ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
Oct 29/9 30/9 # Rohde supersquare
Nov # TME (2) square

ETNtv

Watch ECF videos

 
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Ziphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

logotypen

 2022  # square  (4)
TMSNet  advertisement
ETNdigi
Jan # Farnell sajt skyskrapa
ecf 2023 - reklam
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Tweet

TECHNICAL ARTICLES

Superkondensaattorien käyttö yleistyy

Tietoja
Kirjoittanut Jack Shandel, Mouser Electronics
Julkaistu: 10.11.2014
  • Sähkö & Voima

Superkondensaattoreita on jo pitkään käytetty esimerkiksi muistin suojaamiseen tai sisäiseen akkuvaravoimaan, mutta viime vuosina niiden sovellusalue on laajentunut merkittävästi esimerkiksi hybridiajoneuvoihin, älypuhelimiin ja energiankeruuseen. Uudet näkyvissä olevat teknologiat lupaavat nostaa superkondensaattorit haastamaan toden teolla myös ladattavat akut.

Kirjoittaja Jack Shandel on vapaa toimittaja, joka on erikoistunut useisiin elektroniikan teknologioihin, kuten langattomiin, älykkäisiin sähköverkkoihin ja puolijohteisiin. Hän on toiminut useiden elektroniikkalehtien - esimerkiksi Electronic Design ja ChipCenter - päätoimittajana. Freelancerina hän on kirjoittanut satoja artikkeleita lehtiin kuten EE Times, EDN, CommsDesign ja TechOnline. Lisäksi hän on kirjoittanut usean yrityksen omaan julkaisuus, esimerkiksi ARM:n IQ Magazineen ja Xilinxin Xcell Journaliin.

 

Superkondensaattori sijoittuu edullisesti kondensaattorien ja akkujen välimaastoon. Yksi superkondensaattori voi varastoida paljon enemmän energiaa kuin perinteinen kondensaattori. Varauskapasiteetti jää jälkeen akuista, mutta jos varastoitu energia riittää sovellusta varten, superkondensaattoreilla on monia etuja puolillaan. Ne käynnistyvät välittömästi, latautuvat nopeasti ja tulevat toimeen huomattavasti yksinkertaisemmalla latauspiiristöllä.

Elektroniikkasuunnittelujoiden kannalta superkondensaattorin tärkeisiin ominaisuuksiin kuuluuvat suuri tehotiheys ja erittäin pitkä käyttöikä latauskerroista riippumatta. Tämä on selvä etu akkuihin verrattuna.

Nämä ominaisuudet sopivat erinomaisesti moniin uusiin laitteisiin, joissa tehontarve vaihtelee, kuten älypuhelimissa. Tällaisissa laitteissa superkondensaattoria voidaan käyttää pidentämään akun käyttöikää. Superkondensaattorit ovat myös korvaamassa sekä perinteisiä kondensaattoreita että akkuja monissa vanhemmissa sovelluksissa.

Superkondensaattorin perusteet

Toisin kuin perinteisessä kondensaattorissa, jossa energia varastoidaan kiinteän eristeen eristämiin elektrodeihin, superkondensaattoreissa on kaksi kerrosta, ja niihin usein viitataan termillä EDLC (sähkökemiallinen kaksikerroksinen kondensaattori). EDLC:ssä fyysinen mekanismi tuottaa kaksi sähköistä kerrosta, jotka toimivat eristeen tavoin. Lataus-purkaus -jakso syntyy ionisoidussa kerroksessa positiivisesti ja negatiivisesti aktivoitujen hiilielektrodien pinnalla. Varausten välinen etäisyys EDLC:n kaksikerrosrakenteessa on erittäin pieni, luokkaa 0,3-0,8 nanometriä. Kuva 1 näyttää ionien liikkeen latauksessa (vasemmalla) ja purkauksessa (oikealla).



EDLC:t varastoivat yleensä energiaa aktivoituihin hiilielektrodeihin (kuva: Panasonic).

