Mientras sigue disminuyendo el coste de producción de supercondensadores (también llamados ultracondensadores), éstos siguen haciéndose con un hueco del mercado entre los condensadores convencionales y las baterías.

Si bien los supercondensadores exigen ciertos “cuidados”, están sustituyendo a las baterías en aplicaciones de almacenamiento de datos que necesiten una alimentación de respaldo de alta corriente y corta duración. Además se utilizan en diversas aplicaciones con picos altos de potencia y de tipo portátil que necesiten ráfagas de corrientes elevadas o respaldo momentáneo de la batería. Frente a las baterías, los supercondensadores proporcionan ráfagas de picos de potencia más alta en formatos más pequeños y su vida operativa es más larga en un rango más amplio de temperaturas de trabajo. Si se comparan con condensadores estándar cerámicos, de tantalio o electrolíticos, los supercondensadores ofrecen una mayor densidad de energía y una mayor capacidad para un tamaño y un peso similares. A todo ello hay que añadir que la vida operativa del supercondensador se maximiza reduciendo la tensión máxima del condensador y evitando altas temperaturas (>50°C).

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Resumen de supercondensadores frente a baterías:
•    Baterías:
•     Buena densidad de energía
•     Aceptable densidad de potencia
•     ESR alta a bajas temperaturas
•     Supercondensadores:
•     Aceptable densidad de energía
•     Buena densidad de potencia
•     Baja ESR, incluso a bajas temperaturas (x2 a –20°C respecto a 25°C)
•    Limitaciones de los supercondensadores:
•     Limitados a 2,5V o 2,75V máx.
•     Corriente de irrupción por inserción de batería demasiado alta
•     Sin protección frente a corriente inversa en aplicaciones de retención
•    Ventajas de los supercondensadores en serie:  
•    Aprovechan mejor la energía
•     E = 1/2 CV2
•    Simplifican los circuitos de último recurso / respaldo
•     Reductor frente a elevador para respaldo de 3,3V
•    Buenos para respaldo de alta potencia a temperaturas industriales
•    Problemas potenciales para los condensadores en serie:  
•    Supercondensadores con capacidades diferentes
•    Los desajustes por fugas de los supercondensadores pueden provocar sobretensión a lo largo del tiempo: las células necesitan un equilibrado continuo
•    La capacidad y la ESR del supercondensador se degrada a lo largo del tiempo y no siempre a la misma velocidad
•    La degradación del supercondensador se ve acelerada por sobretensión y altas temperaturas

Retos en el diseño con supercondensadores
Los supercondensadores ofrecen ventajas; sin embargo, cuando afrontan la carga de dispositivos de almacenamiento de energía en serie, el diseñador del producto final puede encontrarse problemas como el equilibrado de células, daños en las células por sobretensión durante la carga, un consumo excesivo de corriente y una solución de gran tamaño que ocupe mucho espacio cuando éste es escaso.

El equilibrado de células en condensadores conectados en serie asegura que la tensión en cada célula sea aproximadamente igual; la falta de equilibrado de células en un supercondensador puede provocar daños por sobretensión. La circuitería externa con una resistencia de equilibrado por célula es una solución a este problema. El valor de la resistencia de equilibrado dependerá de la temperatura de trabajo del supercondensador y del perfil de carga/descarga. Con el fin de limitar el impacto del consumo de corriente provocado por las resistencias de equilibrado en el almacenamiento de energía del supercondensador, los diseñadores pueden inclinarse por utilizar un circuito de equilibrado activo de muy baja corriente. El desajuste entre células también puede tener su origen en las diferentes corrientes de fuga. La corriente de fuga en las células del condensador empieza con un nivel bastante elevado y luego desciende a valores más bajos a lo largo del tiempo. Pero si la fuga es distinta para las diferentes células en serie, éstas pueden verse sometidas a una sobretensión tras la recarga a menos que el diseñador ataque la fuga con las resistencias de equilibrado. Sin embargo, las resistencias de equilibrado cargan el circuito de la aplicación de componentes no deseados y de corriente de carga.

