ИОНИСТОР - РЕЗЕРВНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

РАДИОСХЕМЫ



СХЕМЫ И СТАТЬИ


РАДИОБЛОГИ
Криптовалюта радиотехников TEHNO выходит на ICO

GND, Земля, Масса, Заземление и Шасси в электротехнике

Неоновые стаканы и другая посуда с LED подсветкой

Электронный дверной замок на Ардуино

Беспроводной коммутатор с питанием от свободной энергии

Автоматическое отключение после сбоя питания

Транзисторный самодельный усилитель мощности НЧ

Аналоговый стрелочный Омметр



ИОНИСТОР - РЕЗЕРВНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ


Внезапное отключение питания всегда представляет некоторую опасность для схемы, причём как для устройств с питанием от сети, так и для схем с батарейками. Такое отключение электричества может привести к к потере данных и неконтролируемому поведению устройства. Эффективным решением этой проблемы может быть использование суперконденсатора в качестве аварийного источника питания, который поддержит работу достаточно долго, чтобы можно было безопасно отключить схему.

В отсутствие каких-либо защитных мер отключение источника питания приводит к внезапному прекращению ее работы без дальнейшего контроля этого поведения. Невозможно предсказать, когда схема выключится или в каком состоянии она будет находиться. Это влечет за собой множество потенциальных опасностей, например потерю важных данных, если они не были сохранены на энергонезависимом носителе.

Одно из возможных решений проблемы - использование резервного источника питания в виде суперконденсатора. Это позволяет продлить срок работы схемы на время, необходимое для выполнения безопасного и контролируемого останова. При этом нету значительного увеличения размера и стоимости всей системы, как при использовании бесперебойников.

Характеристики суперконденсатора

Суперконденсатор (иногда также называемый ультраконденсатором или ионистором) - это особый тип электролитического конденсатора, который отличается гораздо большей емкостью по сравнению с классическими. По характеристикам суперконденсаторы располагаются между классическими конденсаторами и Li-Ion батареями. В зависимости от метода изготовления есть несколько типов суперконденсаторов, но все они отличаются кроме высокой емкости, высокой плотностью энергии, способностью к быстрой зарядке и низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Недостатком суперконденсаторов является низкий диапазон рабочих напряжений, обычно не превышающий 3,3 В. В таблице ниже приведено сравнение основных параметров.

  • Суперконденсатор: максимум ёмкости 12000 F, плотность энергии 5 мВт/гр
  • Танталовый конденсатор: максимум ёмкости 25 F, плотность энергии 0,1 мВт/гр
  • Литий-ионная батарея: максимум ёмкости 1200 F, плотность энергии 150 мВт/гр

Особенно важный параметр - плотность энергии, которая выражается в количестве энергии, которое может храниться в элементе определенной массы. Суперконденсатор может накапливать в 10 раз больше энергии, чем классический конденсатор тех же размеров, поэтому его можно более использовать в качестве резервного источника, способного обеспечивать схему в течение короткого периода времени. Ионисторы накапливают энергию намного менее эффективно, чем литий-ионные батареи (в несколько раз меньшая плотность энергии), зато они способны намного быстрее заменить ее - для них характерна гораздо более высокая удельная мощность. Благодаря этому процесс зарядки суперконденсатора может длиться несколько секунд, а во время работы можно добиться очень высоких значений тока.

Благодаря своим характеристикам суперконденсаторы находят применение во многих областях, в том числе в бытовой электронике, автомобилестроении и энергетике. Они являются основным элементом установленных на транспортных средствах систем рекуперации энергии торможения, а в ветровых и солнечных генераторах используются для стабилизации выходного напряжения. Их также можно найти в фотоаппаратах, где они служат источником питания для ламп-вспышек. Функционально суперконденсаторы могут быть электронным эквивалентом маховика (устройством, используемым в механике для кратковременного хранения энергии).

Суперконденсатор как резервный источник питания

Суперконденсатор также может играть роль резервного источника энергии, способного поддерживать работу электронной схемы в течение короткого времени во время отказа или потери основного источника питания. Этот тип решения в основном используется в устройствах с батареечным питанием, где он позволяет защитить схему от последствий внезапного извлечения батареи. Пример показан на рисунке.

После извлечения аккумулятора суперконденсатор способен поддерживать работу системы в течение короткого времени

Полученное таким образом значение дополнительного рабочего времени зависит от многих факторов, в основном от мощности потребляемой схемой и емкости суперконденсатора. Основная задача проектировщика - подобрать такие параметры, чтобы можно было безопасно выключить устройство, при минимально возможных габаритах системы дополнительного резервного питания.

Далее показан общий график изменения напряжения питания в зависимости от времени. После установки аккумулятора суперконденсатор быстро накапливает энергию в процессе зарядки, а напряжение на его контактах стабилизируется на уровне, равном напряжению аккумулятора (V BAT = V SC). Во время работы с батарейным питанием суперконденсатор остается в режиме ожидания с нулевым током I SC. После извлечения батареи суперконденсатор становится источником питания, ток I SC_SYS, текущий от него питает схему, а напряжение на пластинах линейно уменьшается с уменьшением энергии, накопленной в элементе. Когда напряжение на суперконденсаторе падает ниже минимального значения, допустимого для схемы, она отключается.

