VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Jan Coufal

Transkript

1 VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2013 Jan Coufal

2 VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky Superkapacitory v komerční elektronice Supercapacitors in Commercial Electronics Devices 2013 Jan Coufal

3

4 Poděkování Děkuji vedoucímu práce Ing. Tomášovi Pavelkovi, Ph.D. za rady a připomínky k textové a praktické části práce. Dále bych mu chtěl poděkovat za poskytnutí prostředků pro změření a následnou výrobu praktického zapojení této bakalářské práce. Prohlášení studenta Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně. Uvedl jsem všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsem čerpal. ve Velké Polomi, dne

5 Abstrakt Hlavním cílem této práce je poukázat na základní vlastnosti superkapacitorů a srovnat je s ostatními prvky, které jsou schopny akumulovat elektrickou energii. Další část je zaměřena na potenciální použití superkapacitorů v různých oblastech komerční elektroniky a na konkrétní výrobky obsahující superkapacitory, jež jsou již běžně dostupné na trhu. Praktická část práce spočívá v návrhu a konstrukci zapojení, které umožní ověřit některé vlastnosti uvedeny v této práci. Klíčová slova Superkapacitor, kapacita, ESR, nabíjení, vybíjení, pokles napětí Abstract The main goal of this thesis is to show the basic characteristics of the supercapacitors and to compare them with other devices, which are able to accumulate electrical energy. Another part focuses on the potential use of the supercapacitors in various areas of commercial electronics and on specific products containing supercapacitors, which are already currently available on the market. The practical part consists in the design and construction of circuit, which can prove some of the properties stated in this thesis. Keywords Supercapacitor, capacity, ESR, charging, discharging, voltage drop

6 Obsah 1 Základní vlastnosti superkapacitorů Struktura superkapacitorů Elektrody superkapacitoru Elektrolyt Separátor Parametry superkapacitorů Napětí na superkapacitorech Hustota energie Měrný výkon ESR Nabíjení superkapacitoru Vybíjení superkapacitoru Životnost superkapacitoru Srovnání parametrů Použití superkapacitorů Datové přenosy Digitální fotoaparáty Zlepšení výkonu reproduktorů v mobilních telefonech Zamezení ztráty dat Zařízení obsahující superkapacitory Myš Genius DX-Eco Bezdrátový šroubovák Hračky Praktická část Nabíjení superkapacitorů Spínání zátěže Závěr Seznam použité literatury.33 Seznam příloh

7 Úvod Kapacitory jsou elektrotechnické součástky sloužící k uchovávání elektrické energie a jejímu následnému vybití. Tato schopnost je využita v elektrických obvodech pro mnohé účely jako zdroj energie, filtrace rušivého napětí, časovače atd. V dnešní době existují tři základní typy kapacitorů. Kapacitory elektrostatické, elektrolytické a superkapacitor. Mezi elektrostatické kapacitory se řadí kapacitory keramické a svitkové. Jejich využití je především v aplikacích pro střední a vysoké frekvence. Elektrolytické se využívají pro nízkofrekvenční aplikace. Právě superkapacitory mají ze všech uvedených typů nejlepší schopnost pojmout za krátkou dobu mnohonásobné množství energie nežli klasické kapacitory, a následně ho znovu vybít do obvodu. Prokazují v určitých aplikacích dokonce lepší vlastnosti a parametry nežli akumulátory elektrické energie. A to vše díky své specifické dvouvrstvé struktuře a technologii výroby. Tato technologie se poprvé objevila v 60. letech minulého století, kdy se vědci domnívali, že díky poréznímu uhlíku na elektrodách může mít zařízení vysokou kapacitu elektrického náboje. Výzkum pokračoval v roce 1966 ve společnosti Standard Oil of Ohio, která jako první patentovala součástku podobných rysů, jako je dnešní kapacitor. První společnost, která představila světu součástku pod názvem superkapacitor, byla japonská společnost NEC. Superkapacitor té doby neměl zdaleka takové parametry jako kapacitory vyráběné v dnešní době. Zejména parametr ESR, který měly kapacitory té doby daleko vyšší než nynější. S postupem času a pokrokem vědy dosáhly superkapacitory vynikajících vlastností. V posledních 10 letech se začínají čím dál více používat pro nejrůznější aplikace, které budou nastíněny v následujících kapitolách této bakalářské práce. Budoucnost těchto součástek je otevřená, neboť svými vlastnostmi zapadají právě mezi klasické kondenzátory a nabíjecí akumulátory. Proč a čím se navzájem liší bude vysvětleno v následujících kapitolách. 7

8 1 Základní vlastnosti superkapacitorů Vlastnosti superkapacitorů jsou obecně srovnávány s vlastnostmi ostatních součástek schopných uložit elektrickou energii, nejčastěji s tradičními kondenzátory, bateriemi a akumulátory. Ne ve všech oblastech je superkapacitor nejvýhodnější a má nejlepší vlastnosti. Mezi typické vlastnosti patří proces nabíjení a vybíjení, provozní parametry aj. Pro lepší představu a pochopení jednotlivých parametrů superkapacitorů se obvykle uvádí ekvivalentní obvod superkapacitoru, který je zobrazen na obr.(1.1) Obr.1.1: Ekvivalentní obvod superkapacitoru [7],kde R sériový odpor ESR c L sériová indukčnost c R p C paralelní rezistor reprezentující unikající proud kapacitor Ve skutečnosti se však tento model komplikuje díky pórovitému materiálu nesoucím elektrický náboj, ze kterého jsou vyrobeny elektrody kapacitoru. Proto si můžeme tento model rozložit na obrovské množství paralelně seřazených kapacitorů spolu se sériovými odpory. Obr.1.2: Náhradní schéma superkapacitoru [8] Jak už bylo uvedeno v úvodu, superkapacitory jsou schopny za malý časový okamžik (řádově sekundy) pojmout velké množství elektrické energie. Toto množství se pohybuje v jednotkách 10 6 F. 8

