Los supercondensadores se utilizan cada vez más en una amplia gama de aplicaciones. Con los avances tecnológicos, se han vuelto indispensables en los sistemas de recolección, procesamiento y almacenamiento de energía. Vale la pena explorar las aplicaciones y ofertas de supercondensadores de última generación, especialmente aquellos fabricados por proveedores de renombre.

Eaton Electronics está entre los principales proveedores de supercondensadores. Su gama de productos incluye docenas de series, diseñadas en varios formatos (desde miniaturas hasta módulos diseñados para vehículos comerciales). La empresa ofrece tanto componentes fabricados con tecnologías "clásicas" como soluciones innovadoras y patentadas desarrolladas en sus laboratorios. Este portafolio abre un abanico de posibilidades para diseñadores y fabricantes de dispositivos eléctricos/electrónicos. A continuación, proporcionamos una visión general de los supercondensadores de Eaton disponibles en nuestro catálogo, junto con posibles aplicaciones y soluciones de diseño recomendadas por el proveedor.

Este artículo cubre temas como:

• Diferencias constructivas entre tipos de supercondensadores
• Componentes de la serie Eaton y sus características
• Ventajas de las soluciones híbridas
• Supercondensadores para dispositivos IoT y aplicaciones relacionadas
• Condensadores diseñados para circuitos de alta potencia
• Mejores prácticas en el uso de supercondensadores
• Métodos de balanceo para paquetes de suministro de energía
• ¿Para qué se utilizan los supercondensadores en sistemas IoT y LoRa?
• Extensión de la vida útil de las baterías en vehículos eléctricos

Series de Supercondensadores y Características de Eaton

La principal fortaleza de las ofertas de supercondensadores de Eaton radica en su diversidad. Esto es evidente en varios aspectos: el portafolio incluye componentes con capacitancias, tamaños y, por consiguiente, propósitos variados. Además, Eaton ha asegurado características diversificadas en sus productos, incluyendo tipos de baja ESR, componentes clasificados para voltajes elevados, amplia tolerancia térmica (-40...+85), y más.

División Basada en Características Estructurales

La composición del electrolito utilizado en los supercondensadores impacta significativamente en su rendimiento. Las ofertas de Eaton pueden dividirse en varios grupos basados en estos criterios, incluyendo tres descritos a continuación y soluciones híbridas, que se cubren en una sección separada.

Carbonato de Propileno

Utilizado en series como B, HB, KR y KW, el carbonato de propileno es un compuesto no inflamable, respetuoso con el medio ambiente y con excelentes propiedades térmicas que permiten su operación desde -25°C hasta 70°C. Estos condensadores no están sujetos a restricciones de transporte. Como desventaja, tienen un voltaje máximo de carga relativamente bajo de 2.5V.

Acetonitrilo

El acetonitrilo permite una capacitancia significativamente mayor (hasta un 80% más), voltajes de hasta 2.7V, y menor resistencia serie equivalente (ESR). Los componentes que utilizan este electrolito pueden tolerar temperaturas más bajas (tan bajas como -40°C). Sin embargo, emiten vapores tóxicos cuando se exponen al fuego, lo que lleva a algunas restricciones de uso. El acetonitrilo se utiliza en series como HV, XV, XL60 2.7V, XVM y XLM.

Formulaciones Propietarias de Eaton

Los supercondensadores de las series TV, XT y XL60 3.0V contienen electrolitos patentados que ofrecen un rendimiento óptimo. Estos componentes son ligeramente más caros pero proporcionan alta capacitancia, baja corriente de fuga, baja ESR, voltajes de hasta 3V y la mayor densidad de potencia disponible.

Resumen de la Serie Eaton

Para comprender mejor las diversas ofertas de supercondensadores de Eaton, es útil examinar la segmentación de sus componentes por series. Cada grupo no solo posee características de construcción únicas, sino que también está optimizado para aplicaciones específicas.

