По сравнению с обычными конденсаторами, ультраконденсатор (суперконденсатор) отличается очень высокой емкостью хранения заряда и очень низким эквивалентным последовательным сопротивлением. Высокий срок службы, малое время зарядки и высокая выходная мощность делают его идеальным выбором для многих применений в области электроэнергетики. Кроме того, теоретически бесконечный срок службы суперконденсаторов делает их полезными для устройств Интернета вещей, которым требуется энергия, обычно подаваемая короткими импульсами.

Особенности ультраконденсаторов

Ультраконденсаторы более долговечны чем аккумуляторы, поэтому было бы здорово использовать их в своих проектах и забыть о подзарядке и замене аккумуляторных блоков. Наиболее важные вещи, на которые следует обратить внимание при разрядке и зарядке суперконденсатора, это:

1. Требуемая емкость в зависимости от желаемых параметров работы (время работы, выходное напряжение, выходной ток, выходная мощность).
2. Режим работы процесса разряда (постоянный ток/постоянное сопротивление/постоянная мощность).
3. Метод процесса зарядки (постоянное напряжение/постоянный ток).

В общем важнейшими параметрами являются емкость, схемы разряда и заряда, а также соответствующие напряжения. Также обратите внимание, что ультраконденсатор не является источником постоянного напряжения (напряжение уменьшается по мере подачи энергии).

На фото показан широкодоступный суперконденсатор 100 Ф/2,7 В и его технические характеристики.

Для использования с ними также доступна специальная плата защиты (плата балансировщика заряда).

А это схема показанной выше платы защиты суперконденсатора:

Обратите внимание, что когда напряжение ультраконденсатора достигает заданного значения 2,66 В, силовой NPN-транзистор Q2 включается (формула для TL431: V = (1+R1/R2)x2,5). Таким образом, эта схема защищает суперконденсаторы 2,7 В, когда они заряжаются последовательно. В интернет-магазинах сейчас доступно множество вариантов этой платы.

Поскольку суперконденсатор имеет более низкий уровень напряжения и более быстрое рассеивание по сравнению с обычной батареей, крайне важно полностью использовать срок его заряда и быстро пополнять его после разрядки. Конечно суперконденсатор можно заряжать быстро, но при первом подключении он потребляет большой зарядный ток. Итак, чтобы эффективно использовать ультраконденсатор, следует выбрать настраиваемое зарядное устройство со встроенными механизмами безопасности (например, ограничителем пускового тока). Зарядное устройство должно быть способно безопасно заряжать суперконденсатор как при напряжении 0 В, так и более высоким зарядным током. Зарядка при уровне 0 В максимизирует время работы, а более высокий зарядный ток может быстро пополнить емкость.

Практическая часть

Первой попыткой было создание прототипа простого и настраиваемого линейного зарядного устройства для суперконденсаторов на 2,7 В с небольшим количеством дискретных компонентов. Ниже его предварительная схема, состоящая из суперконденсатора и схемы зарядного устройства.

Здесь резистор R1 управляет зарядным током. IRLZ44N (Q1) и KA431A (U1) ограничивают напряжение суперконденсатора (SC) примерно до 2,6 В, когда ионистор полностью заряжен. Диод Шоттки 1N5819 (D1) предотвращает протекание обратного тока, когда V IN находится под низким напряжением.

Когда напряжение суперконденсатора ниже 2,6 В, напряжение на опорном выводе (R) KA431A ниже 2,5 В, поэтому напряжение на его катодном выводе (C) почти равно V CHG, и IRLZ44N включается. И когда напряжение ионистора достигает заданного значения, МОП-транзистор отключается, суперконденсатор перестает заряжаться. Формула для KA431:

V = 2,5 х (1+R3/R4)

Зарядный ток определяется уравнением ICHG = VCHG – VSC/R1. Диод Шоттки вызывает падение напряжения около 0,3 В. Итак, когда напряжение суперконденсатора (V SC) равно 0 В, зарядный ток будет:

ICHG_MAX = VCHG – VSC/R1 = 4,7V – 0V/22 Ом = 213 мА

А когда напряжение SC равно 2,6 В, зарядный ток:

ICHG_MIN = VCHG – VSC/R1 = 4,7V – 2,6V/22 Ом = 95 мА

Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе R1 происходит при V SC = 0 В, то есть:

PCHG_MAX = VCHG x ICHG_MAX = 4,7V x 213 мА = 1 W

В качестве примечания, вот еще несколько моментов которые следует учитывать:

• Используйте резисторы 1% для R3 и R4. Значение R3 тоже может нуждаться в некоторых изменениях.
• Компенсационный конденсатор 10 нФ (C4) не является обязательным, но может улучшить стабильность схемы.
• Учитывая запас по мощности 50%, в качестве R1 лучше использовать резистор номиналом 2 Вт.
• Поскольку выходное напряжение одного суперконденсатора не превышает 2,7 В, необходим повышающий преобразователь для повышения выходного напряжения для питания стандартной ТТЛ-схемы.

Ниже фото прототипа макетной платы. Входные и выходные керамические конденсаторы не используются в макете, но вам следует добавить их в свою версию. Схема испытана с источником питания USB 5 В / 500 мА, и она отлично работала.

LED фонарь с зарядкой через USB

А это аварийный фонарик с зарядкой от USB, подключенный к белому светодиоду диаметром 5 мм. Блок питания данной схемы представляет собой ультраконденсатор 1 Ф/5,5 В. Просто подключите готовую схему к активному USB-порту и при необходимости нажмите переключатель S1. В результате светодиод LED1 загорается кратковременно белым светом, генерируемым зарядом, хранящимся в C1. Предохранитель F1 в схеме добавлен для защиты USB-порта, а диод D1 работает как «односторонний» переключатель. Резистор R1 ограничивает ток через светодиод.

В прототипе использован суперконденсатор 1Ф/5,5В, взятый от старого видеомагнитофона. Если вы используете общедоступный ультраконденсатор типа 1 Ф/2,5 В, следует соединить два из них последовательно. Обратите внимание, что это уменьшает общую емкость, но удваивает номинальное напряжение. Единственным недостатком идеи является пока ещё высокая цена суперконденсатора, но это дело времени…