Суперконденсаторы (ионисторы) все чаще используются в схемах питания, и балансировочная система необходима для правильного заряда последовательно соединенной конденсаторной батареи такой большой емкости EDLC .
Зарядка отдельных суперконденсаторов не проблема. Доступны специальные готовые комплексные зарядные устройства с защитой. Чуть хуже обстоит дело при зарядке пакетов, состоящих из нескольких последовательно соединенных суперконденсаторов. Из-за разброса допуска емкости напряжение на отдельных конденсаторах в сборке распределяется не всегда равномерно. Это опасно, так как даже незначительное превышение номинального напряжения заканчивается необратимым повреждением или даже взрывом конденсатора!
Таким образом, балансировочная схема необходима для правильной зарядки последовательно соединенных конденсаторов. Её основная задача — защитить конденсатор от повышения напряжения выше безопасного значения (2,45 В для конденсаторов на 2,5 В). В случае превышения 2,45 В устройство шунтирует заряженную батарею резистором, позволяя протекать току и заряжая оставшиеся элементы без повышения напряжения с наименьшей емкостью в сборке. Это несколько увеличивает время зарядки схемы и ухудшает эффективность зарядки, но обеспечивает надежность и долговечность упаковки.
Схема балансира показана на рисунке, она работает как прецизионный стабилитрон. Напряжение VBAT с конденсатора подается на чип U1 типа LTC6703HV – микро компаратор со встроенным источником опорного напряжения 400 мВ и гистерезисом переключения 6,5 мВ. Делителем R1A/R1B/R2 устанавливается порог переключения схемы 2,45 В. Резистор R4 и конденсатор С1 фильтруют питание компаратора. Ключ с транзистором Q1 управляется с выхода компаратора. Резистор R3 подает питание на вход затвора, так как выход компаратора с открытым стоком. В зависимости от величины балансировочного тока следует подобрать резисторы R5A…R5C. Резисторы R5A и R5B (типа 2512 с мощностью 1 Вт) размещены на печатной плате. Из-за тепловыделения не рекомендуется снижать их значения ниже 33 Ом.
Максимальный ток балансировки не должен превышать 3 А. Светодиод LB сигнализирует об активности балансира. В прототипе при номиналах резисторов из схемы ток потребления ниже напряжения балансировки и не превышает 10 мкА, что делает его пренебрежимо малым по сравнению с током саморазряда конденсатора EDLC.
Балансир смонтирован на небольшой двухсторонней печатной плате. Схема сборки показана на рисунке.
Во время пуска, питая схему от внешнего источника питания с измерением тока, обязательно надо проверить напряжение активации, которое должно быть 2,40…2,45 В для конденсаторов на 2,5 В. Точную настройку можно произвести с помощью лабораторного источника питания по подбору сопротивления R1A. В процессе работы резисторы R5A-R5C нагреваются, поэтому необходимо обеспечить достаточную циркуляцию воздуха вокруг балансира.
В связи с высокими значениями сопротивления используемых резисторов и требуемой точностью измерения порога срабатывания, плату после сборки необходимо промыть, чтобы удалить остатки флюса. Затем защитите печатную плату изоляционным лаком или препаратом для герметизации.
Используемый компаратор имеет малый гистерезис, упрощает конструкцию балансира и снижает потери мощности в балансной части. Схема точна, но отличается повышенной чувствительностью к колебаниям напряжения.
Соединения балансира и суперконденсатора должны выполняться как можно более коротким проводом сечением 2,5 мм2, чтобы колебания напряжения VBAT, связанные с включением балансира, не влияли на работу компаратора и не приводили к коммутационным колебаниям. Колебания не вредны для работы и схемы, но они увеличивают генерируемые электромагнитные помехи и излишне увеличивают время балансировки (меньшее заполнение кривой тока балансировки).