Retos en el diseño con CI cargadores de supercondensadores
Entre los aspectos más complicados que debe valorar un diseñador al iniciar un proyecto de carga con supercondensador se encuentran estos requisitos:

•    Alta eficiencia y alta corriente de carga. Un cargador/equilibrador de supercondensador reductor-elevador (buck-boost) de alta eficiencia y alta corriente incluye todas las características y funciones necesarias para aprovechar las ventajas de los supercondensadores. Las soluciones discretas, cuando son posibles, resultan complicadas, de mayor tamaño, menor eficientes y menos precisas.
•    Alta precisión y capacidad de compartimiento de carga. La limitación de la corriente de entrada con una precisión del +/- 2% y el compartimiento de la carga de entrada permiten que varias cargas compartan toda la capacidad de la misma fuente de alimentación con un mínimo nivel de degradación/margen. Esta funcionalidad no es factible en la práctica con una solución discreta.
•    Equilibrado activo. Los sistemas con supercondensadores suelen utilizar en su mayoría equilibrado disipativo (resistencia). El equilibrado activo traslada la carga de manera eficiente entre los condensadores, eliminando las pérdidas de potencia y los correspondientes ciclos de recarga de los métodos disipativos.
 
Nuevas soluciones para sistemas de respaldo con supercondensadores
Una solución de carga basada en supercondensador con CI reductor-elevador que solucione los problemas señalados anteriormente debe reunir estas características:
•    Flexibilidad, ya que debe funcionar de forma eficiente en modos elevador o reductor
•    Puede llevar a cabo un equilibrio activo de la carga con la tensión máxima programable del condensador
•    Capaz de suministrar una elevada corriente de carga
•    Limitación programable y precisa de la corriente medio de entrada
•    Solución de pequeño tamaño y bajo perfil
•    Encapsulado avanzado para mejorar las prestaciones térmicas y la eficiencia de espacio

Cargador de supercondensador reductor-elevador LTC3128 con equilibrado activo
El LTC3128 es un cargador de supercondensador reductor-elevador con limitación de la corriente de entrada de alta eficiencia con equilibrado activo de la carga para 1 o 2 supercondensadores en serie. Incorpora limitación de la corriente media de entrada que se puede programar hasta 3A con una precisión del +/-2%, lo cual evita la sobrecarga de la fuente de alimentación y minimiza el tiempo de recarga del condensador. El equilibrado activo de la carga de alta eficiencia elimina las resistencias de balasto externas de disipación, asegurando así el funcionamiento equilibrado y la carga incluso con condensadores descompensados y con ciclos de recarga menos frecuentes. El ajuste programable de la tensión máxima del condensador monitoriza activamente y refuerza la tensión entre cada condensador dentro de la serie, asegurando un funcionamiento fiable ya que los condensadores envejecen y desarrollan desajustes de capacidad. La topología reductora-elevadora de bajo ruido permite cargar el supercondensador de salida tanto si su valor es mayor o menor que la entrada. Los interruptores síncronos de baja RDS(ON) y baja carga de puerta proporcionan una conversión de alta eficiencia para minimizar el tiempo de carga de los elementos de almacenamiento. Esta combinación de características hace que el LTC3128 sea ideal para cargar con seguridad y proteger grandes condensadores en aplicaciones de alimentación de respaldo. La Figura 2 muestra un circuito típico de aplicación de respaldo.

 
La limitación de la corriente de entrada del LTC3128 y la tensión máxima del condensador se programan mediante una única resistencia. La corriente media de entrada se controla de manera precisa dentro de un rango de programación de 0,5A a 3A y la tensión máxima de cada condensador se puede establecer entre 1,6V y 3,0V. Otras características del LTC3128 son su corriente en reposo <2μA funcionando con VOUT en modo ráfaga (Burst Mode®), indicadores precisos de señal correcta de alimentación y de fallo de alimentación y protección frente a sobrecarga térmica.

Carga eficiente
El LTC3128 utiliza un control PWM de la corriente media de entrada a frecuencia fija cuando carga el/los condensador/es de salida. Un algoritmo de conmutación propietario permite que el cargador vaya adoptando los modos reductor o elevador sin discontinuidad en las características de la corriente del inductor o el lazo. La topología del cargador reductor-elevador se puede ver en la Figura 3.

 
Dos interruptores (D y E) conectan SW2 a VOUT para proporcionar una elevada eficiencia en todo el rango de tensiones de salida. El LTC3128 alcanza una elevada eficiencia, superior al 90% tal como muestra el gráfico de la Figura 4.

 
Conclusión
El LTC3128 es un cargador de supercondensador CC/CC reductor-elevador controlado por la corriente media de entrada que utiliza un algoritmo de conmutación propietario que permite regular la salida a un nivel superior, inferior o igual a la tensión de entrada. El dispositivo consiste en una solución compacta, potente y flexible en un solo chip. Su capacidad para cargar el supercondensador en sentido elevador o reductor de manera efectiva y eficiente, además de proteger y equilibrar las células, simplifica enormemente una tarea que tradicionalmente ha resultado ser muy difícil. Para más información, visite www.linear.com/products/supercapacitor_chargers