9 Aby měl kapacitor vysokou kapacitu, musí být jeho obsah elektrod značný, a naopak vzdálenost mezi elektrodami co nejmenší. Superkapacitory fungují na principu elektrochemické dvojvrstvy, a proto se také nazývají electric Double layer capacitor neboli EDLC. Tato technologie spočívá v použití elektrod na bázi uhlíku, vodního nebo organického elektrolytu a separátoru poskytující elektrickou izolaci mezi elektrodami. Obr.1.3: Řez superkapacitorem [2] 1.1 Struktura superkapacitorů Elektrody superkapacitoru Na elektrodách potažených z vnější strany nejčastěji hliníkem je tedy nanesen aktivní uhlík, který v sobě obsahuje póry velikosti řádově desítek nm. Díky této vlastnosti dosahuje plocha elektrody 2000 až 2500m 2 /g, což je obrovský úložný prostor na nakumulovaný náboj. Po nabití superkapacitoru ionty difundují v elektrolytu přes separátor do pórů uhlíku v opačné elektrodě. Díky více výrobním postupům aktivního uhlíku a jeho relativně nízké ceně se na elektrody tento uhlík nanáší nejčastěji. To ale není jediná forma uhlíku, která se na elektrody může aplikovat. Jako další nejčastější se používají uhlíkové aerogely. Ty se skládají ze spojité sítě vodivých celulózových uhlíkových nanočástic. Ty jsou pak potažené organických aerogelem, což je materiál s nízkou hustotou získaný z gelu náhradou kapalné složky vzduchem. Uhlíkový aerogel poskytuje povrchovou plochu od 400 do 1000m 2 /g a vykazuje nižší ESR nežli aktivní uhlík. Jako nejperspektivnější materiál pro elektrody EDLC je použití uhlíkových nanotrubic. Struktura nanotrubic na elektrodě připomína rohožku, kde jsou všechny trubice propojeny a zapleteny, a tím se dosahuje rovnoměrné rozložení náboje na celé elektrodě. V porovnání s elektrodami obsahující aktivní uhlík mají tyto elektrody daleko menší plochu. Naakumulovatelný náboj je ale téměř totožný díky prostorám uvnitř trubic, které funguji jako 9

10 dielektrikum. A jako hlavní výhoda je daleko nižší ESR v porovnání s aktivním uhlíkem. Struktura a velikost jednotlivých trubic je zobrazena na obrázku. [2] [4] Elektrolyt Obr.1.4: Zobrazení nanotrubic [9] Elektrolyt je další důležitou částí struktury superkapacitoru, neboť ve většině případů rozhoduje svými fyzikálními a elektrochemickými vlastnostmi o velikost vnitřního odporu ESR. Je to tekutina složená z rozpouštědel, v níž jsou rozpuštěny ionty. Tato rozpouštědla musí být chemicky stabilní z důvodu opakovaného vybíjení a nabíjení superkapacitoru. Nevýhodou je však jejich maximální provozní napětí, pod kterým může superkapacitor pracovat. Zpravidla se jedná o napětí v rozmezí 1,1 až 2,7V podle druhu používaného elektrolytu. Při vyšším napětí začínají v elektrolytu probíhat chemické reakce. V dnešních superkapacitorech se vyskytují dva typy elektrolytů, a to buď na bázi vody anebo organických sloučenin. Porovnání vlastností je v následující tabulce: Tab.1: Porovnání vodních a organických elektrolytů [5] Vodní Organický Možné napětí na jednom článku 1V 2,7V Náročnost na výrobu Jednoduchý Náročný Vyrovnávací obvod Většinou není vyžadován Je nutný Svodový proud Nízký Díky stabilizačnímu obvodu podstatně vyšší Výhodnými vlastnostmi vodních elektrolytů v porovnaní s organickými jsou menší ESR, rychlejší schopnost nabíjení, odolnost vůči okolním nepříznivým podmínkám zejména vůči vlhkosti vzduchu. V případě, že by nebyl organický superkapacitor dostatečně utěsněn, a nebyl v suchých podmínkách, mohlo by i stopové množství vody v jeho elektrolytu snížit jeho výkon. 10

11 Podstatná nevýhoda je ovšem menší maximální napětí na kondenzátoru, které u vodních elektrolytů dosahuje pouze 1V, kdežto u organických elektrolytů 2,3 až 2,7V. [5] [3] Separátor Separátor zamezuje vzniku kontaktu mezi oběma elektrodami, a tak zabraňuje případnému zkratu. Avšak musí být schopný propouštět ionty, a tedy přenášet elektrický náboj. Na separátor se kladou následující nároky. Musí mít vysoký elektrický odpor, vysokou iontovou propustnost a minimální tloušťku. Tloušťka separátorů se pohybuje v jednotkách nm. Pro superkapacitory s organickým elektrolytem se používají polymerové a papírové separátory. Pro superkapacitory s elektrolyty na vodní bázi zase keramické nebo se skelnými vlákny. 1.2 Parametry superkapacitorů Napětí na superkapacitorech Jak už bylo v kapitole o elektrolytech zmíněno, na superkapacitorech je maximální napětí 2,7 V. Při vyšším napětí začnou v elektrolytu probíhat chemické reakce, a tím se rapidně sníží životnost superkapacitoru (viz.1.2.7). Pro dosažení vyššího napětí se využívá sériové zapojení superkapacitorů, pomocí kterého se sice zvýší napětí takto zapojeného řetězce, ale sníží se jeho celková kapacita. Navíc se musí zabezpečit rovnoměrné rozložení napětí na jednotlivých článcích, aby nedošlo k přepětí na jakémkoliv článku. To pak může vést opět ke snížení životnosti superkapacitorů nebo v nejhorším případě ke zničení celé součástky. Rovnoměrné rozložení napětí na superkapacitorech se zajišťuje buďto standardním zapojením, jako je odporový dělič, nebo zenerovou diodou zapojenou přes jednotlivé kapacitory. V praktické části této bakalářské práce se pro vyrovnání napětí na kapacitorech použil operační zesilovač ve funkci sledovače napětí. Tímto se dosáhne rovnoměrného rozložení energie na všech kapacitorech v sérii. Příklad vyráběných kapacitorů v sérii. Modul BMOD 0083 od společnosti Maxwell má kapacitu 83F při maximálním dosaženém napětí 51V. ESR u tohoto modulu má hodnotu 10mΩ a výrobce garantuje životnost přes milion nabíjecích/vybíjecích cyklů. Pro hybridní pohody nejvyšších výkonů je určen modul BMOD0063 P125 B04/B08. Má kapacitu 63F při maximálním dosaženém napětí 136V. ESR u tohoto modulu má hodnotu 18mΩ a výrobce garantuje opět životnost přes milion nabíjecích/vybíjecích cyklů. [15] 11

