Supercondensatori per la potenza di picco

COMPONENTI PASSIVI –

Grazie alle loro caratteristiche i Super Capacitor risultano particolarmente adatti a fornire la potenza di picco richiesta in tutte le applicazioni dove gli ingombri rappresentano un elemento critico.

La tendenza allo sviluppo di dispositivi elettronici consumer sempre più piccoli e ricchi di funzionalità ha portato indubbi benefici, in termini di innovazione, all’industria elettronica nel suo complesso. È forse superfluo ricordare che le sfide progettuali richieste per la sorgente di alimentazione riportano alle conoscenze della fisica di base. La scelta della batteria adatta per alimentare un dispositivo portatile è basata sulle funzionalità che essa deve supportare. Sia che si tratti di una batteria da 300, 600 o 1.000 mAh, esiste un limite alla massima corrente che una batteria è in grado di erogare. Ciò potenzialmente potrebbe rappresentare un limite per le specifiche caratteristiche del dispositivo che si sta progettando. Per risolvere problematiche di questo tipo esistono soluzioni che nella maggior parte dei casi risultano complesse, che hanno un impatto negativo sull’aspetto estetico e che sono caratterizzate da una maggiore occupazione di spazio. In altre parole, totalmente incompatibili con il progetto di un dispositivo portatile. Il progettista desidera solamente avere una potenza maggiore oppure poter disporre, quando se ne presenta la necessità, di un valore di potenza impulsiva (burst) più elevato, come avviene nel caso in cui sia richiesto l’avviamento di un motore. Un esempio abbastanza recente di innovazione è rappresentato dall’uso di flash a Led sugli smartphone o sulle fotocamere digitali compatte al posto di un classico flash allo xeno. In questo caso la corrente richiesta non può essere fornita solamente dalla batteria per il semplice fatto che la corrente necessaria è superiore a quella che la batteria stessa è in grado di erogare. Per esempio, nel caso si decidesse di utilizzare due Led per fornire la funzionalità di flash su un telefonino mobile, è necessaria una corrente di un valore compreso tra 2 e 4A per un tempo compreso fra 33 e 40 ms. Siccome una batteria di tipo tradizionale non è in grado di assolvere a tale compito, il progettista deve decidere in che modo alimentare il flash. Un’opzione potrebbe essere il ricorso a due batterie. Soluzione che nessun progettista adotterebbe: in considerazione del costo inoltre esse contribuirebbero, ad aumentare il fattore di forma e potrebbero risultare ridondanti per il compito che sono chiamate ad assolvere.

Super Capacitor: una soluzione smart
I recenti progressi nel campo delle tecnologia dei condensatori potrebbero fornire un mezzo per ottenere la sorgente di potenza di picco richiesta. I “Super Capacitors”, o condensatori Edlc (Electric Double Layer Capacitor), sono dispositivi per l’accumulo di energia. Rispetto alle batterie, di tipo sia tradizionale sia tecnologicamente più evolute, un condensatore Edlc è caratterizzato da un’elevata densità di potenza e da cicli di vita più lunghi. Quando furono introdotti per la prima volta, tali dispositivi venivano utilizzati in larga misura per applicazioni a bassa potenza – come ad esempio il backup di memoria – ma i recenti sviluppi a livello sia della parte elettrochimica sia delle tecniche di packaging hanno permesso di aumentare notevolmente la potenza a fronte di una sensibile riduzione delle dimensioni. Un esempio è rappresentato dal dispositivo EDLED (Electrical Double-Layer Energy Device) di Murata. Capace di fornire un’uscita pari a 2,75 V, esso è caratterizzato da una capacità di scarica compresa da 500 μAh a 2 Ah e misura solo 18,5x20,5 mm. Grazie al valore estremamente basso della resistenza equivalente serie, i Super Capacitor risultano particolarmente adatti a fornire la potenza di picco richiesta in tutte le applicazioni dove gli ingombri rappresentano un elemento critico. Un condensatore Edlc immagazzina una carica elettrica nel doppio strato che si viene a creare quando un solido e un liquido entrano in contatto. Un Edlc è formato da separatore, elettrolita, carbone attivo (active carbon) e collettore di corrente. Quasi sempre come elettrodo viene utilizzato il carbone attivo che, grazie all’elevata superficie specifica (area superficiale per unità di massa) e al basso costo, permette di ottenere capacità di valore molto elevato in package di ridotte dimensioni. Inoltre, poiché non hanno luogo reazioni chimiche, un condensatore Edlc può raggiungere cicli di vita molto lunghi. Una volta stabilito che un condensatore Edlc è in grado di fornire un’energia sufficiente per la potenza impulsiva richiesta, il progettista deve stimare per quanto tempo è necessario fornire questa potenza. Nel caso il periodo di tempo non superi i 500 ms, è possibile utilizzare uno o più condensatori Edlc per soddisfare la richiesta. A questo punto è necessario entrare nei dettagli del progetto e determinare il valore esatto di capacità dell’Edlc e il numero di celle richieste. Per questo tipo di analisi è necessario prendere in esame un certo numero di fattori tra cui il valore massimo e minimo della tensione di funzionamento dell’applicazione, la corrente media e quella di picco, la temperatura dell’ambiente operativo, il tempo per il quale viene richiesto il picco e la vita operativa prevista.
Se si utilizza un dispositivo EDLED a singola cella è possibile ottenere una tensione di funzionamento di picco di 2,75 V. Nel caso sia richiesto un valore di tensione di 5 V è possibile ricorrere a un dispositivo EDLED a doppia cella. Nel caso l’applicazione considerata richieda una tensione di funzionamento maggiore è necessario utilizzare più dispositivi in serie. Una configurazione di questo tipo produce un aumento della resistenza equivalente serie. In alternativa è possibile disporre le celle in parallelo, così da aumentare la capacità e diminuire contemporaneamente il valore di Esr.

Innumerevoli possibilità applicative
I condensatori Edlc possono essere utilizzati in una molteplicità di applicazioni. Una possibilità interessante è quella relativa ai terminali pos, impiegati in misura sempre maggiore per il pagamento del conto in locali pubblici quali i ristoranti. Questi dispositivi portatili devono essere caricati almeno tre volte al giorno, in funzione del carico di lavoro. È chiaro che, in termini di accumulo complessivo di energia, le batterie utilizzate da questi dispositivi non soddisfano le aspettative sotto il profilo energetico. Grazie ai condensatori Edlc è possibile sviluppare progetti più efficienti dal punto di vista energetico con conseguente diminuzione del numero di ricariche della batteria. Per alimentare altri tipi di dispositivi portatili si è fatto ampiamente ricorso alle batterie a ioni di litio (Li-Ion) per soddisfare la richiesta di correnti sempre più elevate: tale tecnologia potrebbe non essere più in grado di supportare il crescente numero di funzionalità presenti sugli odierni dispositivi portatili e le esigenze in termini di corrente di picco. Un prossimo futuro vedrà dunque l’affermazione di celle a combustibile (microfuel cell) miniaturizzate e di altre tecnologie per l’accumulo di energia. Per fornire in maniera dinamica i valori di potenza di picco richiesti sono ora disponibili i Super Capacitor, grazie ai quali è possibile realizzare dispositivi sempre più compatti e accattivanti sotto il profilo estetico.

Pubblica i tuoi commenti