Yhden superkondensaattorin käyttö varavirtana 5 voltin syöttöjännitteelle

Varavirtaratkaisuja käytettiin aiemmin vain toiminnan kannalta kriittisissä laitteissa, mutta nyt niitä halutaan laajalti eri sähkölaitesovelluksiin niin teollisuudessa, kaupallisessa käytössä ja kuin myös asiakkaiden lopputuotteissa. Vaihtoehtoja on useita, mutta superkondensaattori tarjoaa kompakteimman ja energiatiheimmän ratkaisun tilanteisiin, joissa päävirransyöttö keskeytyy. Näin voi olla esimerkiksi, kun verkkovirta katkeaa tai kun akkuja vaihdetaan.

Superkondensaattoreihin kuitenkin liittyy suunnitteluhaasteita, koska kukin laite voi tarjota enintään 2,7 voltin jännitteen. Säädellyn virran syöttämiseksi 5 voltin jännitetasoon tämä voi merkitä useamman superkondensaattorin tarvetta niin, että kullakin on oma kennojen tasapainotus, jännitettä korottava boost-muunnin ja jännitettä laskeva buck-muunnin. Tuloksena on suhteellisen kallis ja monimutkainen piiri, joka vie piirilevyltä paljon tilaa.

Tässä artikkelissa vertaillaan akkuja superkondensaattoreihin ja selitetään, miksi jälkimmäinen vaihtoehto tarjoaa useita hyötyjä kompakteille matalan jännitteen sähkölaitesovelluksille. Artikkelissa myös kuvaillaan yksinkertaisen ja elegantin ratkaisun suunnittelua 5 voltin jännitetason virransyötölle yhdellä kondensaattorilla ja kaksisuuntaisella jännitteenkorotus/jännitteenalennusmuuntimella.

Vertailussa akut ja superkondensaattorit

Keskeytyksetön virransaanti on entistä tärkeämpi elementti moderneissa sähkölaitteissa tyydyttävän käyttökokemuksen tarjoamisessa. Ilman jatkuvaa tehonsyöttöä sähkölaitteet lakkaavat toimimasta ja ne saattavat myös kadottaa tärkeitä tietoja. Esimerkiksi verkkovirtaan kytketty PC kadottaa haihtuvan RAM-muistin sisältämät tiedot sähkökatkon yhteydessä. Insuliinipumpun haihtuvasta muistista voi kadota tärkeitä veren glukoosilukemia pariston tai akun vaihdon aikana.

Yksi tapa estää tämä on käyttää vara-akkua, jonka varastoimaa energiaa voidaan vapauttaa päävirran katketessa. Litiumioniakut (Li-ion) edustavat pitkälle kehitettyä teknologiaa, jonka erittäin hyvä energiatiheys mahdollistaa, että varsin kompaktit laitteet tarjoavat varavirtaa pitkäksikin aikaa.

Mutta akkukemiasta riippumatta kaikilla akuilla on omat erityispiirteensä, jotka voivat aiheuttaa ongelmia tietyissä olosuhteissa. Ne ovat esimerkiksi suhteellisen painavia, niiden lataus kestää suhteellisen pitkään (mikä on ongelmallista jos sähkökatkoja tapahtuu usein), kennojen latauskerrat ovat rajallisia (mikä kasvattaa huoltokustannuksia) ja niiden valmistukseen käytetyt kemikaalit ovat vaarallisia ihmisille ja ympäristölle.

Myös ultrakondensaattoriksi kutsuttu superkondensaattori on vaihtoehtoinen varavirtaratkaisu. Teknisesti superkondensaattori tunnetaan nimellä kaksikerroksinen kondensaattori (Electric Double-Layer Capacitor, EDLC). Laite valmistetaan käyttämällä symmetrisiä ja sähkökemiallisesti vakaita positiivisia ja negatiivisia hiilielektrodeja. Nämä erotetaan toisistaan eristävällä, mutta ioneja läpi päästävällä, erottimella, joka ympäröidään orgaanista suolaa/liuotinta sisältävällä elektrolyytillä. Elektrolyytti on suunniteltu maksimoimaan ionijohtavuus ja elektrodin kostuminen. Pinta-alaltaan suurten aktivoitujen hiilielektrodien ja varausten erittäin pienen välimatkan ansiosta superkondensaattoriin saadaan huomattavasti suurempi kapasitanssi verrattuna tavanomaisiin kondensaattoreihin (kuva 1).