EDLC:t käyttävät ionien siirtymistä ohuen hiilikalvon sisällä sähkölatauksen varastointiin. Jännitteen ohjaaminen kondensaattorin kahden elektrodin välillä saa elektrolyytin ionit liikkumaan, kun ne yrittävät kääntää elektrodien varausta (jakson latausosa). Posiitivisesti varatut ionit liikkuvat negatiiviseen elektrodiin ja negatiivisesti varatut ionit positiiviseen elektrodiin, mikä synnyttää kaksi varattua kerrosta elektrolyytin sisälle: positiivisen ja negatiivisen. Jännitteen poistaminen saa ionit liikkumaan päinvastaiseen suuntaan, mikä käynnistää varauksen purkautumisjakson.

Superkondensaattorien kapasitanssiarvoa määrittävät niiden koko, rakenne ja rakennusmateriaalit. Alumiinielektrolyytteihin perustuvan laitteen kapasitanssi vaihtelee välillä 10-6 - 10-2 faradia (F). Panasonicin kultasuperkondensaattorien perhe tarjoaa kapasitansseja aina 70 F:een asti. Kuluttajalaitteista löytyvien ladattavien paristojen kapasitanssit ovat paljon korkeampia akkujen koosta riippuen.

Eksoottisilla materiaaleilla superkondensaattoreihin saadaan lisää suorituskykyä niiden kilpaillessa akkutekniikan kanssa. Tutkijat ovat valmistaneet grafeenilaitteita, jotka varastoivat yhtä paljon energiaa kuin nikkelimetallihydridiakut - luokkaa 85 Wh/kg huoneenlämpötilassa.Kaikkein superkondensaattorien tavoin nekin latautuvat hyvin nopeasti, sekunneissa tai minuuteissa.

Uusilla johtavilla polymeereilla rakennettujen superkondensaattoien lisääntynyt kapasitanssi perustuu pseudokapasitanssi-ilmiöön, joka syntyy kemiallisessa redox-reaktiossa (reduktio-oksidaatio) elektrodissa. Tyypillisesti ioni on O2+. Latausjakson aikana toisessa elektrodissa on reduktioreaktio, kun toinen elektrodi hapettuu. Latauksen purkautumisen aikana reaktio kääntyy ja ionit liikkuvat toiseen suuntaan elektrolyytin yli.

Kaksikerrosrakenteen kapasitanssi ja pseudokapasitanssi määrittävät yhdessä superkondensaattorin kapasitanssiarvon. Suhteelliset osuudet vaihtelevat suuresti ja riippuvat elektrodien suunnittelusta ja materiaaleista (Compositions). Joissakin tapauksissa pseudokapasitanssi lisää kapasitanssiarvoa jopa kertaluokan verran kaksikerrosrakenteeseen verrattuna.

Sovellusalueet

Energian varastoinnin high end -päässä superkondensaattoreita käytetään lisäämään hybridiautojen hyötysuhdetta monin tavoin. Tämän päivän hybridiautot tyypillisesti sammuttavata koko polttomoottorit auton pysähtyessä vaikka vain lyhyeksi aikaa. Auton moottori käynnistyy uudestaan hyvin nopeasti superkondensaattoreihin varastoidun energian avulla. Maxwell Technologiesilla on superkondensaattoripohjaisten moduulien perhe, joka yltää aina 3000 faradiin asti. Maxwell onkin myynyt yli 600 000 superkondensaattoria tähän hybridiautojen sovellukseen.

Mazwellin osuus superkondensaattoreista on Muita eri alueille tähttävien superkondensaattorien komponenttitoimittajia ovat Nichicon, AVX, Murata, Cornell Dubilier, ja Vishay. Junat, lentokoneet ja lastiautot muodostavat Paumanok Publications Inc:n mkaaan oin 40 prosenttia 400 miljoonan dollain vuotuisista superkondensaatorien markkinoista. Kuljetussovellukset sisältävät maglev-junat, teho ja jarrutysjärjestelmät, trukkinosturit ja ratojen vaihtamiseen.

Tyypillisen suunnittelijan kannalta mielenkiintoisempi on suunnitella tekniikkaa kulutuselektroniikkaan, tietokoneisiin tai tietoliikennesovelluksiin. Superkondensaattoreita suunnitellaan yhä useammin suojaamaan muistia. Sisäinen varavoima on myös yksi yleinen sovellus. Superkondensaattoria voidaan käyttää sekä akun korvaajana, että tai lyhytaikaisena redundanttina varavoimana.