12 1.2.2 Hustota energie Hustota energie je důležitým parametrem a znamená množství uložené energie na jednotku hmotnosti. V tomto ohledu jsou superkapacitory pozadu oproti akumulátorům i bateriím. Pro superkapacitor je typická hodnota hustoty energie v rozmezí 5-30 Wh/kg, přičemž hodnota 30 Wh/kg byla nejvyšší naměřená hodnota v roce V dnešní době se v laboratořích testují graphenové superkapacitory, které dosahují hodnoty energie až 86 Wh/kg při pokojové teplotě, a hodnoty 136 Wh/kg při teplotě 80 C. Takové superkapacitory již mohou konkurovat NiMH bateriií, které mají energii rovnu Wh/kg. Avšak vlastností Li-on baterií stále nedosahují. Porovnání této veličiny akumulátorů, baterií a superkapacitorů je v tabulce č.2 a na obrázku č Měrný výkon Tato veličina existuje pro porovnávání schopnosti dodat výkon daného prvku na jednotku jeho hmotnosti. V tomto směru superkapacitor jasně dominuje jak nad akumulátorem, tak nad bateriemi jakéhokoliv typu. Standardní měrný výkon superkapacitoru dosahuje hodnot v rozmezí kw/kg, což je mnohonásobně vyšší hodnota než u obou zmíněných prvků. Proto je superkapacitor tak hojně používán pro bleskové využití jeho naakumulované energie. Porovnání tohoto parametru akumulátorů, baterií a superkapacitorů je taktéž v tabulce č.2 a na obrázku č.1.5. Obr.1.5: Hustota energie a měrný výkon prvků schopných akumulovat elektrickou energii [2] 12

13 1.2.4 ESR ESR (Equivalent Series Resistence, v překladu ekvivalentní sériový odpor superkapacitorů ) si lze představit jako odpor zapojený v sérii s ideálním superkapacitorem. I přes mnohé úspěchy v oblasti snižování tohoto odporu je snaha tuto negativní vlastnost superkapacitorů neustále zmenšovat. ESR nepříznivě ovlivňuje maximální výkonové využití superkapacitoru, a zároveň zamezuje dosažení maximální výkonové hustoty. Dále má na jeho hodnotu vliv druh elektrolytu, jak bylo zmíněno v kapitole ESR se dá snadno vypočítat pomocí vzorce (6) použitého v praktické části této bakalářské práce. Logicky lze také vyvodit, že odpor zátěže připojený v sérii s odporem ESR omezuje velikost proudu protékajícím obvodem, a tedy množství proudu tekoucího z superkapacitoru při jeho vybíjení. Na obr. č. (1.6) je zobrazena závislost hodnoty odporu ESR a kapacity již uvedeného modulu superkapacitorů BMOD 0083 od společnosti MAXWELL. Z průběhu je zřejmé, že hodnota odporu stoupá se snižující se teplotou. Při teplotě -40 C je téměř dvojnásobná oproti hodnotě při 25 C. Je-li tedy při pokojové teplotě hodnota ESR tohoto modulu 10mΩ, při teplotě -40 C bude mít hodnotu 17,5mΩ. Kapacita při teplotě -40 C klesne zhruba o 5% oproti pokojové teplotě, sníží se tedy z hodnoty 83F na 79F. [10] Obr.1.6: Graf závislosti změny ESR a kapacity superkapacitoru na teplotě [10] 13

14 Závislost ESR v závislosti na frekvenci je zřejmá z charakteristiky superkapacitorů BESTCAP od společnosti AVX. Do frekvence 1Mhz se ESR zvolně snižuje, od frekvence 1Mhz narůstá. Obr.1.7: Graf závislosti změny ESR superkapacitoru na frekvenci [11] Nabíjení superkapacitoru Nabíjení superkapacitorů se v mnohém podobá nabíjení klasických kapacitorů na rozdíl od nabíjení baterií. To proto, že se při nabíjení superkapacitorů musí počítat s problémy, které se u baterií nevyskytují. Hlavní výhodou baterií v tomto směru je, že na nich většinou při začátku nabíjení není nulové napětí. A i kdyby bylo, stačí jen malé množství náboje, abychom po odpojení nabíječky naměřili na baterii velký zlomek napětí naprázdno. Kondenzátory často začínají na 0V a po připojení svorek zdroje se chovají jako zkrat. Není vhodné nabíjet superkapacitory konvenčními nabíječkami baterií kvůli nízké efektivitě nabíjení. Při nabíjení vznikají velké energetické ztráty, zejména při velkém rozdílu napětí mezi superkapacitorem a zdrojem. Nejlepšími nabíječkami superkapacitorů se používají napěťové měniče řízené pulsněšířkovou modulací PWM, které zaručí rychlé nabití superkapacitorů bez zbytečných ztrát. Tyto nabíječky jsou vybaveny obvodem pro soft-start, které omezí počáteční hranu napětí při začátku nabíjení. Nabíjecí charakteristiky z praktické části bakalářské práce na obrázcích 3.1. a [7] [16] 14

15 1.2.6 Vybíjení superkapacitoru Jednou z nejnepříjemnějších vlastností superkapacitorů je schopnost se samovybíjet kvůli svodovému proudu. Samovybíjení superkapacitoru je podstatně vyšší než u klasického kondenzátoru a elektrochemické baterie, kde se tento jev vyskytuje taktéž. K tomuto jevu dochází, když není kapacitor zapojen v elektrické síti, která by mu mohla dodávat elektrickou energii. Mezi elektrodami nabitého kapacitoru je velký rozdíl potenciálů, který se přirozeně snaží vyrovnat. Díky extrémně tenké vrstvě separátoru a obrovskému rozdílu potenciálu mezi elektrodami je proto samovybíjení superkapacitoru daleko rychlejší než u klasických baterií. Svodový proud nejčastěji vzniká chemickými reakcemi nečistot v materiálu tvořící elektrody, je tedy žádoucí, aby byl materiál co nejčistší. Svodový proud není vždy konstantní. Po nabití superkapacitoru exponenciálně klesá, až se nakonec ustálí na rovnovážné hodnotě, závisící na kapacitě kondenzátoru, napětí a čase. Velikost svodového proudu v závislosti na čase je zobrazen na obrázku 1.8, na obrázku 1.9 je pak zobrazen pokles napětí v čase dvou superkapacitorů s různými kapacitami. Průměrný pokles energie superkapacitoru je zhruba 50 až 100% v rozmezí dní. Niklové baterie ztratí za dobu jednoho měsíce 10 až 15% energie, zatímco Li-on baterie dokonce jen 5%. [1] Obr.1.8: Graf závislosti svodového proudu superkapacitoru na čase [12] 15

