Een inleiding tot supercondensatoren

De condensator is een passieve component met twee aansluitingen, die veel wordt gebruikt in de elektronica. Bijna elk circuit dat we in elektronica vinden, gebruikt een of meer condensatoren voor verschillende doeleinden. Condensatoren zijn na weerstanden de meest gebruikte elektronische component. Ze hebben een speciaal vermogen om energie op te slaan. Er zijn verschillende soorten condensatoren op de markt, maar een die de laatste tijd populair wordt en in de toekomst een vervanging of alternatief voor batterijen belooft, zijn supercondensatoren of ook wel bekend als ultracondensatoren.. Een supercondensator is niets anders dan een condensator met hoge capaciteit met capaciteitswaarden die veel hoger zijn dan normale condensatoren, maar lagere spanningsgrenzen. Ze kunnen 10 tot 100 keer meer energie per volume- of massa-eenheid opslaan dan elektrolytische condensatoren, kunnen veel sneller laden en afleveren dan batterijen, en tolereren meer laad-ontlaadcycli dan oplaadbare batterijen.

Supercondensatoren of ultracondensatoren zijn een nieuwe technologie voor energieopslag die in de moderne tijd sterk is ontwikkeld. Supercondensatoren bieden aanzienlijke industriële en economische voordelen

De capaciteit van een condensator wordt gemeten in Farad (F), zoals.1uF (microfarad), 1mF (millifarad). Hoewel de condensatoren met een lagere waarde vrij gebruikelijk zijn in de elektronica, zijn er ook condensatoren met een zeer hoge waarde beschikbaar, die energie opslaan in een veel hogere dichtheid en beschikbaar zijn in een zeer hoge capaciteitswaarde, waarschijnlijk in Farad.

In de bovenstaande afbeelding wordt een lokaal beschikbare 2,7V, 1Farad supercondensatorafbeelding getoond. De nominale spanning is veel lager, maar de capaciteit van de bovenstaande condensator is vrij hoog.

Voordelen van supercondensator of ultracondensator

De vraag naar supercondensatoren stijgt met de dag. De belangrijkste reden voor de snelle ontwikkeling en vraag is te wijten aan vele andere voordelen van supercondensatoren, waarvan er enkele hieronder worden vermeld:

• Het biedt een zeer goede levensduur van ongeveer 1 miljoen oplaadcycli.
• De bedrijfstemperatuur is -50 graden tot bijna 70 graden, wat hem geschikt maakt voor gebruik in consumententoepassingen.
• Een hoge vermogensdichtheid tot wel 50 keer, die wordt bereikt door batterijen.
• Schadelijke materialen, giftige metalen zijn niet het onderdeel van het fabricageproces van supercondensatoren of ultracondensatoren, waardoor het gecertificeerd is als wegwerpcomponent.
• Het is efficiënter dan batterijen.
• Vereist geen onderhoud in vergelijking met batterijen.

Supercondensatoren slaan energie op in hun elektrische veld, maar in het geval van batterijen gebruiken ze chemische verbindingen om energie op te slaan. Vanwege het vermogen om snel op te laden en te ontladen, komen de supercondensatoren ook langzaam op de batterijmarkt. Lage interne weerstand met een zeer hoog rendement, geen onderhoudskosten en een langere levensduur zijn de belangrijkste redenen voor de grote vraag in de moderne stroombrongerelateerde markt.

Energieën in condensator

Een condensator slaan energie in de vorm van Q = C x V. Q staat voor Charge in Coulombs, C voor capaciteit in Farads en V voor spanning in volt. Dus als we de capaciteit vergroten, zal de opgeslagen energie Q ook toenemen.

De eenheid van capaciteit is Farad (F), genoemd naar M. Faraday. Farad is de capaciteitseenheid met betrekking tot coulomb / volt. Als we zeggen een condensator met 1 Farad, dan zal het een potentiaalverschil van 1 volt creëren tussen zijn platen, afhankelijk van de 1-coulomblading.

1 Farad is een condensator met een zeer grote waarde die als algemene elektronische component kan worden gebruikt. In de elektronica wordt over het algemeen microfarad tot Pico farad-capaciteit gebruikt. Microfarad wordt aangeduid als uF (1 / 1.000.000 Farad of ^10-6 F), nano farad als nF (1 / 1.000.000.000 of ^10-9 F) en Pico farad als pF (1 / 1.000.000.000.000 of ^10-12 F)

Als de waarde veel hoger wordt, zoals mF tot enkele Farads (over het algemeen <10F), betekent dit dat de condensator veel meer energie tussen zijn platen kan vasthouden, die condensator wordt Ultra-condensator of Supercapacitor genoemd.

De energie opgeslagen in een condensator is E = ½ CV ² Joules. E is de opgeslagen energie in joules, C is de capaciteit in Farad en V is het potentiaalverschil tussen de platen.

