Como usar um único supercapacitor como energia reserva para uma alimentação de 5 volts

Antes limitadas a dispositivos críticos, as soluções de energia reserva estão agora em demanda para uma ampla gama de aplicações eletrônicas em produtos finais industriais, comerciais e de consumo. Embora existam várias opções, o supercapacitor oferece a solução mais compacta e densa como um reservatório de energia, quando a alimentação principal for interrompida. Por exemplo, quando há uma queda de energia elétrica ou quando as baterias estão sendo trocadas.

Entretanto, os supercapacitores introduzem desafios de projeto pois cada dispositivo só pode fornecer até 2,7 volts. Isso significa que, potencialmente, são necessários vários supercapacitores — cada um com balanceamento de célula associado e conversores elevadores (boost) ou abaixadores (buck) de tensão — para fornecer alimentação regulada para uma trilha de 5 volts. O resultado é um circuito complexo e com nuanças, que é relativamente caro e ocupa um espaço excessivo na placa.

Este artigo compara as baterias com os supercapacitores e explica porque estes últimos oferecem várias vantagens técnicas para aplicações eletrônicas compactas de baixa tensão. Logo, o artigo explica como projetar uma solução simples e elegante para alimentar uma trilha de 5 volts usando apenas um único capacitor combinado com um conversor buck/boost de tensão reversível.

Baterias vs supercapacitores

A energia ininterrupta tornou-se um elemento crítico de uma experiência satisfatória do usuário para os dispositivos eletrônicos modernos. Sem uma fonte de alimentação constante, os produtos eletrônicos não param apenas de funcionar, eles também podem perder informações vitais. Por exemplo, um computador conectado à rede elétrica perderá dados mantidos em sua RAM volátil se houver uma queda de energia. Ou uma bomba de insulina pode perder importantes leituras de glicose no sangue a partir da memória volátil durante a substituição da bateria.

Uma maneira de evitar que isso aconteça é incorporar uma bateria reserva que armazene energia a pode ser liberada, se a principal fonte de alimentação falhar. As baterias de íon-lítio (íon-Li) são uma tecnologia madura e oferecem uma densidade de energia muito boa, permitindo que um dispositivo relativamente compacto ofereça energia reserva por longos períodos.

Mas não importa qual seja sua química de base, todas as baterias têm características distintas que podem ser problemáticas sob certas circunstâncias. Por exemplo, elas são relativamente pesadas, levam um tempo relativamente longo para serem recarregadas (o que pode ser um problema se ocorrerem frequentes quedas de energia), as células só podem ser recarregadas um número limitado de vezes (aumentando os custos de manutenção), e os produtos químicos dos quais são feitas podem introduzir riscos de segurança e ambientais.

Uma solução alternativa para a energia reserva é o supercapacitor, também conhecido como ultracapacitor. Um supercapacitor é tecnicamente conhecido como um capacitor de camada elétrica dupla (EDLC). O dispositivo é construído utilizando eletrodos de carbono, positivos e negativos, simétricos e estáveis de forma eletroquímica. Estes são separados por um isolante permeável aos íons, construído em um recipiente preenchido com eletrólito de sal orgânico/solvente. O eletrólito é projetado para maximizar a condutividade iônica e a umidificação do eletrodo. A combinação de eletrodos de carbono ativado, com área grande de superfície, com a separação de carga extremamente pequena resulta na capacitância muito maior de um supercapacitor, em relação aos capacitores convencionais (Figura 1).

Figura 1: Um supercapacitor utiliza eletrodos de carbono positivos e negativos simétricos, separados por um isolante permeável aos íons imersos em um eletrólito. A combinação de eletrodos com área grande de superfície e a separação de carga extremamente pequena resulta em alta capacitância. (Fonte da imagem: Maxwell Technologies)

A carga é armazenada eletrostaticamente por adsorção reversível do eletrólito sobre os eletrodos de carbono com área grande de superfície. A separação da carga ocorre pela polarização na interface eletrodo/eletrólito, produzindo a camada dupla, de onde vem seu nome. Este mecanismo é altamente reversível, permitindo que o supercapacitor seja carregado e descarregado centenas de milhares de vezes, embora haja alguma redução na capacitância ao longo do tempo.