16 Obr.1.9: Graf poklesu napětí superkapacitoru v závislosti na čase [13] Životnost superkapacitoru Superkapacitor může být nabit takřka nesčetněkrát. Jak už bylo řečeno, výrobce garantuje životnost superkapacitoru u některých typů dokonce po nabíjecích/vybíjecích cyklů. Životnost superkapacitoru je definována poklesem původní kapacity ze 100% na 80%, nebo nárůstem ESR o 100%. Standardní životnost superkapacitoru při pokojové teplotě je zhruba 10 let. Doba je ovlivněna zejména aplikovaným napětím na superkapacitoru a okolní teplotou, ve které superkapacitor pracuje. Čím je napětí a teplota vyšší, tím rychleji se superkapacitor opotřebí. Při opakovaném vybíjení a nabíjení se zvýši teplota superkapacitoru o 15 C. Při návrhu aplikace se musí zabránit přehřátí superkapacitoru, jehož maximální pracovní teplota je 85 C. Závislost životnosti na okolní teplotě při různých napětích na superkapacitoru je zřejmá z obrázku č [17] 16

17 Obr.1.10: Graf závislosti životnosti superkapacitoru na teplotě a na velikosti napětí, na kterou je nabit [14] 1.3 Srovnání parametrů Tab.2:Srovnání parametrů akumulátorů, klasických kondenzátorů, Li-on baterií a superkapacitorů [17] Parametr Hustota energie [Wh/kg] Měrný výkon [kw/kg] Doba nabíjení (vybíjení) Životnost (cykly) Akumulátor Klasický kondenzátor Li-on baterie Superkapacitor 100 0, , h 0,001s min 10 s

18 2 Použití superkapacitorů V posledních letech jsou superkapacitory nejčastěji spojovány s automobilovým průmyslem, protože se využívá jejich schopnosti rychle se nabít a vybít za krátký čas. Kinetická energie nepřijde při brždění automobilu nazmar a slouží k následné přeměně na elektrickou energii, pomocí které se superkapacitor nabije. Ta pak slouží k pohánění elektromotoru a pomáhá automobilu akcelerovat. Dále se využívá energie v superkapacitorech pro startování motorů, pro plynulý rozjezd automobilu atd. Superkapacitory však nenalézají uplatnění pouze v této oblasti, použití superkapacitorů v komerční elektronice má také obrovskou budoucnost, neboť člověk používá stále více přenosných zařízení vyžadující mobilní zdroj elektrické energie. Zařízení jako laptopy, hodinky, hračky a v poslední době mobilní telefony typu smartphone jsou v drtivé většině napájeny chemickými bateriemi typu Li-on. Rozdíly mezi superkapacitory a zmíněnými bateriemi jsou zmíněny v tabulce v předešlé kapitole. I když superkapacitory zatím nijak zvlášť nepronikly do této oblasti komerční elektroniky, stávají se potenciální náhradou za tyto baterie díky svým jedinečným vlastnostem. Můžeme se dočkat doby, kdy se s bateriemi v určitých výrobcích vůbec nesetkáme. Důkazem toho je myš Genius DX-Eco, která je rozebrána v kapitole V jiných zařízeních se superkapacitory uplatňují jako zásobník energie pro poskytování špičkového výkonu, která baterie nebude schopna v tak malém časovém okamžiku dodat. Dále jako záložní zdroj elektrické energie pro přenosné elektrické zařízení a zejména pro technologii datových přenosů. Další výhodou zařízení se superkapacitory je bezproblémová funkčnost v nepříznivých podmínkách. Narozdíl od baterií jsou odolné vůči vibracím, které se u baterií projevují nestabilním napětím, což může zapříčinit ztrátu dat. Zejména mohou operovat ve velkém teplotním rozsahu. U většiny superkapacitorů je jejich funkčnost 100% garantována v rozsahu -25 C až 45 C. Poměrně zásadní nevýhodou je zatím vyšší cena v porovnání se zaběhlými Li-on bateriemi. To se však určitě v budoucnu změní. [18] Obrázek č.2.1 dokazuje, že je rozmach superkapacitorů teprve v počátcích. Zobrazuje procentuální podíl prodeje baterií, nabíjecích baterií a superkapacitorů na trhu v předpovědi pro rok

19 Obr.2.1: Výsečový graf zobrazující použití klasických baterií, nabíjecích baterií a superkapacitorů [19] 2.1 Datové přenosy Dnešní dobu můžeme označit jako dobu internetu a všeobecného přenosu dat mezi zařízeními typu PC, notebooků a v neposlední řadě i mobilních telefonů. Jako nejrozšířenější systém pro mobilní datovou komunikaci je systém GSM (francouzsky Groupe Spécial Mobile ), kterou vlastní více než polovina lidí na Zemi. Technologie GSM se dělí podle vývoje na stupně EDGE, GPRS a nejnovější UMTS. Jak už bylo řečeno, tyto datové technologie využívají zařízení od stolních PC až po mobilní telefony mající omezenou výdrž baterie a také jsou omezeny jejími vlastními parametry. Čím více se tyto datové přenosy zdokonalují a stávají se stále rychlejšími, nastává problém s jejich přenosem. Technologie datových přenosů využívá k přenosu dat pulsy energie generované v malém časovém rozmezí. Standardní baterie, které využívají mobilní zařízení, mají v porovnání se superkapacitorem podstatně vyšší vnitřní odpor, a jsou tedy nevhodné pro dodání potřebně velkého pulsu proudu, aniž by nějak výrazně kleslo napětí na baterii. Další nevýhodou je, že při vytvoření vysokého pulsu proudu už baterie nebude schopna tento puls z důvodu úbytku jejího napětí zopakovat. Kombinace superkapacitoru spolu s baterií by tyto problémy vyřešila. Superkapacitor by byl po nabití baterií schopen dodat potřebný puls energie čímž by nedošlo k poklesu napětí na baterii. Navíc by byl schopen dodávat větší špičky energie než by byla schopna baterie samotná a v neposlední řadě by prodloužil její výdrž. Standardní baterie Li-on dokáže vytvořit bez problému puls 1A, ovšem typický puls GPRS dosahuje až 2A. Tento puls je schopna baterie vytvořit také, ovšem za cenu velkého poklesu jejího napětí. 19