Supercondensadores Cilíndricos Estándar

En muchos circuitos, como convertidores y sistemas de estabilización de voltaje, los supercondensadores se utilizan principalmente por su alta capacitancia y baja ESR. Para estas aplicaciones, se requieren componentes en formatos cilíndricos estándar con tecnología de montaje a través de orificio (THT). Las series B, HB y HV representan los productos más típicos de Eaton en esta categoría.

B1010-2R5155-R
 Serie B

HB1840-2R5606-R
Serie HB

HV1325-2R7156-R
Serie HV

Los componentes de la serie B son adecuados para circuitos en sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), fuentes de alimentación conmutadas y sistemas de red. Para las series HB y HV, los clientes reciben componentes con valores de capacitancia más altos (hasta 110F) que son ideales para aplicaciones más exigentes, como sistemas de energía renovable (solar), transmisores de energía y, gracias a su baja corriente de fuga y rango de tolerancia térmica de -25°C a 85°C, medidores de gas y agua, así como otros dispositivos de medición o sensores equipados con módulos de comunicación inalámbrica.

Tecnología Híbrida

La tecnología de supercondensadores híbridos patentada por Eaton utiliza dos tipos de electrodos: uno construido como condensadores estándar y el otro similar a la tecnología de baterías. Esto resulta en características excepcionales del producto, incluyendo una vida útil de hasta 20 años en condiciones óptimas.

HS1016-3R8306-R
Serie HS

HSL1016-3R8306-R
   Serie HSL

Una característica esencial de los condensadores híbridos es su operación sin mantenimiento. Cuando se combinan con baterías tradicionales, sirven como una excelente fuente de energía para dispositivos remotos (sensores, medidores) debido a su baja corriente de fuga. Sus propiedades de baja ESR los hacen adecuados para circuitos que requieren energía significativa, como fuentes de alimentación de emergencia para equipos industriales y dispositivos médicos o sistemas de alarma.

Versiones de Bajo Perfil y Miniatura

Los supercondensadores son una fuente de energía adicional ideal para aplicaciones que requieren corriente relativamente alta en períodos cortos o intermitentemente. Esta característica se utiliza, por ejemplo, en dispositivos de Internet de las Cosas (IoT), donde el componente se carga con una pequeña corriente de celdas solares, generadores o baterías y luego se utiliza para alimentar un módulo RF, transmisor de señal, actuador u otros componentes de alta demanda energética.

KR-5R5H224-R
   Serie KR

KVR-5R0V155-R
  Serie KVR

KW-5R5C224-R
       Serie KW

Eaton ofrece condensadores de bajo perfil y formatos de celda de moneda para circuitos de respaldo IoT y RTC (así como los componentes en miniatura descritos a continuación). Operan a 5V o 5.5V DC, con capacidades que van desde 0.1F hasta 1.5F. Las patillas están diseñadas para montaje THT en un paso de 5mm o 10mm.

PHB-5R0V305-R
  Serie PB y PHB

PHV-5R4H505-R
  Serie PHV

PHVL-3R9V505-R
 Serie PHVL

PM-5R0V104-R
   Serie PM

Los supercondensadores compactos también están disponibles en formatos rectangulares, con capacitancia hasta 5F. Cabe destacar los modelos de la serie PHVL, que presentan la corriente de fuga más baja (solo 1µA) y un rango de tolerancia térmica de -40°C a 85°C. Estos impresionantes parámetros los hacen ideales para aplicaciones como la alimentación de relojes RTC y memoria volátil, así como respaldo/estabilización de corriente durante transiciones de fuente de energía en dispositivos recargables.

Capacitancia Mejorada y Voltaje de Operación

Los condensadores de las series XL60, XV y XB se distinguen por su alta capacitancia. Estos componentes están diseñados para aplicaciones de potencia y circuitos de alta corriente, como módulos de frenado regenerativo en vehículos de carretera (EVs, híbridos), arrancadores y circuitos de máquinas industriales, entre otros.

