Un'introduzione ai supercondensatori

Il condensatore è un componente passivo a due terminali, ampiamente utilizzato nell'elettronica. Quasi tutti i circuiti che troviamo nell'elettronica utilizzano uno o più condensatori per usi diversi. I condensatori sono il componente elettronico più utilizzato dopo i resistori. Hanno una capacità speciale di immagazzinare energia. Esistono diversi tipi di condensatori disponibili sul mercato, ma uno che sta recentemente diventando popolare e promette una sostituzione o un'alternativa alle batterie in futuro, sono supercondensatori o anche conosciuti come ultracondensatori. Un supercondensatore non è altro che un condensatore ad alta capacità con valori di capacità molto più alti dei normali condensatori ma limiti di tensione inferiori.Possono immagazzinare da 10 a 100 volte più energia per unità di volume o massa rispetto ai condensatori elettrolitici, possono ricevere e fornire carica molto più velocemente di batterie e tollerano più cicli di carica-scarica rispetto alle batterie ricaricabili.

I supercondensatori o ultracondensatori sono una nuova tecnologia di accumulo di energia che è stata fortemente sviluppata nei tempi moderni. I supercondensatori stanno fornendo significativi vantaggi industriali ed economici

La capacità di un condensatore è misurata in Farad (F), come.1uF (microfarad), 1mF (millifarad). Tuttavia, mentre i condensatori di valore inferiore sono abbastanza comuni nell'elettronica, sono disponibili anche condensatori di valore molto alto, che immagazzinano energia in una densità molto più alta e disponibili in un valore di capacità molto alto, probabilmente variato in Farad.

Nell'immagine sopra, viene mostrata un'immagine del super condensatore 1Farad da 2,7 V disponibile localmente. La tensione nominale è molto più bassa ma la capacità del condensatore di cui sopra è piuttosto alta.

Vantaggi del supercondensatore o ultra-condensatore

La domanda dei supercondensatori aumenta di giorno in giorno. Il motivo principale del rapido sviluppo e della domanda è dovuto a molti altri vantaggi dei supercondensatori, alcuni dei quali sono indicati di seguito:

• Fornisce una vita molto buona di circa 1 milione di cicli di carica.
• La temperatura di esercizio va da -50 gradi a 70 gradi quasi, il che lo rende adatto per l'uso in applicazioni consumer.
• Un'elevata densità di potenza fino a 50 volte, ottenuta dalle batterie.
• Materiali nocivi, metalli tossici non fanno parte del processo di produzione di Super Condensatori o Ultracondensatori che lo rendono certificato come componente usa e getta.
• È più efficiente delle batterie.
• Non necessita di manutenzione rispetto alle batterie.

I supercondensatori immagazzinano le energie nel suo campo elettrico, ma nel caso delle batterie usano composti chimici per immagazzinare le energie. Inoltre, grazie alla sua capacità di carica e scarica rapida, i Supercondensatori stanno lentamente entrando nel mercato delle batterie. Bassa resistenza interna con altissima efficienza, nessun costo di manutenzione, maggiore durata sono la ragione principale della sua elevata domanda nel moderno mercato correlato alle fonti di energia.

Energie nel condensatore

Un negozio condensatore energie in forma di Q = C x V. Q sta per carica in coulomb, C per capacità in Farad e V per tensione in volt. Quindi, se aumentiamo la capacità, aumenterà anche l'energia Q immagazzinata.

L'unità di capacità è Farad (F) che prende il nome da M. Faraday. Farad è l'unità di capacità rispetto a coulomb / volt. Se diciamo un condensatore con 1 Farad, allora creerà una differenza di potenziale di 1 volt tra le sue piastre a seconda della carica di 1 coulomb.

1 Farad è un condensatore di valore molto grande da utilizzare come componente elettronico generale. In elettronica, generalmente, viene utilizzata la capacità da microfarad a Pico farad. Microfarad è indicata come uF (1 / 1.000.000 Farad o 10 ^-6 F), nano farad come nF (1/1000000000 o 10 ^-9 F) e Pico Farad come pF (1 / 1.000.000.000.000 OR10 ^-12 F)

Se il valore diventa molto più alto, come mF a pochi Farad (generalmente <10F), significa che il condensatore può contenere molte più energie tra le sue piastre, quel condensatore è chiamato Ultra condensatore o Supercondensatore.

L'energia immagazzinata in un condensatore è E = ½ CV ² Joule. E è l'energia immagazzinata in joule, C è la capacità in Farad e V è la differenza di potenziale tra le piastre.