20 Standardně: U-pokles napětí na baterii V R-vnitřní odpor baterie I-proud tekoucí obvodem A U R. I 0,25.2 0, 5V (1) Přenos dat GPRS lze rozdělit do několika tříd podle rychlosti a množství přenesených dat. Pro třídy 3 až 8 je typická doba pulsu necelých 0,6ms. Puls o amplitudě 2A je schopen vytvořit tantalový kapacitor. V případě tříd 10 a vyšších jsou pulsy dlouhé více než 1ms. Takové množství energie již tantalový kapacitor není schopen dodat. Proto ho musí dodat baterie s výše uvedenými napěťovými ztrátami. Použitý superkapacitor by byl schopen tento puls dodat bez jakýkoliv problémů a byl by dobit baterií za dobu 4ms během přijímací fáze přenosu, kdy není nutné vyvinout proudovou špičku. Princip významu superkapacitoru je zřejmý z obrázku v praktické části č.3.3., kde na nich dochází při proudovém pulsu 2,6A jen k nízkém úbytku napětí. Prodloužení životnosti baterie lze konkrétně vidět na grafu na obrázku 2.3, kde se porovnávala výdrž baterie bez a se superkapacitorem. Prahové napětí určující vybití baterie bylo stanoveno na 3,3V. Z grafu je zřejmé, že během přenosu došlo v baterii při každém pulsu 2A k poklesu napětí o 0,5V, což nakonec vedlo k překroční hranice 3,3V po 15 minutách souvislého přenosu, přitom v baterii zůstalo mnoho nevyužité energie. Při použití superkapacitoru došlo při proudových pulsech k poklesu napětí pouze o 150mV a přenos trval 36 minut, což je 140% zlepšení. [20] [21] Obr.2.3: Graf závislosti poklesu napětí na čase [ 20] 20

21 2.2 Digitální fotoaparáty Digitální fotoaparáty vlastní mnoho uživatelů. V dnešní době se jejích používání rozšířilo díky tomu, že jsou součástí téměř každého mobilního telefonu. Fotoaparáty mají náročné energetické požadavky a proudový odběr už při samotném zapnutí, při optickém ostření, snímání a zejména při focení s bleskem. V podstatě se jedná o podobný problém jako v předchozí kapitole, kdy je baterie nucena vytvořit velkou proudovou špičku, a nastane na ní velký úbytek napětí. To může zapříčinit vypnutí celého přístroje i ve chvíli, kdy baterie není zcela vybita, a je v ní obsaženo ještě dostatek zbytkové energie. Mnoho mobilních telefonů používá LED diody pouze k funkčnímu nasvícení. To znamená, že se focený objekt ve tmě nasvítí, aby byl viditelný, ale na fotografii nejsou zachyceny detaily. Dnešní používané LED diody mají výkon 1 až 2 W a poskytují osvětlení 4 luxy za sekundu na vzdálenost 1 m od mobilu k danému objektu. Na vzdálenost 2 m pouze 1 lux za sekundu. K napájení vysokosvítivých LED diod je ovšem zapotřebí čtyřnásobně vyššího proudu než 1A, který dodávají dnešní baterie v mobilních telefonech. Řešením by byla kombinace baterie spolu se superkapacitorem, který by byl schopen tyto proudy dodat bez výraznějšího poklesu napětí na baterii. Xenonové blesky se v mobilních telefonech příliš nevyužívají z důvodu náročnější konstrukce a zejména kvůli potřeby napětí až několik kv. Proto musí být od ostatních komponentů bezpečně izolovány. Budoucnost tedy spočívá ve využití výkonových diod WLED, které se vyznačují čtyřnásobnou spotřebou energie, než je schopna dodat baterie mobilního telefonu. Firma On Semiconductor vyrobila čip NCP5680, který řídí nabíjení a následné vybíjení superkapacitoru, který je schopen dodat puls o velikosti 10A, a je v současné době jedním z mála svého druhu. Byl navržen pro ultratenké mobilní telefony a LED diody s napájením tohoto čipu může dosáhnout svítivosti jako xenonové blesky na fotoaparátech. Tento čip může nalézt uplatnění i v jiných zařízeních využívajících velkých proudových pulsů, například v zesilovačích, zařízeních pda. [22] [23] Obr.2.4: Čip NCP

22 Jako další čip vyrobený za tímto účelem je STCF04 od společnosti STMicroelectronics. Tento kontrolér má za úkol řídit, respektive zvyšovat výkon LED diod blesků ze zmíněných 1 až 2W až na hodnotu 40W. Baterie z telefonu dobije superkapacitor za poměrně dlouhou dobu, řádově sekundy. Po jeho nabití je schopen vyvinout puls vysoké energie, jehož intenzita a velikost je řízena externími elektronickými obvody. Po tomto pulsu je superkapacitor nabit znovu pro další blesk. Použití tohoto čipu je obdobné jako u předchozího typu. Obr.2.5: Čip STCF Zlepšení výkonu reproduktorů v mobilních telefonech Australská společnost CAP-XX představila v roce 2007 možnost zvýšení výkonu reproduktorů v mobilních telefonech za použití superkapacitorů a vytvořit tak mobilní telefon s označením BriteSound phone. Superkapacitory by také sloužily pro dodání energie pro výše zmíněné datové přenosy a zářivější blesk LED diod. Dnešní mobilní telefony jsou obvykle napájeny baterií o napětí 3,6V. Reproduktory obsažené v mobilech mají impedanci 8Ω. Maximální dosažitelný výkon je tedy: P - audio výkon W U - napětí baterie V R - odpor reproduktoru 2 U 3,6 P 1, 6W (2) R 8 22

23 Proud tekoucí z baterie při maximální výkonové špičce při použití stereo reproduktorů o výkonu 3,2W se odvodí ze vztahu: P - audio výkon W U - napětí baterie V I -proud tekoucí reproduktorem A P 3,2 I 0, 9A (3) U 3,6 Problém dodání potřebného proudu, respektive výkonu při poslechu hudby, nastane v případě, kdy začne mobil přenášet data(téma rozebráno v kapitole 2.1). Další problém představuje vnitřní odpor baterie, který po průchodu proudu do reproduktoru způsobuje pokles napětí a zvlnění. Tyto nedostatky pak způsobují rušivý šum a občas i drobné výpadky zvuku při poslechu hudby. Řešením je paralelní připojení dvou sériově připojených superkapacitorů k zesilovači mobilního telefonu. Zjednodušené schéma je na obrázku 2.6. Obr. 2.6: Blokové schéma zapojení Tímto zapojením lze zvýšit maximální výkon reproduktorů o odporu 8Ω na 6,25W. Výkon se může ještě zvýšit na hodnotu 12,5W připojením reproduktorů o odporu 4 Ω. Potřebný proud jsou superkapacitory schopny bez problému dodat. [25] [24] 23

