Cómo utilizar un solo supercapacitor como energía de reserva para una fuente de 5 voltios

Las soluciones de alimentación de reserva, antes limitadas a los dispositivos de misión crítica, se demandan ahora para una amplia gama de aplicaciones electrónicas en productos finales industriales, comerciales y de consumo. Aunque hay varias opciones, el supercapacitor ofrece la solución más compacta y de mayor densidad energética como depósito de energía cuando se interrumpe el suministro principal. Por ejemplo, cuando hay un corte de corriente o cuando se cambian las baterías.

Sin embargo, los supercapacitores plantean problemas de diseño porque cada dispositivo solo puede proporcionar hasta 2.7 voltios. Esto significa que se necesitan varios supercapacitores -cada uno con su correspondiente equilibrio de celdas y convertidores de voltaje ascendente (boost) o descendente (buck)- para suministrar energía regulada a una línea de alimentación de 5 voltios. El resultado es un circuito complejo y lleno de matices, relativamente caro y que ocupa un espacio excesivo en la placa.

Este artículo compara las baterías con los supercapacitores y explica por qué estos últimos ofrecen varias ventajas técnicas para las aplicaciones electrónicas compactas de bajo voltaje. A continuación, el artículo explica cómo diseñar una solución sencilla y elegante para alimentar un riel de 5 voltios utilizando un único capacitor combinado con un convertidor elevador/reductor de voltaje reversible.

Baterías y supercapacitores

La alimentación ininterrumpida se ha convertido en un elemento fundamental para una experiencia de usuario satisfactoria en los dispositivos electrónicos modernos. Sin una fuente de alimentación constante, los productos electrónicos no solo dejan de funcionar, sino que pueden perder información vital. Por ejemplo, una PC conectada a la red eléctrica perderá los datos almacenados en su memoria RAM volátil si se produce un apagón. O una bomba de insulina podría perder lecturas importantes de glucosa en sangre de la memoria volátil durante el cambio de batería.

Una forma de evitarlo es incorporar una batería/pila de reserva que almacene energía que pueda liberarse si falla la fuente de energía principal. Las baterías de ion de litio (Li-ion) son una tecnología madura y ofrecen una densidad de energía muy buena, lo que permite que un dispositivo relativamente compacto ofrezca energía de reserva durante periodos prolongados.

Pero independientemente de su química de base, todas las baterías tienen características distintas que pueden ser problemáticas en determinadas circunstancias. Por ejemplo, son relativamente pesadas, tardan mucho en recargarse (lo que podría ser un problema si se producen frecuentes cortes de energía), las células solo pueden recargarse un número limitado de veces (lo que aumenta los costes de mantenimiento) y los productos químicos con los que se fabrican pueden introducir riesgos para la seguridad y el medio ambiente.

Una solución alternativa para la energía de reserva es el supercapacitor, también conocido como ultracapacitor. Un supercapacitor se conoce técnicamente como capacitores electroquímicos de doble capa (EDLC). El dispositivo se construye utilizando electrodos de carbono simétricos, electroquímicamente estables, positivos y negativos. Estas se separan mediante un separador aislante permeable a los iones, incorporado a un recipiente lleno de sal orgánica/electrolito solvente. El electrolito está diseñado para maximizar la conductividad iónica y la humectación del electrodo. La combinación de electrodos de carbono activado de alta superficie con una separación de carga extremadamente pequeña da como resultado una capacitancia mucho mayor de un supercapacitor, en relación con los capacitores convencionales (Figura 1).

Figura 1: Un supercapacitor utiliza electrodos simétricos de carbono positivos y negativos separados por un separador aislante permeable a los iones sumergido en un electrolito. La combinación de electrodos de alta superficie y una separación de carga extremadamente pequeña da como resultado una alta capacitancia. (Fuente de la imagen: Maxwell Technologies)

La carga se almacena electrostáticamente mediante la adsorción reversible del electrolito en los electrodos de carbono de gran superficie. La separación de cargas se produce en la polarización en la interfaz electrodo/electrolito, produciendo la homónima doble capa. Este mecanismo es altamente reversible, lo que permite cargar y descargar el supercapacitor cientos de miles de veces, aunque se produce una cierta reducción de la capacitancia con el tiempo.