Älykkäiden sähkömittarien nopeasti yleistyessä niiden ja kaasumittarien varavirtaan kiinnitetään yhä enemmän huomiota, koska mikäli päävirta katkeaa, älymittari todennäköisesti pettää myös. Ladattavat akut ovat perintienen ratkaisu, mutta ne vaativat latauspiiristön, mikä kasvattaa suunnittelun kustannuksia.

Älysähkömittarin kaksi tärkeintä varavoiman vaatimusta ovat: 1) varasähkö voidaan saadaan käyttöön välittömästi ja 2) sen pitää toimia matalissa lämpötiloissa, koska mittarit asennetaan usein ulkotiloihin. Superkondensaattorit täyttävät nämä molemmat vaatimukset loistavasti, sillä ne reagoivat välittömästi minkä ansiosta mittari voi sekä lähettää hälytysen että siirtää tietoa statuksestaan ja virrankäytöstä.

Superkondaattorivaravoiman lisääminen järjestelmään on helpompi suunnitella kuin ladataavan akun, mutta samaa latauksen ohjauspiiriä käytetään yleensä molempiin. Vaikka teholähde on yksinkertaisempi superkondensaattorissa, on sen suunnittelussa silti omat haasteensa. Esimerkiksi diodin käyttö takaisinvirran estämiseksi nostaisi superkondensaattorin latausrajaa diodin jännitepudotuksen verrab. Regulaattorin käyttö poistaa tämän ongelman ja alnetaa latausrajaa. Tämä strategia tulee ongelmalliseksi, kun superkondensaattorin varaus on käytetty loppuun, sillä sen lataaminen kestää pidemmän aikaa.

Parhaat opit teholähteiden suunnitteluun löytyvät tehonhallintapiirien valmistajien datakirjoista ja sovellusohjeista. Texas Instrumentsin bq24640 ja Maxim Integratedin MAX17710 ovat kaksi hyvää esimerkkiä.

Superkondensaattoreita käytetään myös suojaamaan CMOS-logiikkaa ja virtaistamaan elektronisia leluja. Turvallisuusjärjestelmät, UPS-varavoimalaitteet ja aurinkosähköratkaisut ovat muita yleisiä sovellusalueita.

Viime aikoihin asti superkondensaattorien markkinat ovat kasvaneet perinteisten kkondensaattorien kustannuksella. Tällä hetkellä tekniikka näyttää valtaavan litiumioni-akkujen markkinaosuuksia älypuhelimissa ja muissa laitteissa, joissa useita toimintoja suoritetaan samanaikaisesti. Näissä kaikissa käyttö aiheuttaa energiapiikkejä.

Litiunakkuen potentiaalinen energiasisältö putoaa, mikäli energiaa imetän ulos nopeasti. Toisin sanoen välitön suuri energiantarve tarkoittaa, että akusta saadaan vähemmän energiaa irti. Superkondensaattoreilla ei ole tätä rajoitusta.

Superkondensaattoreita käytetään aurinkopaneeleissa ja ne sopivat hyvin myös mikrokokoisiin energiankeruulaitteisiin, joissa ei tarvitse varastoida suuria määriä energiaa. Ympäristön lämmöstä tai tärinästä siepatuilla milliwateilla voidaan sähköistää esimerkiksi monitoroivia ja moottoria ohjaavia antureita. Pyörivien roottorien tärinän tuottama energia voidaan varastoida superkondensaattoriin, kunhan se on ensin muunnettu sähköenergiaksi keruulaitteessa. Superkondensaattoreilla voidaan poistaa tarve vaihtaa akkuja tai syöttää vortaa uudelleen ladattavalle akulle. Kuva 2 näyttää energiankeruulaitteen geneerisen lohkokaavion. Vaikka superkondensaattorit voisivat teoriassa toimia myös ainoana virranlähteenä, tämän päivän suunnittelukäytännöt lähtevät yleensä siitä, että pitkäaikaisesta virrantarpeesta huolehtii akku ja superkondensaattoreilla hoidetaan virtapiikit.



Mikroenergiankeruulaitteiden suunnittelussa hyödytään superkondensaattorien käytöstä (kuva: Texas Instruments).

