embedded, a potenza impulsiva, energy harvesting, gruppi di continuità, sistemi industriali, contatori remoti, e molto altro. I progettisti devono prestare particolare attenzione all'ESR e a tutto ciò che può garantire una vita utile elevata, nonché al design per la conversione di potenza.