Конденсатори надвисокої ємності в портативних пристроях

Імпульсний характер струму споживання портативних електронних пристроїв

Імпульсний характер струму споживання портативних електронних пристроїв негативно впливає на акумулятори, істотно скорочуючи час їхньої роботи між циклами заряджання. І оскільки споживачеві необхідно часто підключати пристрій до мережі для підзарядки, він не може повною мірою вважатися портативним. Виходом із ситуації може бути застосування конденсаторів надвисокої ємності.

А. Мельниченко

Портативні електронні вироби

Портативні електронні вироби, до яких належать переносні малогабаритні пристрої з автономним живленням, отримали нині широке поширення. Вони поєднують багато функцій: фотографування, високоякісне відтворення звуку, супутникову навігацію та бездротову комунікацію, причому все це — у габаритах, що не перевищують розмірів колоди карт.

Незважаючи на різноманіття можливостей, вони часто стають простими іграшками, оскільки їхні джерела живлення не можуть забезпечити виконання деяких завдань. Великі імпульси потужності, необхідні, наприклад, для живлення приводу камери, запису зображення у флешпам’ять або передавання пакетів інформації через бездротові мережі, перевантажують акумулятори, істотно скорочуючи час їхньої роботи між циклами заряджання. За необхідності частого заряджання пристрій не можна повною мірою віднести до портативних.

Спільне використання конденсаторів надвисокої ємності та акумуляторів

Що ж робити, коли строк 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 і потім знову швидко заряджаються від схожого на авторучку, що заправляється чорнилом, картриджа з метанолом. Однак паливні елементи ще не придатні для комерційного використання. Крім того, вони мають той самий недолік, що й акумулятори: малу потужність.

У пристроях, для яких необхідний великий запас енергії за малої середньої споживаної потужності, наприклад, у калькуляторах, годинниках і портативних радіоприймачах, ємності батарей може бути більш ніж достатньо, щоб забезпечити живлення пристроїв малим струмом протягом тривалого часу. Проте існує широкий клас пристроїв, споживана потужність яких в окремі періоди часу істотно перевищує середню. Для них можливості батарей виявляються недостатніми. Як же отримати потужність, необхідну для роботи портативних пристроїв у всіх можливих режимах, одночасно забезпечивши їх енергією на тривалий період часу? Відповідь доволі 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, найвигідніше використовувати конденсатори надвисокої ємності.

Найкращі з наявних нині конденсаторів надвисокої ємності можуть віддавати дуже велику питому потужність (до 20 кВт/кг). Маючи малі розміри, конденсатори надвисокої ємності можуть зберігати значно більшу кількість енергії, ніж звичайні конденсатори, і можуть віддати її за як завгодно короткий інтервал часу. Вони довговічні, строк 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 віддавану потужність і великий строк служби.

Портативні вироби

Оскільки потреба у зменшенні розмірів і маси портативних виробів зростає, розробники потребують нових ідей, що дають змогу реалізувати ці вимоги без зниження продуктивності виробів і їхньої надійності.

Існують два способи застосування конденсаторів надвисокої ємності. Перший — використання їх як джерел резервного живлення для виконання деяких функцій електронних пристроїв, таких як: налаштування BIOS, телефона і відеокамери. У цьому разі конденсатор заряджають від первинного джерела живлення, але функціонує він 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 віддаваний ними піковий струм (рис. 1). У результаті збільшується час безперервної роботи акумуляторів, а також зменшуються їхні габарити, що, своєю чергою, призводить до зменшення розмірів усього виробу.

Конденсатори надвисокої ємності можуть знайти застосування в різних виробах — від портативних сканерів штрих-коду до цифрових камер. Характеристики виробів, що відрізняються великими імпульсними струмами споживання за порівняно невеликого середнього струму, можуть бути поліпшені додаванням таких конденсаторів. Деякі з цих виробів уже 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 під час запису в пам’ять. Дорогі перезаряджувані акумулятори (включно із зарядними пристроями) можна замінити вбудованими конденсаторами надвисокої ємності та широко поширеними лужними батареями. Хоча лужні батареї мають доволі великий запас енергії, вони не можуть забезпечити потужність, достатню для керування камерою. Поєднання лужних батарей і конденсаторів надвисокої ємності є оптимальним: батареї постачають безперервну енергію, а конденсатор — імпульсну потужність. Якщо користувачі хочуть зменшити габарити і масу камери, вони не повинні орієнтуватися на застосування акумуляторів. Перевага конденсаторів надвисокої ємності полягає в тому, що вони дозволяють клієнтові використовувати недорогу лужну батарейку замість дорогого акумулятора.

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

Конденсатори надвисокої ємності в бездротових системах зв’язку

У бездротових системах переважно використовують пакетний метод комунікації. Цей метод застосовується для комунікації в локальних мережах таких місць, як склади супермаркетів або навіть ресторани, у яких процесори, що приймають замовлення і видають інформацію, використовують бездротові термінали та модифіковані PDA (Personal Digital Assistant — персональні цифрові секретарі), щоб передавати інформацію в реальному часі в центр збору даних. Вплив імпульсного струму споживання цих пристроїв на рівень пульсацій напруги живлення може бути істотно зменшений за використання конденсаторів надвисокої ємності.

Однак побутові пристрої з великими імпульсними струмами споживання — не єдині, у яких вигідно використовувати ці конденсатори. Ще одна сфера їх застосування, не менш широка, ґрунтується на можливості їх швидкого заряджання та розряджання.

Переваги швидкого заряджання

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

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

Нові можливості

На ринку безперервно з’являються все нові електронні вироби, у невеликому об’ємі яких інтегровано багато різних функцій. Нікель-кадмієві акумулятори, що використовуються для живлення цих пристроїв, мають обмежений строк служби. На відміну від них, конденсатори надвисокої ємності можна перезаряджати багато разів протягом усього строку 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 отже, і витрати на їх виробництво.

Основні параметри конденсаторів фірми EPCOS *

* Діапазон робочих температур конденсаторів становить від –30 до 70 °C. Строк служби конденсаторів за напруги 2.5 В і температури 25 °C становить 10 років і зменшується на порядок у разі збільшення напруги на 0.3 В або температури на 30 °C.

Висновки

Нові електронні вироби з високим рівнем споживання енергії, такі як пристрої бездротового зв’язку та цифрові фотокамери, забезпечують широкі ринки збуту джерел автономного живлення. Нині конденсатори надвисокої ємності дедалі більш затребувані в нових розробках. Вони доступні за ціною, не потребують великих витрат під час експлуатації та добре зарекомендували себе в 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 і нераціональним. Характеристики системи живлення можуть бути істотно поліпшені, якщо для зберігання електричної енергії використовувати первинне джерело, наприклад акумулятор, а в періоди пікового споживання живлення виробів здійснювати за рахунок енергії, накопиченої в конденсаторах надвисокої ємності (рис. 4). При цьому вимоги, що висуваються до первинного джерела, можуть бути істотно знижені.