Суперконденсаторы (ионисторы) — это больше, чем просто конденсаторы большой емкости. Они работают по тому же принципу — накопление заряда в электрическом поле, однако при их изготовлении используются немного другие технологии.
У суперконденсаторов металлические электроды покрыты активированным углем и погружены в электролит. Благодаря своей пористости они могут накапливать гораздо больше заряда. В отличие от обычных конденсаторов, заряд накапливается не только на самом электроде, но и на его угольном покрытии. Вот почему их еще часто называют двухслойными конденсаторами (EDLC).
Более того, толщина изолятора здесь также намного меньше чем в обычных конденсаторах и измеряется в нанометрах. В результате этого можно запасти гораздо больше заряда — вплоть до сотни фарад! К сожалению, это происходит за счет допустимого напряжения.
Суперконденсаторы, доступные на рынке, обычно имеют номинальное напряжение 2,7В (одинарные) и 5,4В (сдвоенные). Конечно, это можно «исправить» и получить более высокое напряжение, подключив последовательно несколько суперконденсаторов, но при этом пожертвовав емкостью.
Немного теории
О суперконденсаторах нужно знать несколько вещей. Наиболее важные из них касаются зарядки, разрядки и подключения: последовательного и параллельного.
Зарядка суперконденсатора
Начнем с постоянной времени RC-цепи:
t=R*C
За время t суперконденсатор емкостью С, подключенный последовательно с резистором R, зарядится примерно до 2/3 (точнее до 63,2%) напряжения питания. За время 5t суперконденсатор зарядится до значения очень близкое к напряжению питания (99,3%).
Эти интервалы обусловлены тем, что процесс зарядки конденсатора является не линейной функцией (экспоненциальной). Для определения его параметров можно использовать следующие формулы:
В приведенных выше формулах:
- Q: мгновенный заряд, в момент t [Кл];
- C: емкость конденсатора [Ф];
- I: мгновенный зарядный ток [A];
- V0: напряжение зарядки [В];
- V: мгновенное напряжение на суперконденсаторе [В];
- R: сопротивление, подключенное последовательно с суперконденсатором [Ом];
- t: время [сек].
Обратите внимание, что:
- По мере зарядки заряд на пластинах суперконденсатора растет, как и его напряжение.
- По мере продолжения зарядки ток заряда уменьшается: от V0\R до почти нуля.
- Время зарядки суперконденсатора зависит от его емкости C и сопротивления R.
Практический пример: зарядка суперконденсатора емкостью 1Ф через резистор сопротивлением 50 Ом от источника напряжения 5 В (зафиксированного на осциллографе):
На рисунке видно, что суперконденсатор достиг заряда 63,2% (3,16 В) примерно за 47 секунд. Это согласуется (более менее) с постоянной времени:
t = 50 Ом * 1 Ф = 50 сек
Схема зарядки суперконденсатора
Схема зарядки суперконденсатора выглядит следующим образом:
В данном случае:
t = R * C = 10 Ом * 1 Ф = 10 сек
суперконденсатор будет заряжен до ~ 3,3В через 10 секунд — и до 5 В примерно через 5 секунд.
зарядный ток будет равен:
I = U \ R = 5 В \ 10 Ом = 0,5 A
В чем проблема? В выделяемой мощности на резисторе:
P = U \ I = U * (U \ R) = 5 В * (5 В \ 10 Ом) = 2,5 Вт
Из этого следует, что на резисторе можно выделиться до 2,5 Вт мощности. Резисторы, которые мы обычно используем, имеют не более 0,25 Вт мощности, что в десять раз меньше. Установленный в такую схему резистор мощностью 0,25 Вт просто перегорит.
Выход из данной ситуации — распределение напряжения и тока следующим образом:
Конечное сопротивление такой схемы по-прежнему составляет 10 Ом:
Rz = R1 * R2 \ (R1 + R2) = (10 Ом + 10 Ом) * (10 Ом + 10 Ом) \ ((10 Ом + 10 Ом) + (10 Ом + 10 Ом)) = 400 Ом / 40 Ом = 10 Ом
В данном случае ток в обеих ветвях будет по 250 мА. Напряжение на каждом из резисторов:
Ur = I \ R = 0,25 A \ 10 Ом = 2,5 В
отсюда мощность на каждом резисторе:
P = U \ I = 2,5 В \ 0,25 A = 0,625 Вт
…таким образом, можно использовать резисторы мощностью 1 Вт.
Практичный источник питания с суперконденсатором
В практических решениях широко используются суперконденсаторы, например, для питания часов реального времени.
В подобных схемах необходимо использовать диод, который защитит цепь зарядки от «обратного тока» от самого суперконденсатора. Схема может выглядеть так:
Напряжение питания может поступать, например, от Ардуино. Диод D1 защищает источник питания от «смещения» тока от суперконденсатора – чтобы на выход стабилизатора не поступало напряжение с конденсатора.
Однако этот диод также влияет на напряжение зарядки суперконденсатора, которое в такой схеме ниже на величину падение напряжения на диоде. В зависимости от типа диода оно может составлять 0,6..0,8В.
Катод диода через резистор подключен к суперконденсатору C1. Сопротивление резистора определяется, как и выше, учитывая постоянную времени.
Примеры суперконденсаторов
При выборе суперконденсатора учитывайте:
- Емкость, измеряемая в фарадах — чем больше емкость, тем больше заряда может накапливать суперконденсатор и, как следствие, дольше обеспечивать питание вашей системы,
- Номинальное напряжение, измеряемое в вольтах — максимальное напряжение, которое конденсатор может обеспечить на выводах.
Некоторые примеры (фото) суперконденсаторов:
Емкость 1Ф, максимальное напряжение 5,5В (сдвоенный; на картинке слева — справа 4Ф):
Максимальное напряжение 5,5 В, емкость 4Ф, высота 5 мм, диаметр 25 мм (сдвоенный):
Максимальное напряжение 2,7 В, емкость: 100Ф (!), Высота и диаметр более 5 см:
Некоторые комментарии…
- Каждый суперконденсатор имеет определенное максимальное напряжение — например, 2,7 или 5,5 В. Подача большего напряжения может привести к взрыву суперконденсатора.
- Суперконденсаторы поляризованы: не перепутайте, какая ножка «-», а какая — «+»; обратная полярность может привести к взрыву суперконденсатора,
- Суперонденсаторы могут выдерживать большое количество циклов заряда и разряда. В этом отношении они во много раз более устойчивы, чем, например, NiMH или LiPo батареи.
- Если у вашего конденсатора слишком низкое напряжение или слишком малая емкость — вы можете подключать их последовательно или параллельно.
