Конденсаторы сверхвысокой емкости в портативных устройствах

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 *

* 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.