Superkondensatoren sollte man mit Vorsicht genießen

Entwickler verwenden Superkondensatoren (auch elektrochemische Doppelschichtkondensatoren oder EDLCs genannt) in einer Vielzahl von Anwendungen. Dazu gehören lokale Notstromversorgung für eingebettete Systeme mit Flash-Speicher, Impulsstromversorgung, Überbrückungs- oder Haltestromversorgung, Kamera-Blitzsysteme, Energy Harvesting, Impulsanwendungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Industriesysteme, drahtlose Alarme, Fernmessung und Spielzeug. So nützlich sie auch sind, sollten sich Entwickler der Komplexität und der Feinheiten von Superkondensatoren im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren auf Leiterplattenebene bewusst sein.

In diesem Blog beginnen wir mit drei wichtigen Überlegungen zum Einsatz von Superkondensatoren und schließen mit einer kurzen Übersicht über die Superkondensatoren von AVX Corp., Eaton und KEMET, die jeweils für einen Bereich von Anwendungen optimiert sind.

Was bei der Schaltungsentwicklung mit Superkondensatoren zu beachten ist

Einige der Feinheiten von Superkondensatoren, die für Entwickler eine Herausforderung darstellen können, sind:

Äquivalenter Serienwiderstand (ESR): Der ESR ist bei Superkondensatoren nicht so einfach. Die Spezifikationen scheinen sich zwischen den Datenblättern der Hersteller nicht stark zu unterscheiden, aber der tatsächliche ESR der ausgelieferten Komponenten kann ziemlich stark variieren. Außerdem nimmt der ESR mit dem Alter der Superkondensatoren zu. Ein Entwickler sollte nach Superkondensatoren suchen, die mit einem niedrigen ESR beginnen und der über einen weiten Temperaturbereich während ihrer gesamten Lebensdauer relativ niedrig bleibt. Zu den Faktoren, die den ESR im Laufe der Zeit beeinflussen können, gehören die Materialreinheit, die Sauberkeit des Herstellungsprozesses und wie lange (wenn überhaupt) die Bauteile vor dem Versand einem Burn-in unterzogen wurden.

Maximierung der Superkondensator-Lebensdauer: Im Allgemeinen führen höhere Temperaturen und höhere Betriebsspannungen auf Zellebene dazu, dass der ESR schneller ansteigt und die Lebensdauer des Superkondensators reduziert wird. Daher ist die Senkung der Betriebsspannung pro Zelle das wichtigste Werkzeug der Entwickler, um die Lebensdauer zu maximieren. Die typische Strategie besteht darin, mehr Zellen in Reihe zu schalten, was jedoch den ESR des Systems erhöht. Dies kann jedoch durch Hinzufügen von Kapazität zur Senkung des ESR überwunden werden.

Leistungsumwandlung: Viele Entwickler sind es gewohnt, mit Batterien oder einer anderen konstanteren Spannungsquelle zu arbeiten. Bei der Verwendung von Superkondensatoren ist es wichtig zu verstehen, wie die Spannung bei der Versorgung der Last abfällt und welche Auswirkungen die Stromstärke auf die Spannung haben kann. Mit einem suboptimalen Leistungswandler können Superkondensatoren teurer sein als nötig. Wenn die Leistungselektronik so ausgelegt wurde, dass sie ein breiteres Spannungsfenster (volle Nennspannung bis ½ Nennspannung) nutzt, ermöglicht sie die Nutzung der vollen im Superkondensator gespeicherten Energie. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer Superkondensatoren, was zur Kostensenkung beiträgt und die Systemgröße reduzieren kann.

Superkondensator mit fünf Farad für hohe Energiedichte

Der 5-Farad(F)-Superkondensator PHV-5R4H505-R von Eaton ist eine 5-Volt-Komponente, die für die Anforderungen von Anwendungen mit hoher Energiedichte, wie z. B. Impulsstromsysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und industrielle Systeme, optimiert ist (Abbildung 1). Er verfügt über ein integriertes Zellenmanagement (eingebauter Zellenausgleich). Sein ESR beträgt 70 Milliohm (mΩ) bei 100 Hertz (Hz) und 65 mΩ bei 1 Kilohertz (kHz), und er hat einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +65 °C und einen erweiterten Temperaturbereich bis +85 °C mit linearer Spannungsminderung auf 4,0 Volt bei +85 °C. Der PHV-5R4H505-R hat eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren, vorausgesetzt, er wird innerhalb der angegebenen Ladespannungs- und Temperaturbereiche betrieben.

Abbildung 1: Der 5F-Superkondensator PHV-5R4H505-R von Eaton kommt in einem rechteckigen Gehäuse für hohe Leistungsdichte. (Bildquelle: Eaton)

Als Nächstes sehen wir uns zwei Superkondensatoren mit einer Kapazität von 470 Millifarad (mF) an, die für unterschiedliche Anwendungsanforderungen optimiert wurden.

400 mΩ, 470 mF Superkondensator für Impulsleistung

Der SCMQ14C474PRBA0 ist ein 5-Volt-Superkondensatormodul mit 470 mF in Reihenschaltung von AVX mit einem ESR von 400 mΩ bei 1 kHz (Abbildung 2). Er ist optimiert für den Einsatz in Energy-Harvesting-Systemen, Pulsstromanwendungen und zur Ergänzung oder zum Ersatz von Batterien in Energieüberbrückungsschaltungen. In Kombination mit Batterien können diese Superkondensatoren die Backup-Zeiten verlängern, zu einer längeren Batterielebensdauer beitragen und den sofortigen Impulsstrombedarf unterstützen.

Abbildung 2: Der SCMQ14C474PRBA0 ist ein 5-Volt-Superkondensator mit 470 mF, der für Energy-Harvesting-Systeme und Impulsleistungsanwendungen optimiert ist. (Bildquelle: AVX Corp.)

25 Ω, 470 mF Superkondensator für Langzeit-Backup-Leistung

Der FC0V474ZFTBR24 ist ein 3,5-Volt-Superkondensator von KEMET mit 470 mF, der sich für den Einsatz in Gleichstrom(DC)-Halteanwendungen mit niedriger Spannung eignet, wie z. B. in eingebetteten Mikroprozessorsystemen mit Flash-Speicher und Takt-ICs (Abbildung 3). Mit seinem ESR von 25 Ω bei 1 kHz ist dieses Bauteil besonders geeignet, um über längere Zeiträume Reserveströme von 500 Mikroampere (μA) und weniger bereitzustellen.

Abbildung 3: Der FC0V474ZFTBR24 ist ein 3,5-Volt-Superkondensator von KEMET mit 470 mF in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse, das keinen Halter benötigt. (Bildquelle: KEMET)

Fazit

Superkondensatoren sind komplexer als herkömmliche Kondensatoren: Es gibt viele Variationen, die sich für Anwendungen eignen, die von der lokalen Notstromversorgung in eingebetteten Systemen über Pulsstromversorgung, Energy Harvesting, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, industrielle Systeme bis hin zur Fernmessung reichen. Entwickler müssen besonders auf den ESR, die Feinheiten bei der Sicherstellung einer langen Betriebslebensdauer und das Design von Leistungswandlern achten.

Über den Autor

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Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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