Een enkele supercondensator gebruiken als noodstroomvoorziening voor een 5V-voeding

Noodstroomoplossingen waren ooit beperkt tot bedrijfskritische apparatuur, maar zijn nu geschikt voor een breed scala aan elektronicatoepassingen in eindproducten voor industriële, commerciële en consumententoepassingen. Hoewel er verschillende opties zijn, biedt de supercondensator de meest compacte en energierijke oplossing als energiereservoir wanneer de hoofdvoorziening wordt onderbroken. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn bij een stroomstoring of tijdens het verwisselen van batterijen.

Supercondensatoren brengen echter ontwerpuitdagingen met zich mee, omdat elk component slechts tot 2,7 volt kan leveren. Dat kan betekenen dat er meerdere supercondensatoren nodig zijn—elk met bijbehorende celbalancering en spanningsomvormers voor step-up (boost) of step-down (buck)—om gereguleerde voeding te leveren aan een 5V-spanningsrail. Het resultaat is een complexe en genuanceerde schakeling die relatief duur is en extra veel plaats inneemt op de printplaat.

In dit artikel worden batterijen vergeleken met supercondensatoren en wordt uitgelegd waarom deze laatste oplossing technische voordelen biedt voor compacte elektronische toepassingen voor lage voltages. Het artikel legt vervolgens uit hoe een eenvoudige en elegante oplossing kan worden ontworpen om een 5V-rail te voeden met behulp van slechts één enkele condensator in combinatie met een omkeerbare buck/boost-converter.

Batterijen vs. supercondensatoren

Ononderbroken stroomvoorziening is een essentieel onderdeel geworden van een bevredigende gebruikerservaring voor moderne elektronische apparaten. Zonder een constante stroomvoorziening krijgen gebruikers van elektronische producten niet alleen te maken met werkonderbrekingen, maar kunnen ze ook vitale informatie verliezen. Een pc die op de netvoeding is aangesloten, verliest bijvoorbeeld bij een stroomstoring alle gegevens in het vluchtige RAM. Of een insulinepomp kan tijdens het vervangen van de batterij belangrijke bloedglucosewaarden uit het vluchtige geheugen verliezen.

Een manier om dit te voorkomen is het inbouwen van een reservebatterij die opgeslagen energie kan vrijgeven als de hoofdvoeding uitvalt. Het gebruik van lithium-ion-batterijen (Li-ion) is een vergevorderde technologie die een zeer goede energiedichtheid biedt, waardoor een relatief compact apparaat gedurende langere perioden noodstroom kan leveren.

Maar ongeacht de basischemie van batterijen, hebben ze allemaal verschillende kenmerken die onder bepaalde omstandigheden problematisch kunnen zijn. Zo zijn ze bijvoorbeeld relatief zwaar, duurt het relatief lang om ze op te laden (wat een probleem kan zijn als de stroom vaak uitvalt), kunnen ze slechts een beperkt aantal keren worden opgeladen (waardoor de onderhoudskosten stijgen) en kunnen de chemicaliën waarvan ze worden gemaakt veiligheids- en milieurisico's met zich meebrengen.

Een alternatieve oplossing voor noodstroom is de supercondensator, ook wel ultracondensator genoemd. Een supercondensator staat technisch bekend als een elektrische dubbellaagse condensator (EDLC). De component is opgebouwd uit symmetrische, elektrochemisch stabiele, positieve en negatieve koolstofelektroden. Deze worden gescheiden door een isolerende ionendoorlatende separator die is ondergedompeld in een elektrolyt bestaande uit zout en een organisch oplosmiddel. De elektrolyt is ontworpen om de ionische geleiding en het bevochtigen van de elektrode te maximaliseren. Door de combinatie van geactiveerde koolstofelektroden met een groot oppervlak en een extreem kleine ladingsafscheiding hebben supercondensatoren een veel hogere capaciteit dan conventionele condensatoren (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een supercondensator maakt gebruik van symmetrische positieve en negatieve koolstofelektroden, gescheiden door een isolerende ionendoorlatende separator, ondergedompeld in een elektrolyt. De combinatie van elektroden met een groot oppervlak en een uiterst kleine ladingsafscheiding resulteert in een hoge capaciteit. (Bron afbeelding: Maxwell Technologies)

Lading wordt elektrostatisch opgeslagen door omkeerbare adsorptie van de elektrolyt aan de koolstofelektroden met een groot oppervlak. Bij polarisatie op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt vindt ladingsscheiding plaats, waardoor de gelijknamige dubbele laag ontstaat. Dit mechanisme is zeer omkeerbaar, zodat de supercondensator honderdduizenden keren kan worden opgeladen en ontladen, hoewel de capaciteit na verloop van tijd enigszins afneemt.