Bouwen van

Supercapacitor is een elektrochemisch apparaat. Interessant is dat er geen chemische reacties zijn die verantwoordelijk zijn voor het opslaan van de elektrische energie, ze hebben een unieke constructie, met een grote geleidende plaat of elektrode, die dicht bij elkaar liggen met een zeer klein oppervlak. De constructie is hetzelfde als een elektrolytische condensator met een vloeibare of natte elektrolyt tussen de elektroden. U kunt hier meer te weten komen over verschillende soorten condensatoren.

Supercondensator fungeert als een elektrostatisch apparaat dat zijn elektrische energie opslaat als het elektrische veld tussen de geleidende elektroden.

De elektroden, rood en blauw, zijn dubbelzijdig gecoat. Ze zijn meestal gemaakt van grafietkoolstof in de vorm van koolstofnanobuisjes of -gels of een speciaal type geleidende actieve kool.

Om de grote elektronenstroom tussen elektroden en het passeren van het positieve ion te blokkeren, wordt een poreus papieren membraan gebruikt. Het papieren membraan scheidt ook de elektroden. Zoals we in de bovenstaande afbeelding kunnen zien, bevindt het poreuze papiermembraan zich in het midden dat groen van kleur is. De elektroden en papierscheider zijn geïmpregneerd met de vloeibare elektrolyt. De aluminiumfolie wordt gebruikt als stroomafnemer die de elektrische verbinding tot stand brengt.

De scheidingsplaat en het oppervlak van de platen zijn verantwoordelijk voor de capaciteitswaarde van de condensator. De relatie kan worden aangeduid als

Waar, Ɛ de permittiviteit is van het materiaal dat tussen platen aanwezig is

A is de oppervlakte van de plaat

D is de scheiding tussen platen

Dus in het geval van een supercondensator moet het contactoppervlak worden vergroot, maar er is een beperking. We kunnen de fysieke vorm of grootte van de condensator niet vergroten. Om deze beperking te overwinnen, worden speciale soorten elektrolyten gebruikt om de geleidbaarheid tussen platen te vergroten, waardoor de capaciteit toeneemt.

De supercondensatoren worden ook wel dubbellaagse condensator genoemd. Er zit een reden achter. Zeer kleine scheiding en groot oppervlak met behulp van speciale elektrolyt, de oppervlaktelaag van elektrolytische ionen vormt een dubbele laag. Het creëert twee condensatorconstructies, één op elke koolstofelektrode en een dubbellaagse condensator genoemd.

Deze constructies hebben een nadeel. De spanning over de condensator werd erg laag vanwege de ontledingsspanning van de elektrolyt. De spanning is sterk afhankelijk van het elektrolytmateriaal, het materiaal kan de opslagcapaciteit van elektrische energie van de condensator beperken. Dus vanwege de lage klemspanning kan een supercondensator in serie worden geschakeld om elektrische lading op een bruikbaar spanningsniveau op te slaan. Hierdoor produceert de supecondensator in serie een hogere spanning dan normaal en parallel wordt de capaciteit groter. Het kan duidelijk worden begrepen door de onderstaande Supercapacitor Array Construction-techniek.

Supercapacitor Array constructie

Om lading op een bruikbare vereiste spanning op te slaan, moeten supercondensatoren in serie worden geschakeld. En om de capaciteit te vergroten, moeten ze parallel worden aangesloten.

Laten we eens kijken naar de array-constructie van de supercondensator.

In de bovenstaande afbeelding wordt de celspanning van een enkele cel of condensator aangeduid als Cv, terwijl de capaciteit van een enkele cel wordt aangeduid als Cc. Het spanningsbereik van een supercondensator is van 1V tot 3V, de serieverbindingen verhogen de spanning en meer parallel geschakelde condensatoren verhogen de capaciteit.

Als we de array maken, is de spanning in serie

Totale spanning = celspanning (Cv) x aantal rijen

En de capaciteit parallel zal zijn

Totale capaciteit = celcapaciteit (Cc) x (aantal kolommen / aantal rijen)

Voorbeeld

We moeten een back-upopslagapparaat maken en daarvoor is een 2.5F super- of supercondensator met de 6V-rating vereist.

Als we de array moeten maken met 1F-condensatoren met de 3V-classificatie, wat zijn dan de array-afmeting en de aantallen condensatoren?

Totale spanning = celspanning x rij nummer Dan, rij nummer = 6/3 rij nummer = 2

Betekent dat twee condensatoren in serie een potentiaalverschil van 6V hebben.

Nu, de capaciteit, Totale capaciteit = celcapaciteit x (kolomnummer / rijnummer) Vervolgens, kolomnummer = (2,5 x 2) / 1

We hebben dus 2 rijen en 5 kolommen nodig.

Laten we de array construeren,

De totale energie die is opgeslagen in de array is

Supercondensatoren zijn goed in het opslaan van energie en daar waar snel opladen of ontladen nodig is. Het wordt veel gebruikt als back-upapparaten, waar een back-upstroomvoorziening of snelle ontlading nodig is. Ze worden verder gebruikt in printers, auto's en diverse elektronische apparaten voor drinkwater.