24 2.4 Zamezení ztráty dat Další uplatnění superkapacitorů se nachází v oblasti zamezení ztráty dat. Superkapacitory mohou sloužit pro poskytnutí energie pro zálohování paměťových funkcí zařízení, jako zdroj energie pro systémové hodiny laptopů, stolních počítačů a dále pro zálohování nastavení televizních kanálů po odpojení televize od síťového napětí. Další uplatnění je jako ochrana před ztrátou dat zařízení při náhodném opojení zařízení od napájení. Například při výměně baterií kalkulačky, přesných měřících přístrojích, hodin, kamer atd. V dnešní době vyrábějí superkapacitory vytvořené pro tento účel. Většinou jde o speciální superkapacitor složený ze dvou, do série zapojených superkapacitorů mincového tvaru. Na tomto superkapacitoru lze dosáhnout napětí 5,5V a má kapacitu až 8F. V průmyslové oblasti zálohy dat nacházejí superkapacitory uplatnění v jednotkách UPS (Uninterruptible Power Supply), které chrání zařízení, jež nesmějí být nečekaně vypnuta. Mezi nejčastěji chráněné systémy patří obvykle telekomunikační zařízení, počítačové systémy, systémy zajišťující chod letišť, nemocniční přístroje a další. Tyto jednotky už jsou momentálně dostupné na trhu. 2.5 Zařízení obsahující superkapacitory 2.5.1Myš Genius DX-Eco Výrobky v komerční elektronice nabyly reálných rozměrů v lednu letošního roku, kdy společnost Genius představila a uvedla do prodeje myš k PC s revolučním řešením napájení. Zatímco ostatní výrobci se spíše zaměřili na vývoj prodloužení výdrže periferií, Genius zvolil jiné řešení. Tato myš je napájena superkapacitorem a je jediná svého druhu. Přednosti této myši jsou v rychlosti jejího dobití a životnosti, nikoliv však ve výdrži. Jedno nabití myši trvá pouze tři minuty. Měla by vydržet pracovat celý den. To však jen v případě, že je myš v provozu méně než 4 hodiny denně, neboť právě po čtyřech hodinách potřebuje další nabití. Výrobce ovšem garantuje životnost po nabití, což je dostatečné množství. I kdybychom u PC pracovali každý den 12 hodin, a museli bychom myš třikrát denně nabít, vydržela by nám fungovat přes 90 let. Doba, po kterou je myš nabitá, je jen zlomek výdrže bezeztrátové myši využívající klasické baterie. Ty vydrží být nabity po dobu řádově let. I hmotnost myši není nikterak nižší než u myší používající baterie. Genius DX-Eco váží 95 gramů, což je průměrná hodnota pro myši této velikosti. Cena myši se pohybuje nad hranicí 500 Kč. V kategorii bezdrátových myší je to průměrná cena, myši napájené baterií se dají koupit mnohdy i za cenu přes 1000 Kč. Samozřejmě je v ceně zahrnuta i vlastnosti typu počtu tlačítek aj. I přesto jde o průkopnický výrobek, od kterého lze očekávat nástupce s lepšími parametry týkajících se výdrže. Podle recenzí vlastníků této myši je zřejmé, že možnost nikdy nevyměňovat baterie je skvělá, ale doba nabíjení je 24

25 kolikrát na obtíž. Pokud se toto odstraní a myš vydrží v provozu celý den nebo i více dní, může se stát se tento výrobek hitem. [26] Obr.2.7: Myš Genius DC-Eco [26] Bezdrátový šroubovák Jak lze vidět, superkapacitory postupně nacházejí uplatnění v širokém spektru oblastí, mezi které se řadí i ruční nářadí. Bezdrátový šroubovák vyvinutý společností Coleman s názvem FlashCell Cordless Screwdriver je napájen pouze z obsažených superkapacitorů. Má v porovnání s konvenčními šroubováky na baterie výjimečné vlastnosti. Šroubovák je napájen superkapacitory o napětí 5,4V a čas potřebný k jejích plnému nabití je 90 sekund. Na jedno nabití je schopna zašroubovat/vyšroubovat 22 šroubů. V porovnání s konvenčním šroubovákem o stejné velikosti je to o něco méně, protože ten je schopen zvládnout zhruba 40 šroubů. Nabíjecí čas takového šroubováku jsou ale průměrně 3 hodiny. Za tuto dobu je šroubovák se superkapacitorem schopen s průběžným dobíjením zašroubovat šroubů 700. Další výhodou je výrobcem garantovaná životnost šroubováku po nabití, což se dá pokládat za doživotní záruku funkčnosti. Po 3 měsících nepoužívání sice poklesne hodnota energie v superkapacitorech o 85%, ale opět pak stačí pouze necelých 90 sekund v nabíječce a šroubovák je znovu plně nabit. Cena tohoto šroubováku je v dnešní době 100 amerických dolarů, což není velká suma, když vezmeme na vědomí to, že nám může šroubovák vydržet bez problémů celý život. Samotní uživatelé hodnotí tento výrobek velice kladně a jejich hodnocení naznačují, že se tento výrobek ideálně hodí do každé domácnosti. [27] 25

26 Obr.2.8: Bezdrátový šroubovák [27] 2.5.3Hračky Další ideální uplatnění superkapacitorů je v oblasti elektrických hraček. Děti si mnohdy nevydrží hrát s hračkami delší dobu, takže energie v nabitém superkapacitoru hračky by byla pro čas potřebný pro fungování hračky dostačující. Po vybití hračky by mohl být popřípadě superkapacitor opět bleskurychle nabit. Americká společnost KELVIN už dokonce prodává soupravy pro sestrojení letadel a aut poháněných superkapacitory. 26