Debido a su dependencia del mecanismo electrostático para almacenar energía, el rendimiento eléctrico de los supercapacitores es más predecible que el de las baterías, y sus materiales de construcción los hacen más fiables y menos vulnerables a los cambios de temperatura. En cuanto a la seguridad, los supercapacitores incluyen menos materiales volátiles que las baterías y pueden descargarse completamente para un transporte seguro.

Otra ventaja es que, en comparación con las baterías secundarias, los supercapacitores se recargan mucho más rápido, de modo que si la energía se pierde de nuevo poco después del primer fallo, la energía de reserva está fácilmente disponible, y no se pueden sobrecargar. Los supercapacitores también pueden tolerar muchos más ciclos de carga, lo que reduce los costos de mantenimiento.

Además, los supercapacitores ofrecen una densidad de potencia mucho mayor (una medida de la cantidad de energía que se puede almacenar o suministrar en una unidad de tiempo) que las baterías. Esto no solo garantiza una carga rápida, sino que también permite ráfagas de alta corriente si es necesario, lo que permite su uso como energía de reserva en más aplicaciones (Figura 2). Además, los supercapacitores tienen una resistencia equivalente en serie (ESR) mucho menor que las baterías. Esto les permite proporcionar energía de forma más eficiente sin peligro de sobrecalentamiento. La eficacia de conversión de energía del supercapacitor es superior al 98%.

Figura 2: Las baterías/pilas recargables pueden suministrar energía durante largos periodos a corrientes modestas, pero tardan mucho en recargarse. En cambio, los supercapacitores (o ultracapacitores) se descargan rápidamente con una corriente elevada, pero también se recargan rápidamente. (Fuente de la imagen: Maxwell Technologies)

La principal desventaja de los supercapacitores es su densidad energética relativamente baja (una medida de la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen) en comparación con las baterías/pilas recargables. La tecnología actual permite que una batería/pila de iones de litio almacene veinte veces más energía que un supercapacitor del mismo volumen. La brecha se está reduciendo a medida que los nuevos materiales mejoran los supercapacitores, pero es probable que siga siendo importante durante muchos años. Otra desventaja notable de los supercapacitores es su costo relativamente elevado en comparación con las baterías/pilas de iones de litio.

Consideraciones sobre el diseño de los supercapacitores

Si un producto electrónico va a depender de un supercapacitor para obtener energía de reserva, es vital que el diseñador sepa cómo seleccionar el mejor componente para un almacenamiento y suministro de energía fiables y de larga duración.

Una de las primeras cosas que hay que comprobar en la hoja de datos es el efecto de la temperatura sobre la capacitancia y la resistencia. Es una buena práctica de diseño seleccionar un dispositivo que muestre muy pocos cambios a lo largo del rango de temperatura de funcionamiento previsto del producto final, de manera que si se necesita energía de reserva, el voltaje suministrado sea estable y la energía se suministre de forma eficiente.

La vida útil del supercapacitor viene determinada en gran medida por el efecto combinado del voltaje y la temperatura de funcionamiento (figura 3). El supercapacitor rara vez falla de forma catastrófica. Por el contrario, su capacitancia y resistencia interna cambian con el tiempo y degradan gradualmente el rendimiento hasta que el componente ya no es capaz de cumplir la especificación del producto final. La disminución del rendimiento suele ser mayor al principio de la vida útil del producto final, y disminuye a medida que este envejece.

Figura 3: Las temperaturas más altas y los voltajes aplicados pueden acortar la vida del supercapacitor. (Imagen: Elcap, CC0, vía Wikimedia Commons, modificada por el autor)

Cuando se utiliza en una aplicación de energía de reserva, el supercapacitor se mantendrá a la tensión de trabajo durante largos periodos, y solo muy ocasionalmente se le pedirá que descargue su energía almacenada. Esto acabará impactando en el rendimiento. La Hoja de datos indicará la disminución de la capacitancia a lo largo del tiempo para voltajes típicos de funcionamiento y a diferentes temperaturas. Por ejemplo, puede producirse una reducción del 15% de la capacitancia y un aumento del 40% de la resistencia interna en un supercapacitor mantenido a 2.5 voltios durante 88,000 horas (10 años) a 25 ˚C. Esta disminución del rendimiento debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar dispositivos de reserva para productos finales de larga duración.