Aiemmin mainittua latauspiiriä MAX 17710 voidaan käyttää energiankeruusovelluksissa. Siihen on integroitu boost-regulaattori, joten se suoritiutuu jopa alhaisista 800 millivoltin varauksista. MAX 17710 -piiri kykenee keräämään energiaa yhdestä mikrowatista 100 milliwattiin asti. Suojatakseen akku/superkondensaattorin energianvarastointia se rajoittaa tulojännitettä ja reguloi tai sulkee kokonaan pois ylimääräisen virran. Ylilataamisen estää LDO-regulaattrm jonak jännite on valittavissa 1,8 tai 3,3 voltiksi. Lisätietoja energiankeruun tekniikoista ja tuotteista löytyy sivulta Mouserin verkkosivuilta.

Lähitulevaisuus

Viime aikoihin asti superkondensaattoreiden käyttö oli rajoitettu hyvin arkipäiväisiin sovelluksiin kuten muistin suojaamiseen tai sisäiseen akkuvaravoimaa, mutta viime vuosina niiden sovellusalue on laajentunut merkittävästi esimerkiksi hybridiajoneuvoihin, älypuhelimiin ja energiankeruuseen. Uudet näkyvissä olevat teknologiat lupaavat nostaa superkondensaattorit haastamaan toden teolla myös ladattavat akut.

back to top
MORE NEWS

Valvontakameran kuvaa valvoo yhä useammin tekoäly

Tänä vuonna nähdään merkittävä kasvu AI-pohjaisen analytiikan käyttöönottoa kameroissa ja videonhallintajärjestelmissä. Kamerakuvaa on yksinkertaisesti liian paljon, jotta ihmiset voisivat valvoa niitä tehokkaasti. AI-pohjaisen analytiikan avulla turvallisuusosastot kykenevät tekemään enemmän vähemmillä resursseilla, arvioi turvallisuusalan anturiratkaisuja kehittävä i-PRO.

Suomalaisen BCB Medicalin ohjelmistolle tärkeä EU-sertifikaatti

Turkulainen vuonna 2003 perustettu BCB Medical on yksi ensimmäisiä yrityksiä Suomessa, jonka ohjelmisto täyttää EU:n lääkinnällisten laitteiden vaatimukset. BCB Medicalille myönnetty MDR-sertifikaatti on arvokas tunnustus potilasturvallisuuden eteen tehdystä määrätietoisesta työstä.

Samsungin uusimman huippupuhelimen voi myös liisata

Samsung on lanseerannut tuoreen Galaxy S23 -sarjan yhteydessä myös uuden Samsung Flex -palvelun. Kyseessä on tilausperusteinen palvelu, jota käyttämällä saa tiettyyn kuukausihintaan käyttöönsä Samsung Galaxy -puhelimen. Tavallaan kyse on puhelimen liisauksesta.

Nappikuulokkeisiin parempaa ääntä pienemmällä virrankulutuksella

MEMS-tekniikka on nopeasti valtaamassa kaikkia pieniä mikrofonien paikkoja. Tekniikan etuna on pieni koko, hyvät ominaisuudet ja pieni virrankulutus. Infineonin uusin piiri tekee tekniikasta yhä houkuttelevampaa niin nappikuulokkeissa kuin kuulokojeissa.

Autojen komponenttipula ei hellitä tänä vuonna

Uusia autojen joutuu edelleen ottamaan kuukausia, erityisesti jos haluaa mukaan kaikki autonvalmistajan suunnittelemat ominaisuudet ja toiminnot. Komponenttipula on vaivannut alaa pitkään, eikä helpotusta ole luvassa ainakaan tänä vuonna.

Androidin vanha ongelma ei hellitä

ScientiaMobile on esitellyt viime vuoden älypuhelintilastoja. Androidin osuus markkinoista oli vuoden lopulla 66 prosenttia ja iOS:n 33 prosenttia. Androidin helmasynti on kuitenkin ennallaan: markkinoilla olevissa laitteissa on suuri määrä eri versioita, myös vanhoja versioita.

Yhdellä piirillä kahden portin USB-laturi

Yhä useamman uuden puhelimen mukana ei tule laturia, joten markkinoilla on tarvetta entistä paremman hyötysuhteen laitteille. STMicroelectronics halajaa näille markkinoille uudella USB:n tehonsyöttöstandardia (PD) tukevalla kahden portin piirisarjallaan.