Kuva 1: Superkondensaattori käyttää symmetrisiä positiivisia ja negatiivisia hiilielektrodeja, jotka erotetaan toisistaan elektrolyyttiin upotetulla eristävällä, mutta ioneja läpi päästävällä erottimella. Pinta-alaltaan suuret aktivoidut hiilielektrodit ja varausten erittäin pieni välimatka mahdollistavat suuren kapasitanssin. (Kuvan lähde: Maxwell Technologies)

Varaus säilytetään sähköstaattisesti elektrolyytin kaksisuuntaisella adsorptiolla suuren pinta-alan hiilielektrodeihin. Varausten erotus tapahtuu elektrodin ja elektrolyytin rajapinnan polarisaatiossa, jolloin syntyy nimenmukainen kaksoiskerros. Tämän mekanismin suuntaa voidaan vaihtaa helposti, joten superkondensaattoria voi ladata ja purkaa satojatuhansia kertoja, tosin kapasitanssi alenee jossain määrin ajan myötä.

Koska superkondensaattorit varastoivat energiaa käyttäen sähköstaattista mekanismia, niiden sähköinen suorituskyky on akkuihin verrattuna paremmin ennakoitavissa ja ne ovat rakennusmateriaaliensa ansiosta luotettavampia ja vähemmän herkkiä lämpötilavaihteluille. Turvallisuusnäkökulmasta superkondensaattoreissa on akkuihin verrattuna vähemmän epävakaita materiaaleja, ja niiden varaus voidaan purkaa kokonaan turvallista kuljetusta varten.

Superkondensaattoreiden toinen hyöty vara-akkuihin verrattuna on nopeampi lataaminen, eli jos virta katkeaa uudelleen pian ensimmäisen vian jälkeen, varavirtaa on heti saatavilla. Niitä ei voi myöskään ladata liikaa. Superkondensaattorit myös kestävät enemmän latausjaksoja, mikä laskee huoltokustannuksia.

Lisäksi superkondensaattoreiden tehotiheys (kuinka paljon virtaa voidaan varastoida tai toimittaa aikayksikköä kohden) on paljon akkuja korkeampi. Paitsi että tämä takaa nopean latauksen, se myös mahdollistaa tarvittaessa korkeat virtapiikit. Tämän ansiosta näitä laitteita voidaan käyttää varavirtalähteinä useammissa sovelluksissa (kuva 2). Lisäksi superkondensaattoreilla on akkuihin verrattuna huomattavasti alhaisempi ESR (Effective Series Resistance) -resistanssi. Siksi ne voivat syöttää virtaa tehokkaammin ilman ylikuumenemisen vaaraa. Superkondensaattorien tehonmuuntosuhde on tyypillisesti yli 98 %.

Kuva 2: Ladattavat akut voivat syöttää virtaa pitkän aikaa pienellä virralla, mutta niiden lataaminen kestää kauan. Tähän verrattuna superkondensaattorit (eli ultrakondensaattorit) purkautuvat nopeammin korkealla virralla, mutta ne voidaan myös ladata nopeasti. (Kuvan lähde: Maxwell Technologies)

Superkondensaattoreiden merkittävä varjopuoli on suhteellisen alhainen energiatiheys (paljonko energiaa varastoidaan tilavuusyksikköön) ladattaviin akkuihin verrattuna. Nykypäivän litiumioniakkujen energiakapasiteetti on 20-kertainen tilavuudeltaan samaan superkondensaattoriin verrattuna. Tämä ero kaventuu jatkuvasti, kun superkondensaattoreita parannetaan uusilla materiaaleilla, mutta sen odotetaan olevan merkittävä vielä useiden vuosien ajan. Toinen superkondensaattoreiden merkittävä varjopuoli on suhteellisen korkea hinta litiumioniakkuihin verrattuna.

