Конденсатори надвисокої ємності в портативних пристроях

Імпульсний характер струму споживання портативних електронних пристроїв негативно позначається на акумуляторах, суттєво скорочуючи час роботи між циклами зарядки. І оскільки споживачеві необхідно часто підключати пристрій до мережі для заряджання, воно не може повною мірою ставитися до портативних. Виходом із положення може бути застосування конденсаторів надвисокої ємності.

В. Макаренко

Портативні електронні вироби

Портативні електронні вироби, до яких відносяться переносні малогабаритні пристрої з автономним живленням, набули широкого поширення. Вони поєднують багато функцій: фотографування, високоякісне відтворення звуку, супутникову навігацію та бездротову комунікацію, причому все це в габаритах, що не перевищують розмірів колоди карт.

Незважаючи на різноманітність можливостей, вони часто стають простими іграшками, тому що їх джерела живлення не можуть забезпечити виконання деяких завдань. Великі імпульси потужності, необхідні, наприклад, для живлення приводу камери, запису зображення у флеш-пам’ять або передачі пакетів інформації бездротовими мережами перевантажують акумулятори, істотно скорочуючи час їх роботи між циклами зарядки. При необхідності частого заряджання пристрій не можна повністю віднести до портативних.

Спільне використання конденсаторів надвисокої ємності та акумуляторів

Що ж робити, коли термін служби акумулятора закінчується і пристрій перетворюється на іграшку? Можна придбати джерело енергії наступного покоління, наприклад, широко розрекламований замість акумулятора паливний елемент. Багато компаній демонструють зразки портативних паливних елементів, які забезпечують живлення ноутбука протягом багатьох годин, а потім знову швидко заряджаються від схожого на авторучку, що заправляється чорнилом, патрона з метанолом. Однак паливні елементи ще не придатні для комерційного використання. Крім того, вони мають той самий недолік, що й акумулятори: малу потужність.

Використання в малопотужних пристроях

У пристроях, для яких необхідний великий запас енергії при малій середній споживаній потужності, наприклад, в калькуляторах, годинниках і портативних радіоприймачах, ємності батарей може бути достатньо, щоб забезпечити живлення пристроїв малим струмом протягом тривалого часу. Однак існує широкий клас пристроїв, споживана потужність яких в окремі періоди часу істотно перевищує середню. Їх можливості батарей виявляються недостатніми. Як отримати потужність, необхідну для роботи портативних пристроїв у всіх можливих режимах, одночасно забезпечивши їх енергією на тривалий період часу? Відповідь дуже проста: для цього слід використовувати два різні елементи: один для забезпечення необхідної потужності, інший – енергії. Як елементи, здатні віддавати велику потужність протягом короткого інтервалу часу, найбільш вигідно використовувати конденсатори надвисокої ємності.

Найкращі існуючі нині конденсатори надвисокої ємності можуть віддавати дуже велику питому потужність (до 20 кВт/кг). Маючи малі розміри, конденсатори надвисокої ємності можуть зберігати значно більше енергії, ніж звичайні конденсатори, і можуть віддати її за скільки завгодно короткий інтервал часу. Вони довговічні, термін їхньої служби достатній для роботи протягом усього часу експлуатації виробу, в якому вони встановлені. У поєднанні з енергоємними акумуляторами вони здатні задовольнити дві основні вимоги: забезпечити велику потужність, що віддається, і великий термін служби.

Портативні вироби

Оскільки необхідність зменшення розмірів та маси портативних виробів зростає, розробники потребують нових ідей, що дозволяють реалізувати ці потреби без скорочення продуктивності виробів та їхньої надійності.

Варіанти використання

Існують два способи застосування конденсаторів надвисокої ємності. Перший – використання їх як джерела резервного живлення для виконання деяких функцій електронних пристроїв, як-от: налаштування BIOS, телефону та відеокамери. У цьому випадку конденсатор заряджають від первинного джерела живлення, але він функціонує як резервне джерело. Друге призначення конденсаторів надвисокої ємності – згладжування “провалів” напруги живлення в моменти максимального споживання струму. У цих випадках конденсатори надвисокої ємності використовуються спільно з акумуляторами, знижуючи піковий струм, що віддається ними (рис. 1). В результаті збільшується час безперервної роботи акумуляторів, а також зменшуються їх габарити, що, у свою чергу, призводить до зменшення розмірів виробу.

Конденсатори надвисокої ємності можуть бути використані в різних виробах – від портативних сканерів штрих-коду до цифрових камер. Характеристики виробів, які відрізняються великими імпульсними струмами споживання при порівняно невеликому середньому струмі, можуть бути покращені додаванням таких конденсаторів. Деякі з цих виробів випускаються серійно.

