Эта схема позволяет работать с одним из новейших типов суперконденсаторов – гибридными ионисторами, выполненными по технологии LiCAP. Модуль зарядного устройства можно использовать в блоках аварийного питания для устройств IoT и других сферах электроники.
Литиевый суперконденсатор LiCAP (LiC) – это гибридный конденсатор, который накапливает заряд не только благодаря свойствам диэлектрика и электродов, но и химическим реакциям, которые происходят во время его заряда и разряда. Конденсатор LiC выполнен асимметрично, один из электродов легирован литием, другой, как и в классическом суперконденсаторе, изготовлен из активированного угля.
Схематическая структура гибридного конденсатора по технологии LiCAP показана на рисунке. Свойства делают его более похожим на литиевый элемент (аккумуляторную батарею), чем на классический конденсатор. Гибридные литиевые конденсаторы имеют более высокое допустимое рабочее напряжение 3,8 В (макс. 4,2 В) и меньший саморазряд.
Конструкция гибридного конденсатора LIC
Но у этой технологии есть и обратная сторона медали – это минимальное напряжение на выводах, оно находится в диапазоне 2,2 … 2,5 В. Уменьшение напряжения ниже этого порога вызывает деградацию конденсатора, что приводит к его разрушению. В результате все конденсаторы LiCAP поставляются частично заряженными (как и литиевые батареи), что затрудняет их долгое хранение и пайку.
Принципиальная схема зарядного для LIC
Схема зарядного устройства для гибридного ионистора представлена на рисунке. Она основана на драйвере повышающего преобразователя LTC3125 с ограничением входного тока.
Технические параметры:
- работает с гибридным суперконденсатором LiCAP,
- требуется источник питания 3,3 В, выходное напряжение 2,5 – 3,6 В,
- ограничение зарядного тока до 400 мА,
- имеет сигнализацию о низком уровне выходного напряжения.
Зарядное устройство работает с конденсатором VINATECH VLCRS3R0406MG, емкостью 40 Ф и максимальным рабочим напряжением 3,8 В, напряжением разряда 2,2 В в диапазоне температур -30 … + 70 ° С. Внутреннее сопротивление конденсатора не превышает 125 мВ, а допуск емкости ± 10%.
Внутренняя схема LTC3125
На схему зарядного устройства подается напряжение VIN = 3,3 В, на разъем J1. Напряжение 3,3 В схемой преобразователя U1 повышено до 3,6 В, что обеспечивает безопасный запас с учетом разброса значений элементов, к сожалению, за счет более низкой накопленной энергии. Величина конечного напряжения конденсатора определяется делителем R2, R3 по формуле:
Vвых = 1,2 (1 + R3 / R2)
Резистор R1, подключенный к клемме PROG, отвечает за ограничение входного тока инвертора и, следовательно, косвенно зарядного тока CS1. Номинал резистора, соответствующий среднему входному току, выбирается в соответствии со схемой на рисунке. В данной модели установлен ток около 400 мА, что соответствует R1 = 56 кОм.
Выбор номинала резистора R1
LTC3125 имеет встроенную защиту от переполнения ключевого тока, превышения температуры и обратного тока при отсутствии Vin. КПД преобразователя в зависимости от условий более 80%. Допускается работать с входным напряжением выше, чем выходное Vin > Vout, при этом сохраняя напряжение Vout, установленное делителем R2, R3.
Использование конденсаторов LIC
Гибридные конденсаторы LiCAP (LIC) – это элементы, требующие особого внимания во время использования и соблюдения нескольких правил:
- Никогда не замыкайте накоротко выводы конденсатора, в том числе во время хранения и установки, это может привести к его повреждению, возгоранию или взрыву;
- Защитите конденсатор с помощью цепи ограничения тока разряда или предохранителя соответствующего номинала;
- Во время эксплуатации или хранения следует поддерживать соответствующую температуру, а напряжение на клеммах не должно падать ниже минимального напряжения, так как это может привести к непоправимому повреждению его;
- После вывода из эксплуатации суперконденсаторы подлежат вторичной переработке, как батарейки.
Предохранитель F1 защищает конденсатор от короткого замыкания на выходе. Схема зарядного устройства дополнена маломощным компаратором U2 типа LTC6703, сигнализирующим о низком уровне напряжения суперконденсатора SC1. Внутреннее опорное напряжение компаратора установлено на уровне 400 мВ, делитель R5, R6 устанавливает порог примерно на 2,6 В, о чем сигнализирует изменение состояния PFO на разъеме J1 и может использоваться для установки взаимодействующего контроллера. При переключении компаратора, несмотря на встроенный небольшой гистерезис, на выходе могут возникать колебания, особенно когда входное напряжение VOUT изменяется очень медленно. Поэтому стоит подключить выход PFO к прерыванию и программным способом устранить колебания, аналогичные колебаниям контактов.
Сборка схемы ЗУ на плате
Схема смонтирована на небольшой двусторонней печатной плате.
Перед пайкой на плату конденсатора CS1 проверьте правильность стабилизации выходного напряжения преобразователя. Вместо ионистора припаяйте электролитический конденсатор емкостью более 220 мФ и рабочим напряжением более 6,3 В. После подачи напряжения питания 3,3 В на вход VIN зарядного устройства необходимо контролировать напряжение на выводах CS1, оно должно составлять примерно 3,6 В, большие расхождения следует корректировать с помощью резистора R3. Понижая входное напряжение, отслеживаем правильность работы схемы PFO, проверяя установленный порог сигнала. Не забудьте подключить выход OD с помощью резистора к Vout.
Если схема работает правильно, выключите питание, снимите испытательный конденсатор и припаяйте CS1 на его место. Снова подключите зарядное устройство к источнику питания 3,3 В, последовательно подключите амперметр, чтобы проверить ограничение входного тока, и вольтметр к CS1, чтобы проверить напряжение зарядки. После включения напряжения 3,3 В наблюдайте за процессом зарядки, в начальной фазе входной ток преобразователя должен быть ограничен значением, определяемым резистором R1, то есть примерно 400 мА, и напряжением на конденсаторе в конечной стадии зарядки должно достигнуть 3,6 В.
С искусственной нагрузкой, работая в режиме измерения емкости АКБ, можно провести цикл разряда CS1 и измерение накопленного заряда в диапазоне допустимых напряжений конденсатора. Во время тестирования время зарядки CS1 от 2,2 В до 3,6 В составило примерно 180 секунд. Разрядка постоянным током в диапазоне 5 – 500 мА показала емкость ионистора примерно 15 мАч. Время, ограниченное саморазрядом, составляет несколько дней.
Из-за различных характеристик суперконденсаторов, изготовленных по технологии LiCAP, и относительно высокого внутреннего сопротивления, следует избегать разряда с током, превышающим параметры указанные в документации. Слишком большой ток вызывает нагрев ионистора из-за потерь во внутреннем сопротивлении, что значительно снижает использование накопленного заряда и в конечном итоге приведет к повреждению конденсатора.
Во время работы стоит обращать внимание не только на саморазряд, который в случае LiC существенно ограничен, но и на потребление тока покоя конденсатора. Этот ток состоит из токов делителей преобразователя и компаратора, которые в схеме уменьшены до минимума, необходимого для правильной работы, и тока, потребляемого подключенной схемой.
Представленная схема зарядки конденсаторов LiCAP намного лучше подходит для работы в модуле резервного питания во время частых, но относительно коротких спадов напряжения, чем для длительного энергоснабжения, потребляя минимальный ток, где всё-же другие методы запаса энергии будут лучше.