Omdat supercondensatoren afhankelijk zijn van het elektrostatische mechanisme om energie op te slaan, zijn de elektrische prestaties beter voorspelbaar dan die van batterijen. Bovendien zijn ze dankzij hun constructiematerialen betrouwbaarder en minder gevoelig voor temperatuurschommelingen. Wat de veiligheid betreft, bevatten supercondensatoren minder vluchtige materialen dan batterijen en kunnen ze volledig worden ontladen voor veilig transport.

Een ander voordeel is dat supercondensatoren veel sneller opladen dan secundaire batterijen, dus als de stroom kort na de storing opnieuw uitvalt, is er meteen noodstroom beschikbaar. Bovendien kunnen ze niet te veel opgeladen worden. Supercondensatoren kunnen ook veel meer oplaadcycli verdragen, waardoor de onderhoudskosten dalen.

Daarnaast bieden supercondensatoren een veel hogere vermogensdichtheid (een maatstaf voor de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen of geleverd in een tijdseenheid) dan batterijen. Hierdoor kunnen ze niet alleen snel worden opgeladen, maar zijn indien nodig ook hoge stroomstoten mogelijk, waardoor ze voor meer toepassingen als noodstroomvoorziening kunnen worden gebruikt (afbeelding 2). Daar komt nog bij dat supercondensatoren een veel lagere effectieve serieweerstand (ESR) hebben dan batterijen. Hierdoor kunnen ze efficiënter stroom leveren zonder gevaar voor oververhitting. Conversie met een supercondensator heeft typisch een efficiëntie van meer dan 98%.

Afbeelding 2: Oplaadbare batterijen kunnen lange tijd stroom leveren bij een bescheiden stroomsterkte, maar het duurt lang voordat ze zijn opgeladen. Supercondensatoren (of ultracondensatoren) daarentegen ontladen snel bij hoge stroom, maar laden ook snel weer op. (Bron afbeelding: Maxwell Technologies)

Het belangrijkste nadeel van supercondensatoren is hun relatief lage energiedichtheid (een maatstaf voor de hoeveelheid energie die per volume-eenheid wordt opgeslagen) vergeleken met oplaadbare batterijen. Met de huidige technologie kan een Li-ion-batterij twintig keer zoveel energie opslaan als een supercondensator met hetzelfde volume. Dit verschil wordt kleiner naarmate supercondensatoren van nieuwe materialen worden gemaakt, maar zal waarschijnlijk nog vele jaren aanzienlijk blijven. Een ander opmerkelijk nadeel van supercondensatoren is de relatief hoge kostprijs in vergelijking met Li-ion-batterijen.

Ontwerpoverwegingen voor supercondensatoren

Als een elektronisch product moet vertrouwen op een supercondensator voor noodstroom, is het van vitaal belang dat ontwerpers begrijpen hoe zij de beste componenten moeten selecteren voor betrouwbare energieopslag en -levering en een lange levensduur.

Een van de eerste dingen die moet worden gecontroleerd op het gegevensblad is het effect van de temperatuur op de capaciteit en de weerstand. Het is een goede ontwerppraktijk om een component te kiezen dat zeer weinig verandering vertoont binnen het beoogde bedrijfstemperatuurbereik van het eindproduct, zodat als er noodstroom nodig is, de geleverde spanning stabiel is en de energie efficiënt wordt geleverd.

De levensduur van supercondensatoren wordt grotendeels bepaald door het gecombineerde effect van bedrijfsspanning en temperatuur (afbeelding 3). De supercondensator faalt zelden volledig. Wel veranderen de capaciteit en de interne weerstand na verloop van tijd en nemen de prestaties geleidelijk af totdat de component niet meer aan de specificaties van het eindproduct kan voldoen. De prestatievermindering is doorgaans groter in het begin en neemt af naarmate het eindproduct veroudert.