Superkondensaattoreihin liittyviä suunnittelunäkökohtia

Jos sähkölaitteen varavirtalähteenä halutaan käyttää superkondensaattoria, on tärkeää osata valita oikeat komponentit, jotka takaavat energian luotettavan varastoinnin ja syötön sekä pitkän käyttöiän.

Yksi ensimmäisistä tarkistettavista teknisistä tiedoista on lämpötilan vaikutus kapasitanssiin ja resistanssiin. On hyvä käytäntö valita komponentti, jonka ominaisuudet muuttuvat hyvin vähän lopputuotteen toimintalämpötila-alueella, jotta syötetty jännite pysyisi vakaana ja energia siirtyisi tehokkaasti silloin kun varavirtaa tarvitaan.

Superkondensaattorin käyttöiän määrittää pitkälti käyttöjännitteen ja -lämpötilan yhteisvaikutus (kuva 3). Superkondensaattori vioittuu harvoin katastrofaalisesti. Sen sijaan sen kapasitanssi ja sisäinen resistanssi muuttuvat ajan myötä ja sen suorituskyky laskee, kunnes komponentti ei enää täytä lopputuotteen vaatimia teknisiä ominaisuuksia. Suorituskyvyn lasku on yleensä nopeampaa lopputuotteen käyttöiän alussa ja hidastuu tuotteen ikääntymisen myötä.

Kuva 3: Korkeammat lämpötilat ja jännitteet voivat lyhentää superkondensaattorin käyttöikää. (Kuvan lähde: Elcap, CC0, Wikimedia Commonsin kautta, kirjoittajan muokkaama)

Varavirtasovelluksessa käytettäessä superkondensaattorin jännite pysyy käyttöjännitteen tasolla pitkiä aikoja, ja siihen varastoitua energiaa puretaan harvoin. Tämä vaikuttaa ennen pitkää sen suorituskykyyn. Teknisissä tiedoissa ilmoitetaan kapasitanssin lasku ajan myötä tyypillisillä käyttöjännitteillä ja eri lämpötiloissa. Jos superkondensaattoria esimerkiksi käytetään 2,5 voltin jännitteellä 88 000 tuntia (10 vuotta) 25 ˚C:n lämpötilassa, sen kapasitanssi voi laskea 15 % ja sisäinen resistanssi nousta 40 %. Tämä suorituskyvyn lasku tulee huomioida pitkään käytössä olevien lopputuotteiden varavirtalaitteiden suunnittelussa.

Kondensaattorin aikavakio on aika, joka laitteella kestää saavuttaa 63,2 % täydestä varauksesta tai purkaa virtaa tasolle 36,8 % täydestä varauksesta. Superkondensaattorin aikavakio on noin yksi sekunti, mikä on huomattavasti elektrolyyttikondensaattoria lyhyempi. Tämän lyhyen aikavakion vuoksi suunnittelijan tulee varmistaa, että varavirtasuperkondensaattoria ei altisteta jatkuvalle sykkivälle virralle, joka voisi aiheuttaa vaurioita.

Superkondensaattoreiden käyttöjännitealue on nollasta voltista niille ilmoitettuun maksimiin nimellisjännitteeseen saakka. Vaikka superkondensaattorin varastoiman energian ja virran käyttö onkin sitä tehokkaampaa mitä laajempi jänniteväli on, useimmilla sähkökomponenteilla on minimijännitekynnys. Tämä jännitteen minimivaatimus rajoittaa kondensaattorista saatavaa energiamäärää.