Devido a sua dependência do mecanismo eletrostático para armazenar energia, o desempenho elétrico dos supercapacitores é mais previsível do que o das baterias, e seus materiais de construção os tornam mais confiáveis e menos vulneráveis a mudanças de temperatura. No quesito segurança, os supercapacitores incluem menos materiais voláteis que as baterias e podem ser totalmente descarregados para um transporte seguro.

Uma outra vantagem é que, em comparação com as baterias secundárias, os supercapacitores recarregam muito mais rapidamente — portanto, se a energia for perdida novamente logo após a primeira falha, a energia reserva estará prontamente disponível — e não podem ser recarregados em excesso. Os supercapacitores também podem tolerar muito mais ciclos de carga, baixando os custos da manutenção.

Além disso, os supercapacitores oferecem uma densidade de energia (uma medida de quanta energia pode ser armazenada ou fornecida por unidade de tempo) muito maior do que as baterias. Isto não só garante uma carga rápida, mas também permite rajadas de alta corrente se necessário, permitindo seu uso para energia reserva em mais aplicações (Figura 2). Além disso, os supercapacitores têm uma resistência equivalente em série (ESR) muito menor do que as baterias. Isto lhes permite fornecer energia de forma mais eficiente, sem qualquer perigo de superaquecimento. É típica uma eficácia na conversão de energia do supercapacitor superior a 98%.

Figura 2: As baterias recarregáveis podem fornecer energia por longos períodos a correntes modestas, mas demoram muito tempo para recarregar. Em contraste, os supercapacitores (ou ultracapacitores) descarregam rapidamente com alta corrente, mas também recarregam rapidamente. (Fonte da imagem: Maxwell Technologies)

A principal desvantagem dos supercapacitores é sua densidade de energia (uma medida da quantidade de energia armazenada por unidade de volume) relativamente baixa em comparação com as baterias recarregáveis. A tecnologia atual permite que uma bateria de íon-lítio armazene vinte vezes mais energia do que um supercapacitor do mesmo volume. A lacuna está se fechando à medida que novos materiais melhoram os supercapacitores, mas é provável que ela permaneça significativa por muitos anos. Outra desvantagem notável dos supercapacitores é o custo relativamente alto em comparação com as baterias de íon-lítio.

Considerações de projeto para supercapacitores

Se um produto eletrônico deve contar com um supercapacitor para energia reserva, é vital que o projetista entenda como selecionar o melhor componente para armazenamento e fornecimento confiável de energia, além de longa vida útil.

Uma das primeiras coisas a serem conferidas na ficha técnica é o efeito da temperatura sobre a capacitância e a resistência. É uma boa prática de projeto selecionar um dispositivo que apresente pouquíssimas mudanças na faixa da temperatura de operação pretendida para o produto final, de modo que, se for necessária energia reserva, a tensão fornecida seja estável e a energia seja fornecida de forma eficiente.

A vida útil do supercapacitor é em grande parte determinada pelo efeito combinado da tensão e temperatura de operação (Figura 3). O supercapacitor raramente falha de forma catastrófica. Em vez disso, sua capacitância e resistência interna mudam com o tempo e degradam gradualmente o desempenho até que o componente não seja mais capaz de atender à especificação do produto final. O declínio de desempenho é tipicamente maior no início da vida útil do produto final, diminuindo à medida que o produto final envelhece.