La constante de tiempo de un condensador es el tiempo que tarda el dispositivo en alcanzar el 63.2% de la carga completa o en descargarse hasta el 36.8% de la carga completa. La constante de tiempo de un supercapacitor es de aproximadamente un segundo; esto es mucho más corto que un capacitor electrolítico. Debido a esta breve constante de tiempo, el diseñador debe asegurarse de que el supercapacitor de potencia de reserva no esté expuesto a una corriente de ondulación continua, ya que podría resultar dañado.

Los supercapacitores pueden funcionar entre 0 voltios y su capacidad nominal máxima. Aunque la utilización eficiente de la energía disponible del supercapacitor y el almacenamiento de energía se logra cuando se opera en el rango de voltaje más amplio, la mayoría de los componentes electrónicos tienen un umbral de voltaje mínimo. Este requisito de voltaje mínimo limita la cantidad de energía que se puede extraer del capacitor.

Por ejemplo, la energía almacenada en el capacitor es E = ½CV². A partir de esta relación, se puede calcular que aproximadamente el 75% de la energía disponible es accesible si el sistema funciona a la mitad de la tensión nominal del capacitor (por ejemplo, de 2.7 a 1.35 voltios).

Desafíos de diseño al utilizar múltiples supercapacitores

Aunque las ventajas de los supercapacitores los hacen adecuados para suministrar energía de reserva a un amplio rango de productos electrónicos, el diseñador debe tener cuidado con los retos de diseño que introducen. La implementación de un circuito de fuente de alimentación de reserva puede ser una tarea importante para el ingeniero inexperto. La principal complejidad es que los supercapacitores comerciales tienen una potencia nominal de unos 2.7 voltios, por lo que para suministrar una barra de alimentación típica de 5 voltios hay que utilizar dos supercapacitores en serie (Figura 4).

Figura 4: Los supercapacitores comerciales tienen una potencia nominal de unos 2.7 voltios, por lo que para suministrar una barra de alimentación típica de 5 voltios hay que utilizar dos supercapacitores en serie, lo que complica el proceso de diseño. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Aunque es una solución que funciona satisfactoriamente, conlleva un costo y una complejidad adicionales debido a la necesidad de equilibrar las celdas de forma activa o pasiva. Debido a las tolerancias de la capacitancia, las diferentes corrientes de fuga y las diferentes ESR, el voltaje a través de dos o más capacitores nominalmente idénticos y completamente cargados puede ser diferente. Este desequilibrio de la tensión hace que un supercapacitor de un circuito de reserva suministre una tensión mayor que el otro. A medida que la temperatura aumenta y/o los supercapacitores envejecen, este desequilibrio de voltaje puede aumentar hasta el punto de que el voltaje a través de un supercapacitor supere el umbral nominal de ese dispositivo y afecte a la vida útil.

El equilibrio de las células en aplicaciones de bajo ciclo de trabajo se consigue normalmente colocando una resistencia/resistencia de derivación en paralelo con cada célula. El valor de la resistencia/resistor se elige para que cualquier flujo de corriente domine la corriente total de fuga del supercapacitor. Esta técnica garantiza que cualquier variación de la resistencia equivalente en paralelo entre los supercapacitores sea insignificante. Por ejemplo, si los supercapacitores del circuito de reserva tienen una corriente de fuga media de 10 microamperios (μA), una resistencia/resistor del 1% permitirá una derivación de corriente de 100 μA, aumentando la corriente de fuga media a 110 μA. De este modo, la resistencia disminuye la variación de la corriente de fuga entre los supercapacitores de decenas de puntos porcentuales a solo unos pocos.