Esimerkiksi kondensaattoriin varastoituva energia E = ½CV². Tästä suhteesta voidaan laskea, että noin 75 % saatavilla olevasta energiasta on käytettävissä, kun järjestelmän käyttöjännite on puolet kondensaattorin mitoitusjännitteestä (esimerkiksi 2,7 voltista 1,35 volttiin).

Usean kondensaattorin käytön suunnitteluhaasteita

Superkondensaattoreiden hyödyt tekevät niistä sopivia varavirran tarjoamiseen useille erilaisille sähkölaitteille, mutta suunnittelijan on huomioitava niiden myötä syntyvät suunnitteluhaasteet. Varavirtapiirin toteuttaminen voi olla merkittävä haaste kokemattomalle suunnittelijalle. Yksi merkittävä kompleksisuustekijä on se, että kaupallisten superkondensaattoreiden nimellisjännite on noin 2,7 volttia, joten 5 voltin jännitetasoa varten on käytettävä kahta superkondensaattoria sarjassa (kuva 4).

Kuva 4: Kaupallisten superkondensaattoreiden nimellisjännite on noin 2,7 volttia, joten 5 voltin jännitetasoa varten on käytettävä kahta superkondensaattoria sarjassa, mikä monimutkaistaa suunnittelua. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Tämä on tyydyttävä ratkaisu, mutta tarvittava aktiivinen tai passiivinen kennojen tasapainotus kasvattaa kustannuksia ja monimutkaisuutta. Kapasitanssitoleranssien, erisuuruisten vuotovirtojen ja komponenttien erilaisten sarjaresistanssien vuoksi kahden nimellisesti identtisen ja täysin ladatun kondensaattorin jännitteet voivat erota toisistaan. Tämä jännitteiden epätasapaino voi johtaa siihen, että yksi varavirtapiirin superkondensaattoreista syöttää korkeamman jännitteen kuin toinen. Kun lämpötila nousee ja/tai superkondensaattorit ikääntyvät, tämä jännitteiden epätasapaino voi kasvaa niin, että yhden superkondensaattorin jännite ylittää laitteen nimelliskynnyksen ja vaikuttaa sen käyttöikään.

Kennojen tasapainotus alhaisen käyttösuhteen sovelluksissa saavutetaan tyypillisesti asentamalla ohitusvastus rinnakkain kunkin kennon kanssa. Vastuksen arvo valitaan niin, että vastuksen sähkövirta dominoi superkondensaattorin kokonaisvuotovirtaa. Näin varmistetaan, että superkondensaattoreiden ekvivalenttisen rinnakkaisvastuksen muutos on merkityksetön. Jos esimerkiksi varavirtapiirin superkondensaattoreiden keskimääräinen vuotovirta on 10 mikroampeeria (μA), 1 %:n vastus sallii 100 μA:n ohitusvirran, mikä korottaa keskimääräisen vuotovirran 110 μA:iin. Näin ollen vastus laskee superkondensaattoreiden välisen vuotovirran erot kymmenistä prosenteista vain muutamaan prosenttiin.

Kun kaikki rinnakkaisvastukset ovat arvoltaan lähellä toisiaan, kaikki jännitteeltään korkeammat superkondensaattorit purkautuvat rinnakkaisvastuksen kautta nopeammin kuin jännitteeltään alhaisemmat superkondensaattorit. Tämä jakaa koko superkondensaattorisarjan kokonaisjännitteen tasaisesti. Korkean käyttöjakson sovelluksissa tarvitaan kehittyneempi superkondensaattoreiden tasapainotus.

Yhden superkondensaattorin käyttö 5 voltin virransyötössä

Käyttämällä kahden tai useamman superkondensaattorin sijaan vain yhtä voidaan yksinkertaistaa varavirtapiiriä ja vähentää sen tilantarvetta. Tällainen järjestely myös eliminoi superkondensaattoreiden tasapainotustarpeen. Yhden superkondensaattorin tarjoamaa 2,7 voltin lähtöä täytyy kuitenkin nostaa jännitteenkorotusregulaattorilla, jotta se riittää diodin jännitehäviön kompensoimiseen ja 5 voltin syöttämiseen järjestelmään. Superkondensaattoria ladataan latauslaitteella, ja sen virtaa puretaan tarvittaessa jännitteenkorotusmuuntimen kautta. Diodien ansiosta järjestelmään voi saada virran ensisijaisesta virtalähteestä tai superkondensaattorista (kuva 5).