Figura 3: Temperaturas e tensões aplicadas mais altas podem encurtar a vida útil do supercapacitor. (Fonte da imagem: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, modificado pelo autor)

Quando usado em uma aplicação de energia reserva, o supercapacitor será mantido na tensão de trabalho por longos períodos, sendo apenas ocasionalmente chamado para descarregar sua energia armazenada. Isto acabará impactando o desempenho. A ficha técnica indicará o declínio da capacitância ao longo do tempo para tensões típicas de operação e a diferentes temperaturas. Por exemplo, uma redução de 15% na capacitância e um aumento de 40% na resistência interna pode ocorrer para um supercapacitor mantido a 2,5 volts por 88.000 horas (10 anos) a 25˚C. Tal declínio de desempenho deve ser considerado ao projetar dispositivos reservas para produtos finais com longa vida útil.

A constante de tempo para um capacitor é o tempo necessário para que o dispositivo atinja 63,2% da carga completa ou descarregue a 36,8% da carga completa. A constante de tempo de um supercapacitor é cerca de um segundo; isto é muito mais curto do que um capacitor eletrolítico. Devido a esta constante de tempo curta, o projetista deve garantir que o supercapacitor de energia reserva não seja exposto a uma corrente de ondulação permanente, pois danos podem ocorrer.

Os supercapacitores podem operar entre 0 volts e sua capacidade máxima nominal. Embora a utilização eficiente da energia disponível e do armazenamento de energia do supercapacitor seja alcançada quando se opera na faixa de tensão mais ampla, a maioria dos componentes eletrônicos tem um limite mínimo de tensão. Esta exigência de tensão mínima limita a quantidade de energia que pode ser retirada do capacitor.

Por exemplo, a energia armazenada no capacitor é E = ½CV². A partir desta relação, pode-se calcular que aproximadamente 75% da energia disponível é acessível se o sistema operar com metade da tensão nominal do capacitor (por exemplo, de 2,7 a 1,35 volts).

Desafios de projeto ao utilizar vários supercapacitores

Embora as vantagens dos supercapacitores os tornem adequados para fornecer energia reserva a uma ampla gama de produtos eletrônicos, o projetista deve estar atento aos desafios de projeto que eles introduzem. A implementação de um circuito de fonte de alimentação reserva pode ser um empreendimento significativo para o engenheiro inexperiente. A principal complexidade é que os supercapacitores comerciais são dimensionados para cerca de 2,7 volts, portanto, para fornecer uma alimentação típica de 5 volts, dois supercapacitores devem ser usados em série (Figura 4).

Figura 4: Os supercapacitores comerciais são dimensionados para cerca de 2,7 volts, portanto, para fornecer uma alimentação típica de 5 volts, dois supercapacitores devem ser usados em série, complicando o processo de projeto. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Embora esta seja uma solução de trabalho satisfatória, ela implica em custos e complexidade adicionais devido à necessidade de balanceamento da célula, ativo ou passivo. Devido às tolerâncias da capacitância, diferentes correntes de fuga e diferentes ESRs, a tensão em dois ou mais capacitores nominalmente idênticos e totalmente carregados pode ser diferente. Este desbalanceamento de tensão resulta em um supercapacitor, num circuito reserva, fornecendo uma tensão maior do que o outro. Conforme a temperatura aumenta e/ou os supercapacitores envelhecem, este desbalanceamento de tensão pode aumentar ao ponto que a tensão através de um supercapacitor exceda o limite nominal desse dispositivo e impacta a duração operacional.

O balanceamento da célula em aplicações com baixo ciclo de trabalho é normalmente obtido colocando um resistor de desvio em paralelo com cada célula. O valor do resistor é escolhido é aquele que permite que qualquer fluxo de corrente domine a corrente total de fuga do supercapacitor. Esta técnica garante efetivamente que qualquer variação na resistência equivalente em paralelo entre os supercapacitores seja insignificante. Por exemplo, se os supercapacitores no circuito reserva tiverem uma corrente média de fuga de 10 microamperes (μA), um resistor de 1% permitirá um desvio de corrente de 100 μA, aumentando a corrente média de fuga para 110 μA. Ao fazer isso, o resistor efetivamente diminui a variação da corrente de fuga entre os supercapacitores em dezenas de porcentagens para apenas poucos porcento.