Con todas las resistencias en paralelo bastante bien adaptadas, los supercapacitores con voltajes más altos se descargarán a través de su resistencia en paralelo a un ritmo mayor que los supercapacitores con voltajes más bajos. Esto distribuye el voltaje total de manera uniforme en toda la serie de supercapacitores. Para las aplicaciones de alto rendimiento, se requiere un equilibrio más sofisticado del supercapacitor.

Uso de un solo supercapacitor para una alimentación de 5 voltios

El circuito de la fuente de alimentación de reserva podría ser menos complejo y ocupar menos espacio si se emplea un solo supercapacitor en lugar de dos o más. Esta disposición elimina la necesidad de equilibrar el supercapacitor. Sin embargo, la salida de 2.7 voltios de un solo dispositivo debe aumentarse mediante un regulador de voltaje, creando una tensión suficiente para superar la caída de voltaje a través de un diodo y proporcionar 5 voltios al sistema. El supercapacitor se carga mediante un dispositivo de carga y se descarga a través del convertidor elevador cuando es necesario. Los diodos permiten alimentar el sistema con la fuente de energía primaria o con el supercapacitor (Figura 5).

Figura 5: El uso de un solo supercapacitor en un circuito de reserva de energía elimina la necesidad de equilibrar las células, pero requiere un regulador elevador para aumentar la tensión de salida del supercapacitor. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Una solución más elegante es utilizar un único capacitor complementado por un convertidor de voltaje especializado, como el regulador de voltaje reversible buck-boost MAX38888 o MAX38889 de Maxim Integrated. El primero ofrece una salida de 2,5 voltios a 5 voltios y hasta 2.5 amperios (A), mientras que el segundo es un dispositivo de salida de 2.5 voltios a 5.5 voltios y 3 A (Figura 6).

Figura 6: Cuando se utilizan en un circuito de reserva de energía de supercapacitores, los reguladores reversibles MAX38889 (o MAX38888) eliminan la necesidad de utilizar dispositivos y diodos de carga y refuerzo por separado. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

El MAX38889 es un regulador flexible de almacenamiento de capacitores o de baterías de condensadores para transferir la potencia de forma eficiente entre el supercapacitor o los supercapacitores y un carril de alimentación del sistema. Cuando la alimentación principal está presente y su tensión está por encima del umbral mínimo de la tensión de alimentación del sistema, el regulador funciona en modo de carga y carga el supercapacitor con una corriente de inducción máxima de 3 A de pico y 1.5 A de media. El supercapacitor debe estar completamente cargado para permitir el funcionamiento de reserva. Una vez cargado el supercapacitor, el circuito solo consume 4 μA de corriente mientras mantiene el componente en su estado listo.

Cuando se retira la alimentación principal, el regulador evita que el sistema caiga por debajo de la tensión de funcionamiento de reserva establecida, aumentando la tensión del supercapacitor hasta la tensión requerida del sistema con una corriente de inductor máxima programada, hasta un máximo de 3 A. El regulador reversible puede funcionar hasta una tensión de alimentación del supercapacitor de solo 0.5 voltios, maximizando el uso de la energía almacenada.

La duración de la reserva depende de la reserva de energía del supercapacitor y del consumo de energía del sistema. Las características de los productos Maxim Integrated permiten obtener la máxima potencia de reserva a partir de un único supercapacitor de 2.7 voltios, al tiempo que reducen el número de componentes del circuito al eliminar la necesidad de contar con dispositivos de carga y refuerzo independientes, así como con diodos.

Conclusión:

Los supercapacitores ofrecen varias ventajas sobre las baterías secundarias para la energía de reserva en aplicaciones concretas, como las que exigen cambios frecuentes de batería. En comparación con las baterías recargables, los supercapacitores se cargan con mayor rapidez, pueden realizar muchos más ciclos y ofrecen una densidad de potencia mucho mayor. Sin embargo, su salida máxima de 2.7 voltios plantea algunos problemas de diseño cuando se trata de respaldar una alimentación típica de 5 voltios.

Como se ha demostrado, los reguladores de voltaje reversibles de reducción/elevación ofrecen una solución elegante al permitir que un solo supercapacitor respalde una línea de 5 voltios, al tiempo que se minimiza el espacio y el número de componentes necesarios.