Kuva 5: Yhden superkondensaattorin käyttö varavirtapiirissä eliminoi tarpeen tasapainottaa kennot, mutta vaatii jännitteenkorotusregulaattorin superkondensaattorin lähtöjännitteen nostamiseksi. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Elegantimpi ratkaisu on käyttää yhtä kondensaattoria erityisen jännitteenmuuntimen, kuten Maxim Integrated -yrityksen kaksisuuntaisen MAX38888- tai MAX38889-jännitteenkorotus-jännitteenalennusmuuntimen, kanssa. Näistä ensimmäinen tarjoaa 2,5–5 voltin ja 2,5 ampeerin (A) lähdön, ja jälkimmäinen 2,5–5,5 voltin ja 3 A:n lähdön (kuva 6).

Kuva 6: Kaksisuuntaiset MAX38889- ja MAX38888-säätimet eliminoivat erillisen laturin, jännitteenkorotuslaitteiden ja diodien tarpeen. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

MAX38889 on monipuolinen varauskondensaattoriin tai kondensaattoriryhmään pohjautuvan varavirran säädin, jonka avulla virtaa voidaan siirtää tehokkaasti superkondensaattorien ja järjestelmän jännitekiskon välillä. Kun päävirta on saatavilla ja sen jännite ylittää järjestelmän syöttöjännitteen vähimmäiskynnyksen, säädin toimii lataustilassa ja lataa superkondensaattoria enimmäisinduktorivirralla 3 A ja keskimääräisellä virralla 1,5 A. Superkondensaattorin on oltava täyteen ladattu toimiakseen varavirtalähteenä. Kun superkondensaattori on ladattu, piiri kuluttaa virtaa vain 4 μA ja pitää komponentin valmiustilassa.

Kun päävirta ei ole saatavilla, säädin estää järjestelmän jännitettä laskemasta varavirralle määritetyn käyttöjännitteen alle nostamalla superkondensaattorin jännitteen järjestelmän vaatimaan jännitteeseen asetetulla induktorin huippuvirralla, joka on enintään 3 A. Kaksisuuntainen säädin voi toimia alimmillaan superkondensaattorilta saatavalla 0,5 voltin jännitteellä, minkä ansiosta varastoidun energian käyttö voidaan maksimoida.

Varavirran kesto riippuu superkondensaattorin energiavarannosta ja järjestelmän tehontarpeesta. Maxim Integrated ‑tuotteiden ominaisuudet mahdollistavat maksimaalisen varavirran yhdellä 2,7 voltin superkondensaattorilla, ja piirin komponenttien määrää voidaan vähentää eliminoimalla erillisen laturin, jännitteenkorotuslaitteiden ja diodien tarve.

Yhteenveto

Superkondensaattorit tarjoavat monissa sovelluksissa varavirtakäytössä useita etuja vara-akkuihin verrattuna, esimerkiksi jos niissä on vaihdettava akut usein. Superkondensaattoreiden lataus on ladattaviin akkuihin verrattuna nopeampaa, ne kestävät huomattavasti suuremman määrän käyttöjaksoja ja niillä on paljon suurempi tehotiheys. Niiden 2,7 voltin enimmäisjännite kuitenkin johtaa suunnitteluhaasteisiin, jos niitä on tarkoitus käyttää 5 voltin järjestelmän varavirtana.

Kuten tässä on esitelty, kaksisuuntaiset jännitteenalennus/jännitteenkorotusregulaattorit tarjoavat elegantin ratkaisun, jossa yksi superkondensaattori voi toimia 5 voltin linjan varavirtana samalla, kun tilantarve ja komponenttien määrä laskevat.