Com todas as resistências paralelas muito bem casadas, quaisquer supercapacitores com tensões mais altas descarregarão através de sua resistência paralela a uma taxa mais alta do que os supercapacitores com tensões mais baixas. Isto distribui a tensão total uniformemente por toda a série de supercapacitores. Para aplicações com alto ciclo de trabalho, é necessário um balanceamento mais sofisticado dos supercapacitores.

Utilizando um único supercapacitor para uma alimentação de 5 volts

O circuito da fonte de alimentação reserva poderia ser menos complexo e ocupar menos espaço, se um único supercapacitor for empregado em vez de dois ou mais. Tal arranjo elimina a necessidade do balanceamento dos supercapacitores. Entretanto, a saída de 2,7 volts de um único dispositivo precisa ser aumentada usando um regulador de tensão boost, criando uma tensão suficiente para superar a queda de tensão através de um diodo e fornecer 5 volts para o sistema. O supercapacitor é carregado por um dispositivo de carga e descarrega através do conversor boost quando necessário. Os diodos permitem que a fonte de alimentação primária ou o supercapacitor energize o sistema (Figura 5).

Figura 5: O uso de um único supercapacitor em um circuito reserva de energia elimina a necessidade de balanceamento da célula, mas requer um regulador elevador para aumentar a tensão de saída do supercapacitor. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

Uma solução mais elegante é usar um único capacitor complementado por um conversor de tensão especializado, como o regulador de tensão buck-boost reversível MAX38888 ou MAX38889 da Maxim Integrated. O primeiro oferece saída de 2,5 volts a 5 volts e até 2,5 amperes (A), enquanto o segundo é um dispositivo com saída de 2,5 volts a 5,5 volts, 3 A (Figura 6).

Figura 6: Quando usado em um circuito com reserva de energia do supercapacitor, os reguladores reversíveis MAX38889 (ou MAX38888) eliminam a necessidade de dispositivos e diodos de reforço e de carregador separado. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

O MAX38889 é um capacitor de armazenamento flexível ou regulador reserva do banco de capacitores para transferir energia eficientemente entre os supercapacitores e uma trilha de alimentação do sistema. Quando a alimentação principal está presente e sua tensão está acima da tensão mínima de alimentação do sistema, o regulador opera em modo de carga e carrega o supercapacitor com um máximo de 3 A de pico, 1,5 A de corrente média no indutor. O supercapacitor precisa ser totalmente carregado para permitir a operação de reserva. Uma vez que o supercapacitor for carregado, o circuito extrai apenas 4 μA de corrente, mantendo o componente em seu estado pronto.

Quando a alimentação principal é removida, o regulador impede que o sistema caia abaixo da tensão definida para operação reserva do sistema, aumentando a tensão do supercapacitor para a tensão necessária do sistema a uma corrente de pico programada no indutor de até 3 A no máximo. O regulador reversível pode operar até uma tensão de alimentação do supercapacitor de apenas 0,5 volts, maximizando o uso da energia armazenada.

A duração da reserva depende do residual de energia do supercapacitor e do consumo de potência do sistema. As características dos produtos Maxim Integrated permitem a energia reserva máxima de um único supercapacitor de 2,7 volts, enquanto reduz a quantidade de componentes no circuito, eliminando a necessidade de dispositivos e diodos de reforço e de carregador separado.

Conclusão

Os supercapacitores oferecem várias vantagens sobre as baterias secundárias para energia reserva em aplicações particulares, tais como as que exigem trocas frequentes de baterias. Em comparação com as baterias recarregáveis, os supercapacitores carregam mais rapidamente, podem ser recarregados muitas mais vezes e oferecem uma densidade de energia muito maior. Entretanto, sua saída de 2,7 volts, no máximo, introduz alguns desafios de projeto quando se pretende reservar uma alimentação típica de 5 volts.

Como mostrado, os reguladores abaixadores/elevadores de tensão reversíveis oferecem uma solução elegante, permitindo que um único supercapacitor reserve uma linha de 5 volts, enquanto minimiza o espaço e a quantidade de componentes necessários.