Конденсаторы сверхвысокой емкости в портативных устройствах

12.08.2023 |

Импульсный характер тока потребления портативных электронных устройств отрицательно сказывается на аккумуляторах, существенно сокращая время их работы между циклами зарядки. И поскольку потребителю необхо­димо часто подключать устройство к сети для подзарядки, оно не может в полной мере относиться к портативным. Вы­ходом из положения может быть применение конденсато­ров сверхвысокой емкости.

А. Мельниченко

Портативные электронные изделия, к которым относятся переносные малогабаритные устройства с автономным питанием, получили в настоящее вре­мя широкое распространение. Они совмещают мно­гие функции: фотографирование, высококачествен­ное воспроизведение звука, спутниковую навига­цию и беспроводную коммуникацию, причем все это в габаритах, не превышающих размеров колоды карт.

Несмотря на многообразие возможностей, они часто становятся простыми игрушками, так как их источники питания не могут обеспечить выполнение некоторых задач. Большие импульсы мощности, не­обходимые, к примеру, для питания привода камеры, записи изображения во флэш-память или передачи пакетов информации по беспроводным сетям пере­гружают аккумуляторы, существенно сокращая время их работы между циклами зарядки. При необходимос­ти частой зарядки устройство нельзя в полной мере отнести к портативным.

Совместное использование конденсаторов сверхвысокой емкости и аккумуляторов

Что же делать, когда срок службы аккумулятора заканчивается и устройство превращается в игруш­ку? Можно приобрести источник энергии следующе­го поколения, например, широко разрекламирован­ный взамен аккумулятора топливный элемент. Мно­гие компании демонстрируют образцы портативных топливных элементов, которые обеспечивают пита­ние ноутбука в течение многих часов и затем снова быстро заряжаются от похожего на авторучку, зап­равляемую чернилами, патрона с метанолом. Одна­ко, топливные элементы еще не пригодны для ком­мерческого использования. Кроме того, они имеют тот же недостаток, что и аккумуляторы: малую мощ­ность.

В устройствах, для которых необходим большой запас энергии при малой средней потребляемой мощности, например, в калькуляторах, часах и порта­тивных радиоприемниках, емкости батарей может быть более чем достаточно, чтобы обеспечить пита­ние устройств малым током в течение длительного времени. Однако, существует широкий класс уст­ройств, потребляемая мощность которых в отдельные периоды времени существенно превышает среднюю. Для них возможности батарей оказываются недоста­точными. Как же получить мощность, необходимую для работы портативных устройств во всех возмож­ных режимах, одновременно обеспечив их энергией на длительный период времени? Ответ весьма прост: для этого следует использовать два различных эле­мента: один для обеспечения необходимой мощнос­ти, другой — энергии. В качестве элементов, способ­ных отдавать большую мощность в течение короткого интервала времени, наиболее выгодно использовать конденсаторы сверхвысокой емкости.

Лучшие из существующих в настоящее время кон­денсаторов сверхвысокой емкости могут отдавать очень большую удельную мощность (до 20 кВт/кг). Имея малые размеры, конденсаторы сверхвысокой емкости могут хранить значительно большее количе­ство энергии, чем обычные конденсаторы, и могут от­дать ее за сколь угодно короткий интервал времени. Они долговечны, срок их службы достаточен для ра­боты в течение всего времени эксплуатации изделия, в котором они установлены. В сочетании с энергоем­кими аккумуляторами они способны удовлетворить два основных требования: обеспечить большую отда­ваемую мощность и большой срок службы.

Портативные изделия

Поскольку необходимость уменьшения размеров и массы портативных изделий возрастает, разработчики нуждаются в новых идеях, позволяющих реали­зовать эти потребности без сокращения производи­тельности изделий и их надежности.

