Características del condensador que afectan la eficiencia de la recolección de energía

Para la recolección de energía, la selección del capacitor requiere una consideración cuidadosa de las características más allá de los valores simples de capacitancia. Entre estas características, la corriente de fuga sigue siendo la principal preocupación.

Los condensadores a menudo aparecen como una ocurrencia tardía en muchas situaciones de diseño y se agregan al circuito para limpiar la señal y la fuente de alimentación. En la adquisición de señales, los condensadores juegan un papel más central en el filtrado de fuentes externas y la etapa de muestreo y retención del convertidor analógico / digital. Sin embargo, en las aplicaciones de recolección de energía, los capacitores proporcionan un componente clave para acumular carga de una fuente ambiental de baja energía y liberar rápida y efectivamente la carga almacenada en la carga. En estas aplicaciones, las características del condensador y la selección de componentes se vuelven factores importantes en el diseño.

En el papel tradicional en el diseño de circuitos, los capacitores se consideran elementos de capacitancia constante que se utilizan para filtrar, desacoplar y cualquier otro uso familiar de estos dispositivos. Para estos fines, la diferencia entre las características de los condensadores ideales y las características de los condensadores reales generalmente no afecta en gran medida su capacidad para cumplir plenamente su función. Sin embargo, para aplicaciones de recolección de energía, las desviaciones de los capacitores ideales afectan significativamente la eficiencia del diseño general.

En el efecto común (Figura 1), la resistencia en serie equivalente (ESR) y la corriente de fuga ocupan una serie de características no ideales, que pueden reducir la eficiencia. Una ESR alta hace que el capacitor disipe energía, especialmente cuando se somete a altas corrientes de CA. Por lo tanto, el uso de condensadores de baja ESR da como resultado una mayor eficiencia general del subsistema de recolección de energía. La corriente de fuga ejerce un impacto más profundo en los diseños que utilizan fuentes ambientales de muy baja energía y aumenta como una limitación significativa de la capacidad de aplicar tipos más comunes de condensadores en diseños de recolección de energía.

Figura 1: En aplicaciones de recolección de energía, la resistencia en serie equivalente (ESR) y la resistencia en paralelo (RL) causan pérdida de energía, lo que erosiona la eficiencia general.

Para cualquier capacitor, la cantidad de corriente de fuga depende de varios factores, que varían con el tiempo, el voltaje y la temperatura (Figura 2). Desde el momento en que está completamente cargado, el capacitor exhibe inicialmente una corriente relativamente grande hasta que finalmente alcanza un valor constante más bajo. Como resultado del tiempo necesario para alcanzar este nivel constante, la práctica industrial a menudo se basa en la medición de la corriente de fuga después de solo unos minutos. Debido a la dificultad de cuantificar el comportamiento no ideal de los capacitores, algunos fabricantes combinan la corriente de fuga, ESR y ESL en un solo valor llamado factor de disipación, que se define como la energía consumida por ciclo y la energía almacenada por ciclo. de energía, es decir, el valor medido. La razón de la baja eficiencia de los condensadores.

Figura 2: La corriente de fuga en un condensador depende de muchos factores, incluido el tiempo (A), el voltaje (B) y la temperatura (C).

La corriente de fuga también aumenta con la tensión de funcionamiento (UB en la Figura 2B); a medida que el voltaje aplicado excede el voltaje nominal (UR en la Figura 2B), aumenta significativamente y pasa a través de la sobretensión U.S., el voltaje preformado del ánodo del capacitor final (UF en la Figura 2B). A niveles superiores a la sobretensión, se producen reacciones físicas y químicas en el condensador. Como resultado, los condensadores generalmente no funcionan a niveles superiores al voltaje nominal. Finalmente, debido al efecto de la temperatura sobre las reacciones físicas y químicas en el condensador, la corriente de fuga puede aumentar a medida que aumenta la temperatura ambiente.

La corriente de fuga es característica de todos los tipos de condensadores, pero algunos tipos han presentado tradicionalmente una corriente de fuga mayor que otros. Por ejemplo, los condensadores electrolíticos siguen siendo el caballo de batalla del diseño, pero sus características de fuga se han utilizado en diseños que limitan los presupuestos de energía. Al proporcionar una alta capacitancia y la capacidad de manejar altos voltajes y corrientes, los condensadores electrolíticos han desempeñado el papel de componentes básicos de desacoplamiento o filtrado en el trabajo de diseño tradicional y se utilizan en la etapa de regulación de potencia de los inversores solares.

En el pasado, los condensadores electrolíticos exhibían una corriente de fuga significativa, lo que excluía en gran medida su uso en la recolección de energía de fuentes de energía débiles. Sin embargo, en la actualidad, los avances en la ciencia y la fabricación de materiales han permitido a los fabricantes proporcionar líneas de condensadores de tantalio-MnO2 que presentan una menor corriente de fuga.

Aunque los condensadores electrolíticos de tantalio más avanzados pueden cumplir los requisitos de eficiencia en los diseños de recolección de energía, otras tecnologías de condensadores, como los condensadores de película y los condensadores cerámicos, proporcionan una combinación de tamaño de paquete pequeño y eficiencia de rendimiento (Figura 3). A medida que disminuye la ESR, estos dispositivos suelen tener clasificaciones de vida útil más largas y corrientes de fuga más bajas que los electrolitos comparables.

Figura 3: La impedancia Z y la resistencia en serie equivalente (ESR) de un capacitor pueden variar significativamente entre la frecuencia y el tipo de capacitor.

Para muchas aplicaciones de recolección de energía, los capacitores eléctricos de doble capa (EDLC) o supercondensadores se han convertido en la solución preferida, proporcionando una combinación de alta capacitancia, eficiencia y tamaño de paquete pequeño. Las tecnologías tradicionales de condensadores rara vez coinciden. Al mismo tiempo, los diseñadores que buscan un diseño más pequeño pueden encontrar supercondensadores, que proporcionan valores de capacitancia significativos en paquetes muy pequeños.

Aunque los supercondensadores proporcionan una densidad de energía superior, sus curvas características pueden ser más complicadas. Los supercondensadores combinan varios condensadores, y cada condensador puede proporcionar una corriente de fuga total relativamente significativa para un dispositivo en particular (Figura 4). Por lo tanto, los diseñadores pueden encontrar que necesitan aceptar el grado de pérdida de energía debido a la corriente de fuga para obtener una capacidad de almacenamiento de energía de muy alta densidad con estos componentes.

Figura 4: Un supercondensador está compuesto por varios condensadores (A), cada uno de los cuales contribuye a la corriente de fuga total (B).

En resumen, a diferencia de las aplicaciones tradicionales, los diseños que obtienen energía de fuentes ambientales de baja energía requieren componentes que consumen muy poca energía durante el funcionamiento. Aunque los diseñadores pueden haber fallado los condensadores electrolíticos en el pasado debido a su corriente de fuga relativamente alta, los fabricantes ahora proporcionan condensadores electrolíticos con características que coinciden con muchas aplicaciones de recolección de energía. Aunque las tecnologías alternativas, como los condensadores de película y los condensadores cerámicos, proporcionan características mejoradas, tamaño compacto y alta capacitancia, los supercondensadores proporcionan alta densidad de energía a costa de altas fugas y ESR.