27 3 Praktická část Praktická část této bakalářské práce spočívá v ověření některých výše uvedených vlastností superkapacitorů. Cílem je dokázat, že dva superkapacitory zapojené do série, které se plně nabijí na 5,4V, se při jejich vybíjení vysokým proudem chovají jako zdroj napětí s velice nízkým vnitřním odporem. Tím pádem na nich dojde při sepnutí obvodu pouze k nepatrnému poklesu napětí. Nabíjecí charakteristiky superkapacitorů dále demonstrují jejich velkou kapacitu. Pro zrealizování toho experimentu bylo nejdřív zapotřebí zhotovit nabíječku pro super kapacitory, jejíž schéma obvodu je v příloze na obrázku č.i spolu s navrhnutým plošným spojem, který je na obrázku č.ii, III. Nabíječka se skládá ze zdroje konstantního proudu složeného ze zapojení operačního zesilovače TL082 spolu s unipolárním tranzistorem IRL9530 a s příslušnými odpory. Tento zdroj nabijí superkapacitory proudem 300mA. Jak už bylo zmíněno v kapitole 1.2.1, je nutné zabezpečit maximální napětí na superkapacitorech 5,4V. O to se stará přepěťová ochrana složená s dalšího operačního zesilovače LM324, který funguje jako komparátor porovnávající nastavené referenční napětí 5,4V spolu s aktuálním napětím na superkapacitorech. V případě překročení této hodnoty napětí se na výstupu zesilovače objeví kladné saturační napětí. To sepne tranzistor IRL520, který přizemní invertující vstup zesilovače TL082. Na jeho výstupu se následně objeví také saturační napětí, které naopak zavře tranzistor IRL9530, a do superkapacitorů přestane téct proud. Tím je zajištěno dosažení požadované hodnoty napětí na superkapacitorech. Nabití superkapacitorů signalizuje zelená LED dioda, která je připojena rovněž na výstup stejného operačního zesilovače LM324. Z důvodu pulsujícího saturačního napětí operačního zesilovače, které je zapříčiněno kolísajícím napětím na superkapacitoru se tato dioda po nabití superkapacitoru rozbliká. Další důležitou podmínkou je dosažení napětí 2,7V na jednotlivém superkapacitoru. Vlivem rozdílného vnitřního odporu jednotlivých superkapacitorů se díky protékajícímu proudu každý nabijí na jinou hodnotu napětí. Proto je v obvodu zapojen další operační zesilovač LM324, který slouží jako sledovač napětí, na jehož výstupu je děličem napětí R4 a R8 nastavena vždy polovina hodnoty napětí, která na superkapacitorech je. To zabezpečí při plně nabitých superkapacitorech přesně 2,7V na jeden článek. V případě, že tento sledovač nebyl v obvodu zapojen, se jeden superkapacitor nabil na 2,2V a druhý ba 3,2V, což je nepřípustné. Pro vybití superkapacitorů jsou ke nim paralelně zapojeny tři výkonové LED diody, každá o výkonu 2,5W. Při napětí 3,8V teče přes každou diodu proud 700mA, což je ve výsledku proudový odběr z superkapacitorů přes 2,1A. Jelikož má zapojení simulovat blesk fotoaparátu, je zapotřebí diody rozsvěcovat pulsně. Proto je do obvodu zapojen časovač NE555 ve funkci monostabilního klopného obvodu generující při zmáčknutí tlačítka napěťový puls požadované délky, který dále začne napájet astabilní klopný obvod složený z dvou hradel NAND logiky CMOS. Ten pak po dobu trvání napájecího napěťového pulsu vygeneruje tři další krátké pulsy o délce 60ms, které sepnou tranzistor IRL630. To má za následek tři bliknutí diod. 27

28 Zkonstruovanou nabíječku je možno napájet buď 9V z laboratorního zdroje po zapojení napájecích přívodů do konektorů nebo pomocí vestavěné 9V baterie, která začne napájet obvod po sepnutí spínače. Nabíjecí charakteristiky a snímky při spínaní diod jsou uvedeny níže. 3.1 Nabíjení superkapacitorů Na obrázku č.3.1 je zobrazena nabíjecí charakteristika při napájení obvodu 9V z laboratorního zdroje. Z lineárně narůstajícího napětí na superkapacitorech a z téměř konstantního průběhu proudu lze vidět, že obvod se chová opravdu jako zdroj konstantního proudu. Po dosažení hodnoty 5,1V začíná proud prudce klesat vlivem přepěťové ochrany, která zastaví nabíjení superkapacitorů po překročení 5,4V. Obr.3.1: Nabíjecí charakteristika při použití laboratorního zdroje Při zapojení 2 superkapacitorů do série o kapacitě 3F je výsledná kapacita tohoto zapojení 1,5F, což je možno ověřit orientačním výpočtem z lineární části charakteristiky 28

29 C -kapacita superkapacitorů F t -doba nabíjení s I -nabíjecí proud A U -napětí na kapacitorech V I. t 0,3.20 C 1, 2F (4) U 5,1 Pro porovnání je na dalším obrázku zobrazena nabíjecí charakteristika při napájení obvodu z 9V alkalické baterie. Z důvodu menšího nabíjecího proudu 255mA dodaného baterií trvá nabíjení o 3,2s déle. Obr.3.2: Nabíjecí charakteristika při použití 9V baterie Obdobný výpočet kapacity: I. t 0,255.23,2 C 1, 2F (5) U 5,1 Veličiny jsou stejné jako u rovnice (4). 29

30 3.2 Spínání zátěže Další částí je ověření nízkého ESR superkapacitorů. Po dobu pulsu monostabilního klopného obvodu trvajícím 350ms se rozsvítí LED diody třikrát, pokaždé po dobu 60ms. Průběh napětí a proudu protékajícím diodami je zobrazen na obrázku 3.3. Obr.3.3: Průběhy napětí a proudů při vybíjení superkapacitorů Z charakteristiky lze vidět, že maximální proud při prvotním sepnutí zátěže činil 2,6A, přičemž na superkapacitorech došlo k poklesu napětí z 5,4V na 4,93V, což dělá napěťový pokles o 0,47V. Vypočtený vnitřní odpor: U 0,47 ESR 0, 18 (6) I 2,6 ESR -vnitřní odpor kapacitorů U - pokles napětí V I - proud tekoucí zátěží A Jelikož jsou superkapacitory zapojeny dva do série, je třeba ESR obou kapacitorů podělit dvěma pro určení odporu na každém z nich. Výsledný vnitřní odpor je tedy 0,09, což je hodnota téměř totožná s katalogovou hodnotou kapacitoru, která ční 0,08. 30

31 Pro srovnání se superkapacitory odpojily a LED diody napájely 4 články do série zapojených baterií AA, na kterých bylo napětí naprázdno 6,4V. Měření probíhalo obdobným způsobem. Průběh napětí a proudu protékajícím diodami je zobrazen na obrázku 3.4. Obr.3.4: Průběhy napětí a proudů při vybíjení baterií Z charakteristiky lze vidět, že maximální proud při prvotním sepnutí zátěže činil 2,06A, přičemž na bateriích došlo k poklesu napětí z 6,4V na 5V, což dělá napěťový pokles o 1,4V. Vypočtený vnitřní odpor: U 1,4 R i 0, 68 (7) R i -vnitřní odpor baterií U - pokles napětí V I - proud tekoucí zátěží A I 2,06 Vnitřní odpor je nutný opět podělit počtem baterií. Výsledný odpor činí 0,17 na jednu baterii. Při srovnání ESR jednoho superkapacitoru o napětí 2,7V a R 2 baterií zapojených do série o napětí 3,2V, což je skoro stejná hodnota napětí, se dá snadno určit, že 3,8krát vyšší než ESR superkapacitorů. i R i baterií je 31