Существуют два способа применения конденсато­ров сверхвысокой емкости. Первый — использование их в качестве источников резервного питания для вы­полнения некоторых функций электронных устройств, как-то: настройка BIOS, телефона и видеокамеры. В этом случае конденсатор заряжают от первичного источника питания, но функционирует он как резерв­ный источник. Второе назначение конденсаторов сверхвысокой емкости — сглаживание «провалов» пи­тающего напряжения в моменты максимального пот­ребления тока. В этих случаях конденсаторы сверхвы­сокой емкости используются совместно с аккумулято­рами, снижая отдаваемый ими пиковый ток (рис. 1). В результате увеличивается время непрерывной ра­боты аккумуляторов, а также уменьшаются их габари­ты, что, в свою очередь, приводит к уменьшению раз­меров всего изделия.

Конденсаторы сверхвысокой емкости могут найти применение в различных изделиях — от портативных сканеров штрих-кода до цифровых камер. Характе­ристики изделий, отличающихся большими импульс­ными токами потребления при сравнительно неболь­шом среднем токе, могут быть улучшены добавлени­ем таких конденсаторов. Некоторые из этих изделий уже выпускаются серийно.

Рис. 1. Конденсаторы сверхвысокой емкости, включенные параллельно источнику питания фотоаппарата

 

Увеличение импульсной мощности источников питания

В некоторые моменты работы цифровых камер наблюдается резкое возрастание тока потребления, например, при питании двигателей объектива или при записи в память. Дорогие перезаряжаемые аккумуля­торы (включая зарядные устройства) можно заменить встроенными конденсаторами сверхвысокой емкости и широко распространенными щелочными батарея­ми. Хотя щелочные батареи обладают довольно боль­шим запасом энергии, они не могут обеспечить мощ­ность, достаточную для управления камерой. Соеди­нение щелочных батарей и конденсаторов сверхвысокой емкости представляет собой оптимальное со­четание: батареи поставляют непрерывную энергию, а конденсатор — импульсную мощность. Если пользо­ватели хотят уменьшить габариты и массу камеры, они не должны ориентироваться на применение акку­муляторов. Преимущество конденсаторов сверхвы­сокой емкости состоит в том, что они позволяют кли­енту использовать недорогую щелочную батарейку вместо дорогого аккумулятора.

Наибольшее импульсное потребление тока от источника питания наблюдается при работе про­цессора, записи в память и выводе информации на ЖК-дисплеи. На рис. 2 показаны пульсации питающего напряжения при выполнении этих операций. При питании от аккумулятора эти колебания до­вольно значительны, но при подключении конден­саторов сверхвысокой емкости параллельно акку­мулятору они могут быть значительно уменьшены. В этом случае можно использовать недорогие ще­лочные аккумуляторы. Как видно из графика рис. 3, конденсаторы сверхбольшой емкости, подключенные параллельно аккумуляторам, обес­печили их эффективное использование. Число цик­лов перезарядки аккумуляторов не уменьшилось, что подтверждает стабильность параметров кон­денсаторов даже после смены 16 комплектов акку­муляторов (что примерно соответствует 9000 цик­лов зарядки).

Рис. 2. Пульсации напряжения питания при отсутствии (а) и наличии (б) конденсаторов сверхвысокой емкости

Рис. 3. Число циклов зарядки 16 комплектов аккумуляторов

 

Конденсаторы сверхвысокой емкости в беспроводных системах связи

В беспроводных системах, используют преимуще­ственно пакетный метод коммуника­ции. Этот метод применяется для коммуникации в локальных сетях таких мест, как склады супермаркетов или даже рестораны, в которых принимаю­щие заказ и выдающие информацию процессоры используют беспровод­ные терминалы и модифицированные PDA (Personal Digital Assistent — персо­нальные цифровые секретари), чтобы сообщить информацию в реальном времени в центр сбора данных. Влия­ние импульсного тока потребления этих устройств на уровень пульсаций напряжения питания может быть зна­чительно уменьшено при использова­нии конденсаторов сверхвысокой ем­кости.

Однако бытовые устройства с большими импульсными токами потребления — не единственные, в ко- корых выгодно использовать эти кон­денсаторы. Еще одна сфера их приме­нения, не менее обширная, основана на возможности их быстрой зарядки и разрядки.