Afbeelding 3: Hogere temperaturen en toegepaste spanningen kunnen de levensduur van supercondensatoren verkorten. (Bron afbeelding: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, gewijzigd door de auteur)

Wanneer de supercondensator in een noodstroomtoepassing wordt gebruikt, blijft gedurende lange perioden de bedrijfsspanning gehandhaafd en hoeft de condensator slechts af en toe de opgeslagen energie te ontladen. Dit zal uiteindelijk de prestaties beïnvloeden. Op het gegevensblad wordt de afname van de capaciteit na verloop van tijd aangegeven voor typische bedrijfsspanningen en bij verschillende temperaturen. Voor een supercondensator die gedurende 88.000 uur (10 jaar) bij 25 ˚C op 2,5 volt wordt gehouden, kan bijvoorbeeld een afname van 15% in capaciteit en een toename van 40% in interne weerstand worden verwacht. Bij het ontwerpen van een noodstroomvoorziening voor eindproducten met een lange levensduur moet met een dergelijke prestatievermindering rekening worden gehouden.

De tijdconstante voor een condensator is de tijd die de component nodig heeft om op te laden tot 63,2% van de volledige lading of te ontladen tot 36,8% van de volledige lading. De tijdconstante van een supercondensator is ongeveer één seconde en is veel korter dan die van een elektrolytische condensator. Vanwege deze korte tijdconstante moet de ontwerper zorgen dat de supercondensator voor noodstroom niet wordt blootgesteld aan een continue rimpelstroom, aangezien dit tot schade kan leiden.

Supercondensatoren kunnen werken tussen 0 volt en hun maximale nominale capaciteit. Hoewel efficiënt gebruik van de beschikbare opgeslagen energie van de supercondensator wordt bereikt wanneer deze over het breedste spanningsbereik werkt, hebben de meeste elektronische componenten een minimale spanningsdrempel. Deze minimale spanning beperkt de hoeveelheid energie die aan de condensator kan worden onttrokken.

Zo is bijvoorbeeld de in de condensator opgeslagen energie E = ½CV². Hiermee kan worden berekend dat ongeveer 75% van de beschikbare energie toegankelijk is als het systeem op de helft van de nominale spanning van de condensator werkt (bijvoorbeeld van 2,7 tot 1,35 volt).

Ontwerpuitdagingen bij het gebruik van meerdere supercondensatoren

Hoewel supercondensatoren geschikt zijn voor het leveren van noodstroom aan een breed scala aan elektronische producten, moeten ontwerpers op hun hoede zijn voor de ontwerpuitdagingen die met het gebruik van supercondensatoren gepaard gaan. De implementatie van een noodstroomvoorziening kan een grote klus zijn voor de onervaren ontwerper. De belangrijkste complexiteit is dat commerciële supercondensatoren een nominale spanning hebben van ongeveer 2,7 volt, dus voor een typische spanningsrail van 5 volt moeten twee supercondensatoren in serie worden gebruikt (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Commerciële supercondensatoren hebben een nominale spanning van ongeveer 2,7 volt, dus voor een typische spanningsrail van 5 volt moeten twee supercondensatoren in serie worden gebruikt, wat het ontwerpproces aanzienlijk ingewikkelder maakt. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Hoewel dit een bevredigende oplossing is, brengt het extra kosten en complexiteit met zich mee vanwege de noodzaak voor actieve of passieve celbalancering. Ten gevolge van capaciteitstoleranties, verschillende lekstromen en verschillende ESR's kan de spanning over twee of meer nominaal identieke en volledig geladen condensatoren verschillend zijn. Deze spanningsonbalans heeft tot gevolg dat de ene supercondensator in een noodstroomcircuit een grotere spanning levert dan de andere. Naarmate de temperatuur stijgt en/of de supercondensatoren verouderen, kan deze spanningsonbalans zodanig toenemen dat de spanning over één supercondensator de nominale drempelwaarde overschrijdt en de operationele levensduur beïnvloedt.

Celbalancering in toepassingen met een low-duty-cycle wordt doorgaans bereikt door parallel aan elke cel een bypass-weerstand te plaatsen. De waarde van de weerstand wordt zodanig gekozen dat elke stroom de totale lekstroom van de supercondensator kan overheersen. Deze techniek zorgt er effectief voor dat elke variatie in de equivalente parallelle weerstand tussen de supercondensatoren verwaarloosbaar is. Als de supercondensatoren in het noodstroomcircuit bijvoorbeeld een gemiddelde lekstroom van 10 microampère (μA) hebben, zal een weerstand van 1% een stroomomleiding van 100 μA mogelijk maken, waardoor de gemiddelde lekstroom wordt verhoogd tot 110 μA. Hierdoor wordt de variatie in lekstroom tussen de supercondensatoren effectief door de weerstand verlaagd van tientallen tot slechts een paar procent.

