Descubriendo el Misterio de los SuperCaps

Los supercondensadores tienen su lugar en los sistemas electrónicos modernos, especialmente si vas a ciclar la carga en ellos con frecuencia o necesitas manejar una carga de corriente muy grande.

Condensadores se utilizan en todos los diseños, ya que el desacoplamiento es obligatorio en la mayoría de los diseños para filtrar cualquier ruido o crear un oscilador. Para estos condensadores, un valor más grande se expresa en microfaradios, mientras que los valores más pequeños se indican en picoFaradios. La unidad para los supercondensadores está en el rango de Faradios. Gracias a su alta capacidad, puede competir contra las baterías cuando se requiere unas pocas horas de respaldo. También pueden trabajar en conjunto con baterías para proporcionar altos niveles de potencia por un corto período de tiempo. Con capacidades de alta corriente, también se puede usar en aplicaciones de recolección de energía como frenos y sistemas de recuperación de energía en vehículos híbridos.   Para alcanzar valores altos, los supercondensadores no pueden usar la tecnología utilizada en los condensadores estándar.   Existen varios tipos de tecnologías de supercondensadores que se pueden usar, pero la más ampliamente adoptada se conoce como el condensador de doble capa. El electrolito orgánico interno es fácil de fabricar y es más seguro que las baterías de iones de litio, por ejemplo.   La estructura de un supercondensador es como tener 2 condensadores en serie. Dos electrodos (3) apilados entre colectores (2) están separados por una membrana permeable a los iones (6) con un electrolito (5) que conecta ambos electrodos. Cuando los electrodos son polarizados por un voltaje aplicado (1), los iones en el electrolito forman una doble capa eléctrica (4) que es de polaridad opuesta a la polaridad del electrodo. Este mecanismo explica el nombre de condensadores de doble capa.

Es posible que la distancia entre las dos capas de carga sea extremadamente pequeña, lo que significa que se pueden lograr niveles de capacitancia muy altos.   Existen dos tipos de capacitores de doble capa que resultan de diferentes mecanismos de almacenamiento de carga:

Un supercap tiene características que son diferentes de las de un condensador estándar, y algunos puntos son dignos de mencionar:

Dimensionado de un supercap y ventajas únicas

Ahora que hemos examinado qué es un supercondensador y cómo se construye, exploremos la idea de usarlos como reemplazo para aplicaciones de baterías estándar. ¿Cómo los dimensionamos para comparar sus tiempos de funcionamiento con algunas de sus características únicas y qué fortalezas únicas tienen?   Una cosa a tener en cuenta mientras observamos la capacidad energética de un supercondensador es que hay una gran diferencia entre la capacidad máxima de energía y la capacidad efectiva de energía. La diferencia entre la energía efectiva y la máxima se determina por el voltaje más bajo que el sistema puede utilizar y el diseño del supercondensador, el cual dicta su voltaje mínimo. Los supercondensadores no se drenan como las baterías en el sentido de que hay una salida de voltaje relativamente estable a medida que se agota la capacidad. En una batería de ion de litio, se puede esperar cerca de 3.7 voltios durante un gran rango de la capacidad de la batería, pero con un supercondensador verás que el voltaje cae rápidamente a medida que se drena la energía. A veces, esta caída de voltaje puede parecer casi lineal en el tiempo cuando se mantiene constante la salida de corriente.   Con la caída de voltaje en mente, la capacidad máxima de energía se encuentra usando la ecuación W_max = ½ * C_total * V²_cargado * 1/3600 donde W serían los vatios almacenados, C es la capacitancia total del supercondensador, y V es el voltaje del supercondensador cuando está completamente cargado. Sin embargo, este método para medir la capacidad puede ser engañoso, como mencionamos anteriormente, ya que la energía efectiva del supercondensador debe medirse con respecto al voltaje mínimo del sistema. Para medir la capacidad de energía efectiva, usamos la fórmula W_eff = ½ * C_total * (V2_max - V2_min) * 1/3600.

Here is a little example using an obscenely large super capacitor. I picked the 3000F Eaton Powerstor XL60 to demonstrate what happens as I increase the minimum system voltage and how much useful capacity we lose. And yes, that really is 3000 Farads in a single supercap, it wasn’t a typo.

Si el diseño del sistema utilizando este supercap sólo puede soportar una entrada mínima de 1.6V, entonces ha perdido 1/3 de la energía potencial almacenada dentro del supercap. El impacto de esto puede tenerse en cuenta al diseñar una etapa de entrada de potencia con un circuito elevador de voltaje de entrada más amplio, pero se deben reconocer las limitaciones con anticipación. Además, al disminuir el voltaje de salida del supercap, es necesario aumentar la corriente de salida para mantener una salida de potencia constante, lo que estresa más los elementos del circuito.

La capacidad de energía puede ser un poco decepcionante, pero el supercap logra brillar en densidad de potencia, lo que significa que pueden manejar corrientes de irrupción muy grandes. La capacidad para manejar picos de corriente es parte de la porción del condensador del supercap. Esta habilidad es una de las razones por las que los supercaps han encontrado un hogar en herramientas inalámbricas alimentadas por batería, proporcionando un amortiguador para los picos de corriente alta para ayudar a atornillar el último tornillo en su lugar o para asegurarse de que haya suficiente torque en una cuchilla para un corte fuerte y limpio.   De nuestro ejemplo anterior, podemos observar el mismo Eaton XL60. Una vez que te sumerges en la hoja de datos, puedes ver que soportará 140A de salida continua, pero lo que realmente llama la atención es la calificación de corriente de pico de 2400A. El manejo de corriente es lo que realmente distingue a los supercaps de las baterías de iones de litio. Incluso supercaps más pequeños como el JUMT1106MHD de Nichicon (que tiene una capacidad de 10F) pueden manejar hasta 5A de corriente de pico, e incluso tiene una calificación automotriz para un rango más amplio de temperaturas.

Otra fortaleza que tienen los supercondensadores frente a las baterías es la degradación de la capacidad. Al ciclar celdas de ion-litio, se desgastan y pierden capacidad con el tiempo, lo que lleva a una reducción de su vida útil; muchas veces están clasificadas para 300-500 ciclos. Los supercondensadores no sufren tanto por los mismos efectos de ciclo, y para el anterior Eaton XL60, pierde menos del 20% de su capacitancia después de 1,000,000 de ciclos. Junto con este gran rendimiento de ciclo, generalmente también se observa un rango de temperatura útil más amplio en los supercondensadores.   Los supercondensadores tienen su lugar en los sistemas electrónicos modernos, especialmente si se está ciclando la carga en ellos con frecuencia o se necesita soportar una carga de corriente muy grande. Definitivamente considérelos como una adición a los sistemas de baterías regulares y, a veces, como un reemplazo total.