Suurin osa Pentagonin alihankkijoista ei täytä tietoturvavaatimuksia

Ensimmäinen perusteellinen analyysi Yhdysvaltain puolustusteollisuuden kyberturvallisuuden tilasta paljastaa, että lähes 90 prosenttia puolustushallinnon urakoitsijoista ei täytä vaadittuja turvallisuusstandardeja. Näillä urakoitsijoilla on hallussaan arkaluonteisia kansallisia turvallisuustietoja, ja ne joutuvat jatkuvasti valtion tukemien hakkerien hyökkäysten kohteeksi, kertoo AtlasVPN.

Muista sähköautoa ladatessa: Supersukopistorasia ei auta, jos pistotulppa on sekundaa

Sähköauton lataamiseen on suositeltavinta käyttää siihen tarkoitukseen suunniteltua, standardin IEC 61851-1 mukaista kiinteästi asennettua latausasemaa, jossa on sähköauton lataamiseen suunniteltu järeä pistorasia tai autoon sopivalla pistokkeella varustettu kiinteä kaapeli.

Pohjoisen robottiautotesti päättyi menestyksellisesti

Sensible 4 kertoo, että ankarissa arktisissa sääolosuhteissa Norjan Bodøssa toteutettu kolmen vuodenajan robottiautokoe päättyi menestyksekkäästi. Pohjoismainen projekti toi arvokkaita näkemyksiä ja dataa, joita käytetään edelleen automatisoidun ajotekniikan kehittämiseen ja tehostamiseen ankarissa sääolosuhteissa.

 2022  # mobilbox
Sep Oct # Rohde mobilbox
Jan # Farnell  mobilbox f skyskrapa
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Kuinka suunnitella ToF-kamerajärjestelmä?

Monessa konenäkösovelluksessa vaaditaan erilaisten kohteiden etäisyyksien tarkkaa mittaamista. Tämä artikkeli tarjoaa yleiskatsauksen jatkuvan säteilyn (Continous Wave) CMOS-pohjaisen ToF-kamerajärjestelmän tekniikkaan ja sen eduista perinteisiin 3D-kuvausratkaisuihin verrattuna.

Lue lisää...

OPINION

4G-signaali sotki televisiokanavat

Syksyllä alkoi televisiokuva yllättäen pätkiä. Tai oikeastaan pikselöityä. Ja sitten hävisi osa kanavista kokonaan, missä erityisesti Ylen HD-kanavien katoaminen harmitti. Syyksi paljastui lopulta jo kymmeniä tuhansia antenneja vaivannut ongelma: 4G-signaali.

Lue lisää...

LATEST NEWS

  • Valvontakameran kuvaa valvoo yhä useammin tekoäly
  • Suomalaisen BCB Medicalin ohjelmistolle tärkeä EU-sertifikaatti
  • Samsungin uusimman huippupuhelimen voi myös liisata
  • Nappikuulokkeisiin parempaa ääntä pienemmällä virrankulutuksella
  • Autojen komponenttipula ei hellitä tänä vuonna

NEW PRODUCTS

  • Benderin tuotteet Enkom Activen edustukseen
  • Lisää vauhtia USB- ja Ethernet-liittimiin
  • Paikannusmoduuli kestää 105 asteen lämpötilan
  • Kymmenien tuhansien solmujen mesh-verkkoon uusia moduuleja
  • Nopeampi Wi-Fi käyttöön nostalgisesti tikulla
 

NEWSFLASH

twitter
ETN_fi @ETN_fi
ETN_fi This is why Nokia lost the game in mobile phones - an insiders view https://t.co/NB5Wndkx5p
joulu 12 • reply • retweet • favorite
ETN_fi @OnePlus_FI lahjoittaa Pelastusarmeijalle 50 puhelinta jouluapuun. Iso- Britanniassa samanlainen lahjoitus tehdään… https://t.co/LKdl2Pywie
joulu 07 • reply • retweet • favorite
ETN_fi Finnish PM Sanna Marin: We need to cut our dependence on China. https://t.co/598gQXKvlj #Slush2022 #China #electronics #semiconductors
marras 17 • reply • retweet • favorite
ETN_fi https://t.co/ugg6A09vln Need cm level accuracy in your positioning device? Now you can explore this with #ublox two… https://t.co/5rQNxsAu5V
loka 07 • reply • retweet • favorite
ETN_fi EU chip plan would cost €500bn, says NXP CEO https://t.co/j9bD8VpK9c
loka 04 • reply • retweet • favorite
web design services
 

Section Tapet