32 4 Závěr Cílem této bakalářské práce bylo uvést možnosti a příklady použití superkapacitorů v komerční elektronice. Než jsem začal toto téma rozebírat, nejprve jsem se se superkapacitory seznámil, a uvedl jejich nejpodstatnější vlastnosti a důvody, proč je lze vůbec v komerční elektronice použít. Musím zdůraznit, že byl superkapacitor vynalezen relativně nedávno, a proto je možné s nastávajícím časem a pokrokem vědy očekávat neustálé vylepšování všech jeho parametrů, které jsou v této bakalářské práci uvedeny. Z porovnání parametrů v kapitole 1.3 jsou zřejmé markantní rozdíly a výhody superkapacitorů oproti klasickým bateriím, či akumulátorům, které se v blízké budoucnosti ještě určitě změní. V současné době se zatím superkapacitor nezačal v hojné míře objevovat v zařízeních komerční elektroniky, narozdíl od automobilové dopravy, kde se uplatňuje například při rekuperaci brzdné energie. To se s příchodem času jistě změní a superkapacitory najdou uplatnění možná právě v oblastech komerční elektroniky zmíněných v této práci. Z uvedených konkrétních výrobků na konci kapitoly 2. lze vidět, že superkapacitory si mohou najít uplatnění v širokém spektru oblasti použití. Praktická část bakalářské práce byla zaměřena na ověření vlastností uvedených v kapitole 1. Demonstrovala velkou kapacitu a nízký ESR superkapacitorů. Vypočtená hodnota ESR z průběhu, kterou zobrazil osciloskop, je téměř totožná s hodnotou, kterou udává výrobce. Z nabíjecí křivky je orientačně vypočtená velká kapacita superkapacitorů. Následující měření, kde byly spínané LED diody napájeny bateriemi namísto superkapacitory, dokazuje, jak je ESR podstatně nižší, než vnitřní odpor baterií. Praktická část tedy ověřila to, co si kladla za cíl. Přínosem této práce je seznámení se se superkapacitorem jako s novou součástkou a vytvoření si představy o potenciálním použití superkapacitorů v budoucích zařízeních komerční elektroniky. Projekt by se mohl rozvíjet ve směru zdokonalení nabíjecího obvodu superkapacitoru, například s použitím výše uvedených čipů schopných toto nabíjení řídit, a následně konstrukcí sofistikovanějšího zapojení využívající superkapacitory ke své funkci. 32

33 Seznam použité literatury [1] Supercapacitor [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: [2] HALPER Marin S., ELLENBOGEN James C. Supercapacitors: A Brief Overview. [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [3] MARS Pierre, Using a supercapacitor to manage your power. [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [4] Electric double-layer kapacitor [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [5] Supercapacitors [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: d=3 [6] SCHNEUWLY Adrian, GALLAY Roland. Properties and applications of supercapacitors from the state-of-the-art to future trends [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: [7] Marco S. W. Chan, K. T. Chau, C. C. Chan Effective Charging Method for Ultracapacitors [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [8] Supercapacitors [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: [9] Carbon Nanotube Supercapacitors May Replace Clunky Car Batteries [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [10] DATASHEET 48V modules [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: df [11] Ultra-low ESR High Power Pulse Supercapacitors [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: [12] Coupling a supercapacitor with a small energy-harvesting source [online] [cit ]. Dostupné z WWW: packaging/ /2/coupling-a-supercapacitor-with-a-small-energy-harvesting-source- [13] Ultracapacitors for Long-Term Energy Storage [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: 33

34 [14] Lifetime temperature and voltage derating [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: ating [15] DATASHEET 125V heavy transportation modules [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: df#search=%22bmod0063%22 [16] Considerations when charging large supercapacitor banks [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: [17] SUPERKAPACOTORY ISO-9001 [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: [18] ULTRACAPACITORS FOR STATIONARY, INDUSTRIAL, CONSUMER AND TRANSPORT ENERGY STORAGE AN INDUSTRY, TECHNOLOGY AND MARKET ANALYSIS [online] [cit ]. Dostupné z WWW: 111&pd=2/1/2010 [19] Batteries and Supercapacitors in Consumer Electronics Forecasts, Opportunities, Innovation [online]. [cit ]. Dostupné z: [20] Use of Supercapacitors to Improve Performance of GPRS Mobile Stations [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [21] How supercapacitors can extend alkaline battery life in portable electronics [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: e%20in%20portable%20electronics.pdf [22] Supercapacitors brighten prospects for power LED flash in camera phones [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [23] 10-A supercapacitor-based LED flash driver enables thin camera phones [online] [cit ]. Dostupné z WWW: A_supercapacitor-based_LED_flash_driver_enables_thin_camera_phones.aspx 34

35 [24] Pump up the volume! Supercapacitors enhance audio quality and power in mobile phones [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [25] Supercapacitor boosts audio power for richer sounding music [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [26] Genius DX-Eco mouse runs without traditional batteries, can charge in three minutes [online] [cit ]. Dostupné z WWW: [27] Coleman's FlashCell: Yes, a Cordless Screwdriver That Really Charges in 90 Seconds [online] [cit ]. Dostupné z WWW: 35

36 Seznam příloh Příloha č.i: Schéma zapojení Příloha č.ii: Plošný spoj s umístěním součástek Příloha č.iii: Motiv pro výrobu plošného spoje Příloha č.iv: Seznam použitých součástek Příloha č.v: Datasheet použitých superkapacitorů Příloha č.vi: Vyhotovená nabíječka spolu s bleskem z LED diod 36

37 Příloha č.i: Schéma zapojení 37

38 Příloha č.ii: Plošný spoj s umístěním součástek Příloha č.iii: Motiv pro výrobu plošného spoje 38

39 Příloha č.iv: Seznam použitých součástek Superkapacitory: 2x HV0820-2R7305-R 3F/2,7V Operační zesilovače: TL082CN LM324 Časovač: NE555N Hradla NAND CMOS: HEF4011BP LED diody: L-53GD 3x s12n3w6c Tranzistory: IRF9630 IRF520 IRF630 Zenerovy diody: 2x BZX85C2V7 Kondenzátory: 2x 620nF 2x 20μF 2200μF 10nF Rezistory: 10Ω, 3x 10kΩ, 150Ω, 680Ω, 2x 3k3Ω, M47Ω Plastová krabička typu KM 56 Spínač, mikrospínač 250V/5A 39

40 Příloha č.v: Datasheet použitých superkapacitorů 40

41 Příloha č.vi: Vyhotovená nabíječka spolu s bleskem z LED diod 41