Суперконденсатор заряжается после подключения батареи, возвращая энергию, накопленную таким образом, после ее удаления

Представленное решение может обеспечить безопасное отключение, но имеет несколько ограничений. Значительная часть энергии запасенной в конденсаторе, остается неиспользованной из-за падения напряжения ниже минимально допустимого значения схемы, которое для большинства цифровых устройств определяется в диапазоне 3 - 2 В. Другой проблемой может быть низкий максимальное напряжение суперконденсатора, обычно ниже 4 В. Например, если напряжение питания системы V BAT (номинальное рабочее напряжение батареи и конденсатора) составляет 3,3 В, а минимальное напряжение V SYS (MIN) 2,7 В, оно остается в суперконденсаторе когда схема выключена, и таким образом 66% от общей накопленной энергии не используется.

Последовательное соединение суперконденсаторов

Из-за низкого значения рабочего напряжения (у значительной части выпускаемых моделей ионисторов не превышает 3 В), они иногда могут быть подключены последовательно. Например, последовательное соединение двух суперконденсаторов с напряжением 2,7 В позволяет добиться напряжения питания 5,4 В. Но при таком подключении емкость снижается - в случае подключения элементов одинаковой емкости, результирующая емкость будет равна половине номинальной емкости одиночного суперконденсатора C SC = (C 1 х C 2 ) / (C 1 + C 2). Следовательно чтобы достичь требуемого в проекте значения емкости, необходимо использовать в два раза более емкие, а следовательно и более крупные суперконденсаторы. Последовательное соединение двух конденсаторов приведет к увеличению размера резервной системы питания более чем в 4 раза.

Добавление преобразователя напряжения устраняет прямую зависимость работы системы от напряжения на суперконденсаторе

Как показано, последовательное соединение суперконденсаторов может позволить получить более высокие рабочие напряжения, но оно значительно увеличивает размеры и стоимость всей системы, поэтому это не очень эффективное решение.

Благодаря преобразователю напряжения система может получать питание, даже если напряжение на суперконденсаторе падает ниже минимального значения, разрешенного для системы

Более эффективным способом использования энергии, накопленной в конденсаторе, может быть использование преобразователя напряжения, как показано на рисунке выше. Это устраняет некоторые проблемы связанные с работой низковольтного суперконденсатора. Инвертор преобразует напряжение в более высокое значение, достаточное для питания устройства. В такой конфигурации напряжение питания схемы больше не зависит напрямую от выходного напряжения на ионисторе, а фактором ограничивающим возможность дальнейшей работы, является минимально допустимое значение входного напряжения преобразователя, которое обычно значительно ниже, чем минимально допустимое значение напряжения питания схемы.

На рисунке показаны временные зависимости схемы. После извлечения аккумулятора система питается от выходного напряжения преобразователя и не чувствует линейного падения напряжения на конденсаторе. Питание присутствует до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не упадет ниже минимально допустимого входного напряжения преобразователя. Время резервного питания можно оценить с помощью следующего уравнения:

где: Eff - КПД инвертора, C SC - емкость суперконденсатора, V SC_INI - начальное напряжение суперконденсатора, V SC_FIN - минимально допустимое входное напряжение инвертора, V SYS - напряжение питания схемы (выходное напряжение инвертора) и I SC_SYS ток питания.

Например для значений, показанных на рисунке (C SC = 2,3 мФ, V SC_INI = 2,7 В, V SC_FIN = 1,5 В, V SYS = 3 В, I SC_SYS = 500 мА), предполагая что преобразование напряжения проходит без потерь (Eff = 1), время работы от резервного источника питания должно составлять примерно 3,8 мс. Фактически будет ближе к 3 мс из-за ненулевого последовательного сопротивления суперконденсатора и потерь преобразования (Eff <1).

Выбор подходящего суперконденсатора

При поиске наиболее подходящего суперконденсатора следует обратить внимание на несколько параметров. Наиболее важными являются рабочее напряжение (V SC) и емкость (C SC). Наиболее важные характеристики схемы включают источник питания (V SYS - I SYS), минимально допустимое входное напряжение преобразователя (V SC (MIN)), эффективность преобразования напряжения (Eff) и минимальное время, необходимое для выполнения безопасное отключение системы (t).

Суперконденсатор иногда ошибочно рассматривается как прямая замена батареи, для обеспечения длительного питания электронной схемы, или как особый тип классического конденсатора, который может использоваться, например, для фильтрации напряжения БП. Но главной ролью суперконденсатора остается кратковременное хранение энергии и возможность быстрой перезарядки ее. Именно эту особенность надо использовать для разработки системы резервного электропитания, способной поддерживать работу схемы в течение достаточного времени для выполнения безопасного отключения устройства. Чтобы повысить эффективность этого решения и более эффективно использовать энергию запасенную в суперконденсаторе, стоит применить преобразователь напряжения между ионистором и питаемой схемой.

   Форум по БП

   Форум по обсуждению материала ИОНИСТОР - РЕЗЕРВНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ



РАДИОУПРАВЛЯЕМЫЙ ТРАКТОР ИЗ ОБЫЧНОГО

Переделываем игрушку обычный трактор в радиоуправляемый - фотографии процесса и получившийся результат.


ВОЗМОЖНОСТИ БЕСПРОВОДНОГО ПИТАНИЯ

Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.


SMD ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.


В КАКОМ НАПРАВЛЕНИИ ТЕЧЕТ ТОК

В каком направлении течет ток - от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.



   Радиосхемы » Теория электроники



© 2010-2022 "Радиосхемы". All Rights Reserved  Почта  PDA