Преимущества быстрой зарядки

Во многих детских игрушках исполь­зуется возможность «мгновенной» за­рядки конденсаторов сверхвысокой ем­кости. Такой конденсатор встроен в на­иболее популярную игрушку — гоночный автомобиль. Он заряжается за 10 се­кунд от набора щелочных аккумулято­ров в маленьком устройстве зарядки. Эта игра хорошо сочетается со способ­ностью детей удерживать внимание лишь в течение короткого промежутка времени.

Конденсаторы сверхвысокой емкости также поз­воляют быстро заряжать источник питания ручных электроинструментов. Не раз бывало, что когда нужно просверлить лишь несколько отверстий, обнаружива­ется, что аккумулятор разряжен и что нужно ждать в течение часа пока он зарядится, чтобы выполнить двухминутную работу. При использовании конденса­торов сверхвысокой емкости этого неудобства можно избежать.

Новые возможности

На рынке непрерывно появляются все новые электронные изделия, в небольшом объеме которых интегрировано много различных функций. Никель­кадмиевые аккумуляторы, используемые для пита­ния этих устройств, имеют ограниченный срок служ­бы. В отличие от них конденсаторы сверхвысокой емкости можно перезаряжать много раз в течение всего срока службы изделия. Еще одно преимущест­во конденсаторов сверхвысокой емкости по сравне­нию с аккумуляторами заключается в том, что для них не нужна операция тренировки в процессе их из­готовления. Это позволяет сократить производ­ственный цикл, а следовательно затраты на их про­изводство.

Рис. 4. Схема применения конденсаторов сверхвысокой емкости

 

Основные параметры конденсаторов фирмы EPCOS *

Номинальная емкость СНОМ> Ф Номинальное напряжение Vhom- В Габаритные

размеры, мм

Конденсаторы
4 2.3 22.75x5x15.6
10 2.3 23.9x5x30.6
110 2.5 0 25×68
200 2.5 0 30×76
600 2.5 0 50×109
1200 2.5 0 50×148
1800 2.5 0 75×121
2700 2.5 0 75×150
3600 2.5 0 75×176
5000 2.5 0 90×176
Стандартные конденсаторные модули
100 14 220x141x99
200 14 220x141x138
300 14 287x189x111
450 14 287x189x140
600 14 287x189x166
150 28 396x267x111
220 28 396x267x140
33 42 408x189x98
67 42 408x189x137
100 42 552x267x110
150 42 552x267x139
200 42 552x267x165
110 56 552x34x155
110 56 552x345x135
210 56 650x420x180
Специальные конденсаторные модули
33 14 195x35x100
9 28 180x60x82
3.3 75 300x75x85

* Диапазон рабочих температур конденсаторов составляет от -30 до 70 °С. Срок службы конденсаторов при напряжении 2.5 В и температуре 25 °С составляет 10 лет и уменьшается на порядок при увеличении напряжения на 0.3 В или температуры на 30 °С.

Заключение

Новые электронные изделия с высоким уровнем потребления энергии, такие как устройства беспро­водной связи и цифровые фотокамеры, обеспечи­вают широкие рынки сбыта источников автономного питания. В настоящее время конденсаторы сверх­высокой емкости все более востребованы в новых разработках. Они доступны по цене, не требуют больших затрат при эксплуатации и хорошо зареко­мендовали себя в системах промышленной элект­роники.

Сегодня многие разработчики по-прежнему стре­мятся обеспечить пиковые значения тока потребле­ния выбором соответствующего источника питания, даже если длительность этих токов не превышает нескольких секунд. Такой подход является дорогосто­ящим и нерациональным. Характеристики системы питания могут быть значительно улучшены, если для хранения электрической энергии использовать пер­вичный источник, например, аккумулятор, а в перио­ды пикового потребления питание изделий осуще­ствлять за счет энергии, накопленной в конденсато­рах сверхвысокой емкости (рис. 4). При этом требо­вания, предъявляемые к первичному источнику, могут быть существенно снижены.