Met alle parallelle weerstanden redelijk goed op elkaar afgestemd, zullen de supercondensatoren met hogere spanningen zich sneller door hun parallelle weerstand ontladen dan de supercondensatoren met lagere spanningen. Hierdoor wordt de totale spanning gelijkmatig verdeeld over de hele reeks supercondensatoren. Voor high-duty toepassingen is een meer geavanceerde balancering van supercondensatoren vereist.

Gebruik van één enkele supercondensator voor een voeding van 5 volt

Het noodstroomvoorzieningscircuit zou minder complex kunnen worden gemaakt en minder ruimte in beslag kunnen nemen als één supercondensator werd gebruikt in plaats van twee of meer. Een dergelijke opstelling maakt het balanceren van supercondensatoren overbodig. De output van 2,7 volt van een enkel component moet echter worden verhoogd met behulp van een boost-converter, waardoor voldoende spanning ontstaat om de spanningsval over een diode te overkomen en het systeem van een spanning van 5 volt te voorzien. De supercondensator wordt opgeladen door een laadapparaat en ontlaadt zich via de boost-converter wanneer dat nodig is. Diodes zorgen ervoor dat het systeem van stroom wordt voorzien door ofwel de primaire stroombron ofwel de supercondensator (afbeelding 5).

Afbeelding 5: Door een enkele supercondensator in een noodstroomcircuit te gebruiken is celbalancering niet nodig, maar moet wel een step-up converter worden gebruikt om de uitgangsspanning van de supercondensator op te voeren. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Een elegantere oplossing is het gebruik van een enkele condensator aangevuld met een gespecialiseerde spanningsomvormer, zoals de MAX38888 of MAX38889 van Maxim Integrated, een omkeerbare buck-boost-spanningsregelaar. De eerste biedt een uitgangsspanning van 2,5 volt tot 5 volt met een stroom van maximaal 2,5 ampère (A), terwijl de tweede een uitgangsspanning heeft van 2,5 volt tot 5,5 volt en een stroom van 3 A (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Wanneer de MAX38889 (of MAX38888) omkeerbare regelaars in een supercondensatorstroomcircuit worden gebruikt, zijn afzonderlijke opladers, boost-converters en diodes overbodig. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De MAX38889 is een flexibele back-upregelaar voor opslagcondensator of condensatorbank die zorgt voor een efficiënte stroomoverdracht tussen de supercondensator(en) en een systeemvoedingsrail. Wanneer de hoofdvoeding aanwezig is met een spanning boven de minimumdrempel voor de systeemvoeding, werkt de regelaar in de oplaadmodus en wordt de supercondensator opgeladen met een inductorstroom van maximaal 3 A piek en 1,5 A gemiddeld. De supercondensator moet volledig worden opgeladen om als noodstroomvoorziening te dienen. Zodra de supercondensator is opgeladen, trekt de schakeling een stroom van slechts 4 μA, terwijl de component in de gereedstand wordt gehouden.

Wanneer de hoofdvoeding wordt verwijderd, voorkomt de regelaar dat het systeem onder de ingestelde back-up-bedrijfsspanning van het systeem daalt door de spanning van de supercondensator op te voeren tot de vereiste systeemspanning bij een geprogrammeerde piekinductorstroom, tot een maximum van 3 A. De omkeerbare regelaar kan werken tot een supercondensatorvoedingsspanning van slechts 0,5 volt, waardoor de opgeslagen energie maximaal wordt benut.

De duur van de back-up hangt af van de hoeveelheid opgeslagen energie van de supercondensator en hoeveel stroom het systeem trekt. Dankzij de kenmerken van de producten van Maxim Integrated is een maximale noodvoeding van één supercondensator van 2,7 volt mogelijk, terwijl het aantal circuitcomponenten wordt verminderd doordat er geen afzonderlijke oplader, boost-converters en diodes nodig zijn.

Conclusie

Supercondensatoren bieden verschillende voordelen ten opzichte van secundaire batterijen voor noodstroomvoorziening in bepaalde toepassingen, zoals die waarbij de batterijen vaak moeten worden vervangen. Vergeleken met oplaadbare batterijen laden supercondensatoren sneller op, kunnen zij veel vaker worden gebruikt en bieden zij een veel hogere vermogensdichtheid. Hun maximale output van 2,7 volt brengt echter een aantal ontwerpuitdagingen met zich mee wanneer ze als noodstroomvoorziening voor een typische 5V-voeding moeten dienen.

Zoals we hebben gezien, bieden omkeerbare step-down/step-up spanningsregelaars een elegante oplossing doordat één enkele supercondensator een 5V-lijn kan ondersteunen terwijl de benodigde ruimte en het aantal componenten tot een minimum worden beperkt.