XL60-2R7308T-R
 Serie XL60 (pow. 1kF, 2,7V)

XV3560-2R7407-R
Serie XV (300…600F, 2,7V)

XB3585-2R5607-R
Serie XB (300…600F, 2,5V)

La mayor capacitancia disponible (3kF a 2.7V DC) se encuentra en la serie XL60. Estos son supercondensadores cilíndricos con terminales de tornillo, asegurando una resistencia de conexión mínima y, por lo tanto, capaces de entregar corrientes de muy alta intensidad. También presentan alta eficiencia (más del 98%). El fabricante los recomienda para las aplicaciones más exigentes, incluyendo maquinaria pesada (grúas, equipos de construcción y minería), así como camiones. Su alta capacitancia los hace adecuados para suprimir fluctuaciones de energía en circuitos de suministro de energía.

TV1020-3R0605-AP
   Serie TV (3V, 3,3…100F)

TVA1840-3R0606-R
   Serie TVA (3V, 25…100F)

En los condensadores de la serie TV, Eaton ha utilizado materiales diseñados para lograr la mayor densidad de potencia y capacitancia (hasta 100F) mientras elimina sustancias perjudiciales para el medio ambiente. Además, los componentes TVA son compatibles con AEC-Q200, lo que significa que son adecuados para su uso en la industria automotriz. Son particularmente útiles como fuentes de energía independientes o emparejadas con baterías tradicionales como fuentes de energía para sistemas de cierre centralizado y grabadoras. Su aplicación también se anticipa en estabilizadores para circuitos de boardnet, que alimentan componentes del vehículo (incluidos los vehículos más recientes con un sistema de 48V DC).

Paquetes XLR

Los supercondensadores XL60 descritos anteriormente se ofrecen en paquetes preparados de fábrica con la marca de la serie XLR. Un solo módulo puede estar diseñado para voltajes de 16.2V, 48.6V o 51.3V DC (dependiendo del modelo) y presentar un rango de capacitancia de 160F a 500F. Cada paquete está encerrado en una carcasa compacta con un circuito de balanceo que incluye protección contra sobretensión y térmica para los componentes. Estos productos están destinados a industrias como transporte de carga y público (carretera, ferrocarril, marino) y maquinaria pesada. Debido a la capacitancia combinada y los parámetros excepcionales de los condensadores XL60, este tipo de módulo puede reemplazar otros tipos de fuentes de energía, resultando en menores costos operativos, reducción de ruido y mayor estabilidad de los sistemas de energía.

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El paquete tiene conectores de tornillo de alta corriente y un cable de monitoreo.

Características Específicas y Consideraciones de Diseño

La aplicación de supercondensadores en circuitos requiere consideraciones similares a las de condensadores con capacitancias más pequeñas, pero estos componentes también se utilizan para almacenar reservas de energía más grandes durante períodos más largos. Esto conlleva restricciones adicionales que deben considerarse al diseñar circuitos y dispositivos.

Protección Básica del Paquete

Primero, el circuito debe asegurar que los condensadores estén protegidos contra voltaje de polaridad inversa, lo que significa que debe incluir diodos rectificadores para controlar el flujo de corriente.

Degradación Anticipada

Debido a su alto rendimiento y la degradación del electrolito en los supercondensadores, es esencial tener en cuenta el cambio en las características nominales de los componentes con el tiempo debido al envejecimiento y uso durante la fase de diseño. Naturalmente, los cambios de parámetros ocurren lentamente: para componentes de marca Eaton, esto debería considerarse en una perspectiva de 10 años. Por lo tanto, es aconsejable anticipar una reducción del 20% en la capacitancia y un aumento de ESR de 1.7 veces el valor inicial para aplicaciones como circuitos UPS o dispositivos médicos. Para controladores de máquinas industriales y fuentes de alimentación, la tolerancia debe establecerse en -30% de capacitancia y un aumento de ESR al doble, mientras que para sistemas automotrices (donde los condensadores están sujetos al uso más intensivo), una buena práctica sería asumir una reducción del 50% en la capacitancia y un aumento de ESR al triple.