Збільшення імпульсної потужності джерел живлення

У деякі моменти роботи цифрових камер спостерігається різке зростання струму споживання, наприклад, під час живлення двигунів об’єктива або запису пам’ять. Дорогі акумулятори, що перезаряджаються (включаючи зарядні пристрої) можна замінити вбудованими конденсаторами надвисокої ємності і широко поширеними лужними батареями. Хоча лужні батареї мають досить великий запас енергії, вони не можуть забезпечити потужність, достатню для керування камерою. З’єднання лужних батарей і конденсаторів надвисокої ємності є оптимальним поєднанням: батареї поставляють безперервну енергію, а конденсатор – імпульсну потужність. Якщо користувачі хочуть зменшити габарити та масу камери, вони не повинні орієнтуватися на використання акумуляторів. Перевага конденсаторів надвисокої ємності полягає в тому, що вони дозволяють клієнту використовувати недорогу лужну батарею замість дорогого акумулятора.

Найбільше імпульсне споживання струму від джерела живлення спостерігається під час роботи процесора, запису в пам’ять та виведення інформації на РК-дисплеї. На рис. 2 показані пульсації напруги живлення при виконанні цих операцій. При живленні від акумулятора ці коливання досить значні, але при підключенні конденсаторів надвисокої ємності паралельно до акумулятора вони можуть бути значно зменшені. У цьому випадку можна використовувати недорогі лужні акумулятори. Як видно із графіка рис. 3, конденсатори надвеликої ємності, підключені паралельно до акумуляторів, забезпечили їх ефективне використання. Число циклів перезаряджання акумуляторів не зменшилося, що підтверджує стабільність параметрів конденсаторів навіть після зміни 16 комплектів акумуляторів (що приблизно відповідає 9000 циклів заряджання).

Конденсатори надвисокої ємності у бездротових системах зв’язку

У бездротових системах використовують переважно пакетний метод комунікації. Цей метод застосовується для комунікації в локальних мережах таких місць, як склади супермаркетів або навіть ресторани, в яких процесори, що приймають замовлення та видають інформацію, використовують бездротові термінали та модифіковані PDA (Personal Digital Assistent – персональні цифрові секретарі), щоб повідомити інформацію в реальному часі в центр збору даних. Вплив імпульсного струму споживання цих пристроїв на рівень пульсації напруги живлення може бути значно зменшено при використанні конденсаторів надвисокої ємності.

Однак побутові пристрої з великими імпульсними струмами споживання – не єдині, в яких вигідно використовувати ці конденсатори. Ще одна сфера їх застосування, не менш велика, заснована на можливості їхньої швидкої зарядки та розрядки.

Переваги швидкої зарядки

У багатьох дитячих іграшках використовується можливість “миттєвої” зарядки конденсаторів надвисокої ємності. Такий конденсатор вбудований у найпопулярнішу іграшку – гоночний автомобіль. Він заряджається за 10 секунд від набору лужних акумуляторів у маленькому пристрої заряджання. Ця гра добре поєднується зі здатністю дітей утримувати увагу лише протягом короткого проміжку часу.

Конденсатори надвисокої ємності дозволяють швидко заряджати джерело живлення ручних електроінструментів. Не раз бувало, що коли потрібно просвердлити лише кілька отворів, виявляється, що акумулятор розряджений і що потрібно чекати протягом години, поки він зарядиться, щоб виконати двохвилинну роботу. При використанні конденсаторів надвисокої ємності цієї незручності можна уникнути.

Нові можливості

На ринку безперервно з’являються нові електронні вироби, в невеликому обсязі яких інтегровано багато різних функцій. Нікелькадмієві акумулятори, які використовуються для живлення цих пристроїв, мають обмежений термін служби. На відміну від них конденсатори надвисокої ємності можна перезаряджати багато разів протягом усього терміну служби виробу. Ще одна перевага конденсаторів надвисокої ємності, порівняно з акумуляторами, полягає в тому, що для них не потрібна операція тренування в процесі їх виготовлення. Це дозволяє скоротити виробничий цикл, а відтак витрати на їхнє виробництво.

Основні параметри конденсаторів фірми EPCOS *

* Діапазон робочих температур конденсаторів становить від -30 до 70 °С. Термін служби конденсаторів при напрузі 2.5 і температурі 25 °С становить 10 років і зменшується на порядок при збільшенні напруги на 0.3 або температури на 30 °С.

Висновок

Нові електронні вироби з високим рівнем споживання енергії, такі як бездротові пристрої та цифрові фотокамери, забезпечують широкі ринки збуту джерел автономного живлення. В даний час конденсатори надвисокої ємності все більш потрібні в нових розробках. Вони доступні за ціною, не вимагають великих витрат при експлуатації та добре зарекомендували себе у системах промислової електроніки.

Сьогодні багато розробників, як і раніше, прагнуть забезпечити пікові значення струму споживання вибором відповідного джерела живлення, навіть якщо тривалість цих струмів не перевищує кількох секунд. Такий підхід є дорогим та нераціональним. Характеристики системи живлення можуть бути значно покращені, якщо для зберігання електричної енергії використовувати первинне джерело, наприклад акумулятор, а в періоди пікового споживання харчування виробів здійснювати за рахунок енергії, накопиченої в конденсаторах надвисокої ємності (рис. 4). При цьому вимоги до первинного джерела можуть бути істотно знижені.