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Tiene que ser sutil con los supercondensadores

Los diseñadores están utilizando supercondensadores (también llamados condensadores electroquímicos de doble capa o EDLC) en una amplia variedad de aplicaciones. Estos incluyen energía de respaldo local para sistemas integrados con memoria flash, energía de pulso, energía de puente o de retención, sistemas de flash de cámara, recolección de energía, aplicaciones de pulso, fuentes de alimentación ininterrumpida, sistemas industriales, alarmas inalámbricas, medición remota y juguetes. Por muy útiles que sean, los diseñadores deben ser conscientes de las complejidades y sutilezas de los supercondensadores, en relación con los condensadores convencionales a nivel de placa.

En este blog, comenzaremos examinando tres consideraciones importantes al usar supercondensadores y terminaremos con una breve revisión de los supercondensadores de AVX Corp. , Eaton y KEMET , cada uno optimizado para una variedad de aplicaciones.

Qué considerar al diseñar con supercondensadores

Algunas de las sutilezas de los supercondensadores que pueden presentar desafíos para los diseñadores incluyen:

Resistencia en serie equivalente (ESR): La ESR no es tan simple con supercondensadores. Es posible que las especificaciones no parezcan variar mucho entre las hojas de datos de los fabricantes, pero la ESR real de los dispositivos enviados puede variar bastante. Además, la ESR aumenta a medida que envejecen los supercondensadores. Un diseñador debe buscar supercondensadores que comiencen con una ESR baja y que permanezcan relativamente bajos en un amplio rango de temperatura durante toda su vida operativa. Los factores que pueden afectar la ESR a lo largo del tiempo incluyen la pureza del material, la limpieza del proceso de fabricación y cuánto tiempo (si es que lo hicieron) los dispositivos estuvieron sujetos a quemado antes de su envío.

Maximización de la vida útil del supercondensador: En general, las temperaturas más altas y los voltajes operativos más altos a nivel de celda hacen que la ESR aumente más rápido y reduzca la vida útil de los supercondensadores. Por lo tanto, reducir el voltaje operativo por celda es la principal herramienta que tienen los diseñadores para maximizar la vida útil. La estrategia típica es poner más células en serie, pero esto aumenta la VSG del sistema. Sin embargo, esto se puede superar agregando capacitancia para reducir la ESR.

Conversión de energía: Muchos diseñadores están acostumbrados a trabajar con baterías u otra fuente de voltaje más constante. Cuando se utilizan supercondensadores, es importante comprender cómo cae el voltaje a medida que alimenta la carga y el efecto que la tasa de corriente puede tener sobre el voltaje. Con un convertidor de potencia subóptimo, los supercondensadores pueden ser más costosos de lo necesario. Si la electrónica de potencia está diseñada para usar una ventana de voltaje más amplia (voltaje nominal completo a ½ voltaje nominal), permite el uso de toda la energía almacenada en el supercondensador. Esto permite el uso de supercondensadores más pequeños, lo que ayuda a reducir los costos y puede reducir el tamaño del sistema.

Supercapa de cinco Faradios para alta densidad de energía

El supercondensador PHV-5R4H505-R 5 Farad (F) de Eaton es un dispositivo de 5 voltios optimizado para las necesidades de aplicaciones de alta densidad de energía, como sistemas de alimentación por impulsos, fuentes de alimentación ininterrumpida y sistemas industriales (Figura 1). Cuenta con administración celular integrada (balanceo incorporado). Su ESR es de 70 miliohmios (mΩ) a 100 hercios (Hz) y 65 mΩ a 1 kilohercio (kHz), y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 ° C a + 65 ° C, y un rango de temperatura extendido de hasta + 85 ° C con reducción de voltaje lineal a 4.0 voltios a + 85 ° C. El PHV-5R4H505-R tiene una vida útil de hasta 20 años, suponiendo que funcione dentro de los rangos de temperatura y voltaje de carga especificados.

Figura 1: El supercondensador PHV-5R4H505-R 5 F de Eaton viene en un paquete rectangular para una alta densidad de potencia. (Fuente de la imagen: Eaton)

A continuación, veremos dos supercondensadores de 470 milifaradios (mF) optimizados para diferentes conjuntos de necesidades de aplicaciones.

Supercapa de 400 mΩ, 470 mF para potencia de pulso

El SCMQ14C474PRBA0 es un módulo de supercondensador conectado en serie de 5 voltios y 470 mF de AVX con una ESR de 400 mΩ a 1 kHz (Figura 2). Está optimizado para su uso en sistemas de recolección de energía, aplicaciones de energía por pulsos y para complementar o reemplazar baterías en circuitos de retención de energía. Cuando se usan en combinación con baterías, estos supercondensadores pueden extender los tiempos de respaldo, contribuir a una mayor duración de la batería y soportar los requisitos instantáneos de energía de pulso.

Figura 2: El SCMQ14C474PRBA0 es un supercondensador de 5 voltios y 470 mF optimizado para sistemas de recolección de energía y aplicaciones de potencia por pulsos. (Fuente de la imagen: AVX Corp.)

Supercapacidad de 25 Ω, 470 mF para energía de respaldo a largo plazo

El FC0V474ZFTBR24 es un supercondensador de 470 mF y 3,5 voltios de KEMET que es adecuado para su uso en aplicaciones de retención de corriente continua (CC) de bajo voltaje, como sistemas de microprocesadores integrados con memoria flash y circuitos integrados de reloj (Figura 3). Con su ESR de 25 Ω a 1 kHz, este dispositivo es particularmente útil para proporcionar corrientes de respaldo de 500 microamperios (μA) e inferiores durante períodos prolongados.

Figura 3: El FC0V474ZFTBR24 es un supercondensador de 470 mF y 3.5 voltios de KEMET en un paquete de montaje en superficie que no requiere un soporte. (Fuente de la imagen: KEMET)

Conclusión

Los supercondensadores son más complejos que los condensadores convencionales a nivel de placa: con muchas variaciones disponibles para adaptarse a aplicaciones que van desde respaldo de energía local en sistemas integrados, energía de pulso, recolección de energía, fuentes de alimentación ininterrumpida, sistemas industriales y medición remota, entre otros. Los diseñadores deben prestar especial atención a la ESR, las sutilezas involucradas en garantizar una vida útil prolongada y el diseño del convertidor de potencia.

Acerca de este autor

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Jeff ha estado escribiendo sobre electrónica de potencia, componentes electrónicos y otros temas de tecnología durante más de 30 años. Empezó a escribir sobre electrónica de potencia como editor senior en el EETimes. Posteriormente fundó Powertechniques, una revista de diseño de electrónica de potencia, y más tarde fundó Darnell Group, una empresa global de investigación y publicación de electrónica de potencia. Entre sus actividades, el Grupo Darnell publicó PowerPulse.net, que proporcionaba noticias diarias a la comunidad mundial de ingeniería en electrónica de potencia. Es el autor de un libro de texto sobre fuentes de alimentación conmutadas, titulado "Fuentes de alimentación", publicado por la división Reston de Prentice Hall.

Jeff también cofundó Jeta Power Systems, un fabricante de fuentes de alimentación conmutadas de alto voltaje, que fue adquirido por Computer Products. Jeff es también un inventor, ya que su nombre figura en 17 patentes de los Estados Unidos en los campos de la recolección de energía térmica y los metamateriales ópticos, y es una fuente de la industria y un frecuente orador sobre las tendencias mundiales en la electrónica de potencia. Tiene una maestría en Métodos cuantitativos y Matemáticas de la Universidad de California.

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