La subtilité est de mise avec les supercondensateurs

Les concepteurs utilisent les supercondensateurs (également appelés condensateurs électrochimiques à double couche ou EDLC) dans une grande variété d'applications. Il peut notamment s'agir de l'alimentation de secours locale pour les systèmes embarqués avec mémoire Flash, de la puissance d'impulsion, de la puissance de pontage ou de maintien, des systèmes de flash d'appareil photo, de la récupération d'énergie, des applications à impulsion, des alimentations secourues, des systèmes industriels, des alarmes sans fil, des compteurs à distance et des jouets. Malgré leur utilité, les concepteurs doivent être conscients de la complexité et des subtilités des supercondensateurs par rapport aux condensateurs de niveau carte traditionnels.

Dans cet article de blog, nous commencerons par analyser trois aspects importants à prendre en compte lors de l'utilisation de supercondensateurs, et nous terminerons par un examen rapide des supercondensateurs d'AVX Corp., d'Eaton et de KEMET, tous optimisés pour une gamme d'applications spécifique.

Que faut-il prendre en compte lors de la conception avec des supercondensateurs ?

Certaines subtilités des supercondensateurs peuvent représenter un défi pour les concepteurs, notamment :

La résistance série équivalente (ESR) : l'ESR n'est pas si simple avec les supercondensateurs. Les spécifications peuvent sembler ne pas beaucoup varier entre les fiches techniques des fabricants, mais l'ESR réelle des dispositifs livrés peut fluctuer de façon importante. De plus, l'ESR augmente à mesure que les supercondensateurs vieillissent. Les concepteurs doivent privilégier les supercondensateurs avec une faible ESR de départ, qui reste relativement basse sur une large plage de températures tout au long de leur durée de vie. Parmi les facteurs qui peuvent affecter l'ESR au fil du temps figurent, entre autres, la pureté du matériau, la propreté du processus de fabrication et la durée (le cas échéant) de déverminage des dispositifs avant leur expédition.

L'optimisation de la durée de vie des supercondensateurs : en général, des températures et des tensions de fonctionnement plus élevées au niveau des cellules entraînent une augmentation plus rapide de l'ESR et une réduction de la durée de vie des supercondensateurs. La réduction de la tension de fonctionnement par cellule est donc le principal outil dont disposent les concepteurs pour optimiser leur durée de vie. La stratégie type consiste à mettre plus de cellules en série, mais cela augmente l'ESR du système. Il est toutefois possible de remédier à ce phénomène en ajoutant de la capacité pour réduire l'ESR.

La conversion de puissance : de nombreux concepteurs travaillent habituellement avec des batteries ou une autre source de tension plus constante. Lors de l'utilisation de supercondensateurs, il est important de comprendre comment la tension chute lorsqu'elle alimente la charge et l'effet que le taux de courant peut avoir sur la tension. Avec un convertisseur de puissance qui n'est pas optimal, les supercondensateurs peuvent être plus coûteux que nécessaire. Si l'électronique de puissance est conçue pour utiliser une fenêtre de tension plus large (d'une pleine tension nominale à une demi-tension nominale), elle permet d'utiliser toute l'énergie stockée dans le supercondensateur. Cela favorise l'utilisation de supercondensateurs plus compacts, ce qui contribue à diminuer les coûts et peut réduire la taille du système.

Supercondensateur de cinq Farads pour une haute densité d'énergie

Le supercondensateur de 5 Farads (F) PHV-5R4H505-R d'Eaton est un dispositif de 5 volts optimisé pour les besoins des applications à haute densité d'énergie, comme les systèmes de puissance d'impulsion, les alimentations secourues et les systèmes industriels (Figure 1). Il dispose d'une gestion intégrée des cellules (équilibrage intégré). Son ESR est de 70 milliohms (mΩ) à 100 Hertz (Hz) et de 65 mΩ à 1 kilohertz (kHz), et il présente une plage de températures de fonctionnement allant de -40°C à +65°C, ainsi qu'une plage de températures étendue jusqu'à +85°C avec détarage en tension linéaire jusqu'à 4,0 volts à +85°C. Le PHV-5R4H505-R bénéficie d'une durée de vie pouvant aller jusqu'à 20 ans, sous réserve d'un fonctionnement dans les plages de tensions de charge et de températures spécifiées.

Figure 1 : Le supercondensateur de 5 F PHV-5R4H505-R d'Eaton est proposé dans un boîtier rectangulaire pour une haute densité de puissance. (Source de l'image : Eaton)

Nous allons maintenant nous intéresser à deux supercondensateurs de 470 millifarads (mF), optimisés pour différents types d'applications.

Supercondensateur de 400 mΩ et 470 mF pour la puissance d'impulsion

Le SCMQ14C474PRBA0 est un module de supercondensateur connecté en série de 5 volts et 470 mF d'AVX avec une ESR de 400 mΩ à 1 kHz (Figure 2). Il est optimisé pour une utilisation dans les systèmes de récupération d'énergie, les applications de puissance d'impulsion et en complément ou en remplacement des batteries dans les circuits de maintien d'énergie. Lorsqu'ils sont utilisés en association avec des batteries, ces supercondensateurs peuvent prolonger les temps de secours, contribuer à l'allongement de l'autonomie des batteries et répondre aux exigences de puissance d'impulsion instantanée.

Figure 2 : Le SCMQ14C474PRBA0 est un supercondensateur de 5 volts et 470 mF, optimisé pour les systèmes de récupération d'énergie et les applications de puissance d'impulsion. (Source de l'image : AVX Corp.)

Supercondensateur de 25 Ω et 470 mF pour une alimentation de secours à long terme

Le FC0V474ZFTBR24 est un supercondensateur de 470 mF et 3,5 volts de KEMET, adapté aux applications de maintien basse tension en courant continu (CC), comme les systèmes de microprocesseurs embarqués avec mémoire Flash et circuits intégrés d'horloge (Figure 3). Avec son ESR de 25 Ω à 1 kHz, ce dispositif est particulièrement utile pour fournir des courants de secours de 500 microampères (μA) et moins pendant des périodes prolongées.

Figure 3 : Le FC0V474ZFTBR24 est un supercondensateur de 470 mF et 3,5 volts de KEMET dans un boîtier à montage en surface qui ne nécessite pas de support. (Source de l'image : KEMET)

Conclusion

Les supercondensateurs sont plus complexes que les condensateurs de niveau carte traditionnels : de nombreuses variantes sont disponibles pour s'adapter à des applications telles que l'alimentation de secours locale dans les systèmes embarqués, la puissance d'impulsion, la récupération d'énergie, les alimentations secourues, les systèmes industriels et les compteurs à distance, entre autres. Les concepteurs doivent accorder une attention particulière à l'ESR, aux subtilités liées à l'allongement de la durée de vie utile et à la conception des convertisseurs de puissance.