Selección del Voltaje Apropiado

Varios factores, como la temperatura de operación, influyen en la degradación; sin embargo, el voltaje máximo al que operan los condensadores es el más impactante. La forma más efectiva de extender la vida útil de los componentes es mantener el voltaje por debajo de su valor nominal (idealmente alrededor del 85%) e implementar elementos de descarga para los condensadores cuando el almacenamiento de energía no sea necesario (por ejemplo, después de apagar una máquina).

Consideraciones Térmicas

Como se mencionó anteriormente, la alta temperatura también afecta la vida útil de los supercondensadores. Al diseñar el dispositivo objetivo, es importante considerar este fenómeno y posicionar los componentes de manera óptima desde una perspectiva térmica. Esto significa principalmente mantener los condensadores alejados de fuentes de calor típicas en el circuito, como transistores, amplificadores, bobinas, etc.

Conexión de Condensadores y Balanceo de Paquetes

Debido a sus características, los supercondensadores están limitados a voltajes relativamente bajos (típicamente 2.7V, hasta 3V como máximo). Dado que esto es insuficiente para la mayoría de las aplicaciones, los componentes se conectan en serie en paquetes. Aquí, se deben atender dos problemas principales. Primero, considerando la sensibilidad térmica mencionada, es crucial asegurar una distribución de temperatura uniforme entre los componentes. Esto previene la degradación prematura de cualquier elemento, lo que podría causar una falla de energía. El segundo problema es el balanceo del paquete, asegurando un nivel de carga/descarga uniforme para los condensadores dentro del paquete. Sin tal sistema, la vida útil de los condensadores en el paquete puede reducirse a tan solo 20–50% de su vida útil inicial.

Los métodos de balanceo se dividen en disipativos, que implican pérdida de energía controlada (incluyendo sistemas pasivos y activos), y métodos no disipativos (indirectos y directos), que utilizan circuitos complejos de regulación de voltaje como estabilizadores o convertidores. La elección de la solución depende no solo del deseo de extender la vida útil del paquete, sino también de factores como eficiencia de costos y capacidades de fabricación. A continuación se presentan las características clave de estos métodos.

• Balanceador pasivo mantiene la vida útil del condensador en 70–90%, lo que lo convierte en la solución preferida en sistemas con ciclos de carga-descarga poco frecuentes (al menos diarios) y temperaturas ambientales estables. Estos sistemas utilizan resistencias o diodos Zener conectados en paralelo con condensadores individuales en el paquete. Al usar diodos, considere enfriar los componentes. Las resistencias deben tener el valor más bajo posible, siempre que la corriente a través de ellas no exceda 10 veces la corriente de fuga nominal del condensador.
• Sistemas activos se basan en amplificadores operacionales, ofreciendo bajos costos de implementación. Son adecuados para paquetes donde la capacitancia de las celdas individuales no excede 100F. Eaton desarrolló y patentó un diseño propietario para tal balanceador (su esquema está disponible libremente para las partes interesadas), optimizado para su uso con los supercondensadores de la compañía. Además, Eaton ofrece una variante del diseño para paquetes de alta potencia que requieren componentes que excedan 100F.
• Métodos no disipativos a menudo requieren circuitos integrados dedicados. Muchos de estos productos están disponibles en el mercado, adaptados específicamente a las características de los supercondensadores. Presentan limitadores de voltaje que tienen en cuenta la temperatura ambiente y monitorean el desgaste de los condensadores individuales (por ejemplo, generando una señal que indica una reducción de capacitancia). Alternativamente, el balanceo de paquetes puede usar circuitos basados en reguladores de voltaje buck-boost.

Ejemplos de Aplicación

El texto menciona con frecuencia aplicaciones típicas de supercondensadores, resumidas aquí con ejemplos más detallados. Estas aplicaciones se dividen en dos categorías: circuitos que requieren alta potencia y aquellos donde el supercondensador sirve como una fuente de energía compacta.