Costruzione di

Il supercondensatore è un dispositivo elettrochimico. È interessante notare che non ci sono reazioni chimiche responsabili di immagazzinare le sue energie elettriche.Hanno una costruzione unica, con una grande piastra conduttiva o un elettrodo, che sono strettamente situati con una superficie molto piccola. La sua costruzione è la stessa di un condensatore elettrolitico con un elettrolita liquido o umido tra i suoi elettrodi. Puoi conoscere diversi tipi di condensatori qui.

Il supercondensatore agisce come un dispositivo elettrostatico che immagazzina la sua energia elettrica come campo elettrico tra gli elettrodi conduttivi.

Gli elettrodi, rosso e blu, sono rivestiti a doppia faccia. Sono generalmente realizzati in carbonio grafite sotto forma di nanotubi di carbonio o gel o un tipo speciale di carboni attivi conduttivi.

Per bloccare il grande flusso di elettroni tra gli elettrodi e il passaggio dello ione positivo, viene utilizzata una membrana di carta porosa. La membrana di carta separa anche gli elettrodi. Come possiamo vedere nell'immagine sopra, la membrana di carta porosa si trova nel mezzo che è di colore verde. Gli elettrodi e il separatore di carta sono impregnati di elettrolita liquido. Il foglio di alluminio viene utilizzato come collettore di corrente che stabilisce il collegamento elettrico.

La piastra di separazione e l'area delle piastre sono responsabili del valore di capacità del condensatore. La relazione può essere indicata come

Dove, Ɛ è la permettività del materiale presente tra le piastre

A è l'area del piatto

D è la separazione tra le piastre

Quindi, in caso di supercondensatore, è necessario aumentare la superficie di contatto, ma c'è una limitazione. Non possiamo aumentare la forma fisica o le dimensioni del condensatore. Per superare questa limitazione vengono utilizzati tipi speciali di elettroliti per aumentare la conduttività tra le piastre aumentando così la capacità.

I supercondensatori chiamati anche condensatori a doppio strato. C'è una ragione dietro. Separazione molto piccola e ampia area superficiale utilizzando un elettrolita speciale, lo strato superficiale di ioni elettrolitici forma un doppio strato. Crea due strutture di condensatori, una per ciascun elettrodo di carbonio e denominata condensatore a doppio strato.

Queste costruzioni hanno uno svantaggio. La tensione ai capi del condensatore è diventata molto bassa a causa della tensione di decomposizione dell'elettrolita. La tensione dipende fortemente dal materiale elettrolitico, il materiale può limitare la capacità di immagazzinamento dell'energia elettrica del condensatore. Quindi, a causa della bassa tensione del terminale, un supercondensatore può essere collegato in serie per immagazzinare la carica elettrica a un livello di tensione utile. A causa di ciò, il supercondensatore in serie produce una tensione più alta del normale e in parallelo la capacità è aumentata. Può essere chiaramente compreso dalla seguente tecnica di costruzione di array di supercondensatori.

Costruzione Supercapacitor Array

Per immagazzinare la carica a una tensione utile richiesta, i supercondensatori devono essere collegati in serie. E per aumentare la capacità dovrebbero essere collegati in parallelo.

Vediamo la costruzione dell'array del supercondensatore.

Nell'immagine sopra, la tensione di cella di una singola cella o condensatore è indicata come Cv, mentre la capacità di una singola cella è indicata come Cc. La gamma di tensione di un supercondensatore va da 1V a 3V, i collegamenti in serie aumentano la tensione e più condensatori in parallelo aumentano la capacità.

Se creiamo l'array, la tensione in serie sarà

Tensione totale = Tensione cella (Cv) x Numero di righe

E la capacità in parallelo sarà

Capacità totale = Capacità della cella (Cc) x (Numero di colonne / Numero di righe)

Esempio

Dobbiamo creare un dispositivo di archiviazione di backup e per questo è necessario un super o supercondensatore da 2,5F con la classificazione 6V.

Se abbiamo bisogno di creare l'array utilizzando condensatori 1F con la classificazione 3V, allora quali saranno le dimensioni dell'array e le quantità dei condensatori?

Tensione totale = Voltaggio cella x Numero riga Quindi, numero riga = 6/3 Numero riga = 2

Significa che due condensatori in serie avranno una differenza di potenziale di 6V.

Ora, la capacità, Capacità totale = Capacità cella x (Numero colonna / Numero riga) Quindi, numero colonna = (2,5 x 2) / 1

Quindi, abbiamo bisogno di 2 righe e 5 colonne.

Costruiamo l'array,

L'energia totale immagazzinata nell'array è

I supercondensatori sono utili per immagazzinare energia e dove è necessaria una carica o scarica rapida. È ampiamente utilizzato come dispositivo di backup, dove è necessaria un'alimentazione di backup o una scarica rapida. Sono inoltre utilizzati in stampanti, automobili e vari dispositivi elettronici potabili.