Las aplicaciones de alta potencia incluyen principalmente dispositivos utilizados para recolección y entrega de energía en intervalos cortos. Ejemplos son arrancadores de motores, fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), sistemas de frenado regenerativo en vehículos eléctricos y circuitos de almacenamiento temporal en instalaciones de energía. Estos utilizan la capacidad del supercondensador para absorber y entregar rápidamente grandes ráfagas de energía. El segundo tipo de aplicación es casi lo opuesto: circuitos que operan con corrientes muy bajas (por ejemplo, sensores remotos) que a veces permanecen inactivos durante muchos días, despertando periódicamente para realizar tareas específicas (por ejemplo, transmitir datos, activar un servomecanismo, etc.). Aquí, el supercondensador actúa como una fuente de energía de apoyo.

Aplicaciones de Comunicación IoT

Los dispositivos remotos (por ejemplo, sensores de campo, medidores de agua/gas de lectura remota) deben incluir módulos de comunicación, al igual que los circuitos IoT donde la transmisión de datos es una función principal. Usando tecnología Bluetooth o WiFi, los supercondensadores pueden no proporcionar beneficios significativos; sin embargo, estos estándares tienen limitaciones. El primero tiene un alcance corto (hasta unos pocos metros), mientras que el segundo requiere circuitos constantemente alimentados a cientos de miliamperios, lo que no es óptimo para muchas aplicaciones. Por lo tanto, se utilizan soluciones alternativas como LoRa (es decir, Long Range) y NB (Narrow Band). Estas tecnologías permiten la transmisión periódica de datos (por ejemplo, una vez al día) a largas distancias. Como resultado, los dispositivos de transmisión permanecen en modo de suspensión la mayor parte del tiempo, despertando solo para recopilar datos (lecturas de sensores, geolocalización, etc.) o enviarlos a un dispositivo de supervisión.

En tales proyectos, combinar baterías con supercondensadores ofrece claras ventajas: la celda proporciona dosis de energía muy pequeñas (50μA) para mantener la operación del circuito (durante períodos de incluso varios años, como en medidores de agua). Mientras tanto, el condensador alimenta únicamente el módulo de comunicación, asegurando alcance máximo. Esta configuración tiene varios beneficios: puede operar en temperaturas muy bajas (los supercondensadores tienen una tolerancia térmica más amplia). Reducir la carga de la batería (a menudo en forma de una sola celda o batería de botón) extiende su vida útil (no solo los ciclos de carga). Además, si la energía se agrega utilizando, por ejemplo, pequeñas celdas fotovoltaicas, cargar una batería de iones de litio requeriría un convertidor controlador de carga, mientras que un circuito análogo para supercondensadores es mucho más simple e introduce menos pérdidas.

Vida Útil Extendida del Paquete EV

Las instalaciones de investigación en Eaton permitieron a la compañía realizar estudios extensos sobre el desarrollo del transporte basado en vehículos eléctricos. El enfoque estaba en los beneficios esperados de reemplazar el sistema de energía "clásico", utilizando únicamente baterías de iones de litio (o celdas de combustible de hidrógeno), con una solución híbrida que combina un paquete de celdas con un paquete de supercondensadores. Mientras que el primero está diseñado para alta densidad de energía (es decir, capacidad), el segundo sobresale en alta densidad de potencia. La solución óptima, por lo tanto, implica extraer energía de ambas fuentes, dependiendo de los parámetros de operación del motor: las baterías proporcionan corriente durante el movimiento constante o la aceleración suave, mientras que los supercondensadores asisten durante cambios bruscos de velocidad (suministrando o almacenando eficientemente energía del sistema de frenado regenerativo). Los especialistas de Eaton concluyeron que la vida útil proyectada de 4 años de las baterías utilizadas en vehículos comerciales (furgonetas y máquinas utilitarias como montacargas) podría duplicarse empleando un sistema de energía híbrido. Además, esto reduciría el tamaño del paquete de baterías, lo que a su vez resultaría en reducción de peso del vehículo y costos operativos (o mayor rentabilidad en el caso de vehículos de transporte).

Artículo cedido por Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.