רכיב מתקדם שמתאים רק ליישומים מקצועיים ונדירים, או תחליף סוללה שיכול לשמש גם מייקרים רגילים בפרויקטים קטנים? בואו נבחן קבּל-על (Super-capacitor) זול ונראה מה אפשר להוציא ממנו, חוץ ממשחק המילים שבכותרת.

קבל מול קבל-על מול סוללה

קבלים הם רכיבים שיכולים לצבור ולשחרר מִטען חשמלי, ובקבלים "רגילים" המטען הזה הוא די קטן, כך שאי אפשר להשתמש בהם בתור מקור חשמל למערכת. לעתים קרובות אנחנו נעזרים בהם כדי לשכך תנודות מתח (בקווי אספקת החשמל או בקווי אותות), ובמערכות דיגיטליות לפעמים קשה בכלל למצוא קבל שעושה תפקיד שונה.

גם קבלי-על מחזיקים מטען חשמלי, אבל פי עשרות אלפים ויותר מהקבלים שאנחנו מוצאים או שמים בדרך כלל במעגלים אלקטרוניים. זה כבר מתחיל להתקרב לקיבולת של סוללות – עם כמה הבדלים קריטיים. בסוללות, החשמל מופק בזמן אמת בתהליך כימי, ואילו בקבלים הוא פשוט מאוחסן כמטען, אלקטרונים או מה שזה לא יהיה. לכן הטעינה והפריקה של הקבלים יכולה להיות הרבה יותר מהירה (ובזרמים הרבה יותר גדולים), אבל המתח שלהם לא נשאר יציב במשך הצריכה אלא יורד כל הזמן.

קבלי-על לא עלולים להתפוצץ, ואפשר לטעון ולפרוק אותם פי אלף ויותר פעמים מאשר סוללות. מצד שני, בטכנולוגיה הנוכחית, הם עדיין "מחזיקים" משמעותית פחות אנרגיה פר יחידת משקל או נפח לעומת סוללות, וגם הפריקה העצמית שלהם מהירה מאוד – גם בלי שנוגעים בהם בכלל, הם יכולים לאבד עד עשרות אחוזים מהמטען ביום.

קבלו את קבל-העל

בשלהי 2018 הזמנתי מ-Taydaelectronics כמה קבלי-על, עם קיבולת נקובה של 1F – פאראד אחד – במתח 5.5V. עד היום לא החלטתי מה לעשות איתם. אחד מהם מופיע בתמונה למעלה, קוטרו כ-19 מ"מ ועוביו 5.5 מ"מ. יש לו קוטביות, ואפשר לזהות את צד ה"מינוס" על פי הרגל הקצרה-יותר, וכן על פי הציור הלבן, דמוי סמל הדיודה, שבשוליים. הדגם הספציפי נקרא EECS5R5V105, ואם תסתכלו בקישור הזה ל-Datasheet תראו שהסטייה מהקיבולת הנקובה יכולה להיות עד כדי 20% לכל כיוון. הרגליים שלו רחבות – בערך מילימטר – ולא נכנסות לחורים של מטריצה רגילה או של PCB אוניברסלי טיפוסי.

קבלים מאבדים כאמור מתח באופן לינארי תוך כדי הפריקה, אז צריך לקחת בחשבון דבר חשוב אם משתמשים בהם כסוללה: בשלב מסוים, אף על פי שיישאר עוד הרבה מטען בקבל, המתח יהיה נמוך מכדי לנצל אותו. על פי הספרים, המטען שקבל מכיל (ביחידות שנקראות קולון) הוא מכפלת הקיבולת (במקרה שלנו, 1) במתח. נניח שנבנה מערכת עם מייצב מתח ל-3.3V, שצריך לצורך העניין מינימום 3.3V בכניסה. בין מתח המינימום הזה למתח המקסימום של הקבל יש 2.2 קולון, ואם נסמוך על גוגל, כל קולון הוא 0.28 מיליאמפר-שעה, סה"כ 0.616mAh. נכפיל ב-60 ונקבל כ-37 מיליאמפר למשך דקה, ואם נוסיף למעגל שלנו לד ונגד שיצרכו רק 11 מיליאמפר, העסק אמור לפעול 3.4 דקות.

הלד שלי המשיך להאיר (אם כי חלש יותר) גם אחרי עשרים דקות. הסתבר שמייצב המתח, נפש אמיצה שכמותו, לא הפסיק לעבוד מתחת למתח הנקוב אלא פשוט העביר הלאה מה שאפשר, וזה ירד עד 1.8V ועדיין עבד, כמובן בזרם נמוך יותר ויותר. אז טענתי את הקבל שוב והפעם מדדתי ברציפות את המתח במוצא של מייצב המתח, עד שהוא התחיל לרדת מ-3.3V. זה לקח שתי דקות וארבעים שניות.

אם ככה, נעשה חישוב הפוך. 11 מיליאמפר על פני 160 שניות זה כמו 0.49 מיליאמפר בשעה, שזה 1.746 קולון, על הפרש מתח של 2.2 וולט… 0.793 פאראד? אני לא רגיל לחישובים כאלה ולא אתפלא אם טעיתי איפשהו, אבל המספר הזה נשמע סביר מאוד בשביל קבל-על 1F בן שנתיים, שעלה כ-1.6 דולר וגם ככה לא הבטיח דיוק מושלם.

כסוללה

סוללה של 0.5mAh היא לא דבר מרשים בכלל. אם ניקח סוללת CR2032 סטנדרטית שדומה בגודל הפיזי לקבל-העל הזה, היא אמנם חד פעמית ובמתח 3V בלבד, אבל הקיבולת שלה היא מעל 200mAh (כן, פי 400).

אם המערכת מבוססת-קבל-העל שלנו נמצאת רוב הזמן במצב שינה וצורכת, נניח, 10 מיקרואמפר, אנחנו מתקרבים לשתי יממות של פעולה. אם נשתמש ברכיבים מודרניים שמסתדרים עם 2.7V ואפילו 1.8V אולי נוכל לגרד עוד יום. כבונוס נוסף וחשוב, אם כשהמערכת הזו מתעוררת היא צריכה לתת פרץ קצרצר של זרם חזק (למשל להקפיץ ממסר), היא תוכל לעשות זאת בלי רכיבים נוספים – מה שלא יהיה נכון עם סוללת כפתור. אילו מערכות שימושיות יכולות להיות עם מאפיינים כאלה? בטוח שיש, אבל לא הרבה.

בתמונה למעלה מופיע צעצוע, מכונית חשמלית (בכתום) עם מערכת טעינה בסיבוב ידית. הדינמו שבמערכת הזו מטעין קבל-על 4.7F (מתח 2.3V), שהוא מקור הכוח של המכונית. אחרי טעינה נמרצת, המכונית מסוגלת להתקדם – על שטח ישר ודי לאט – במשך חצי דקה עד דקה.

כמאגר לזרם גבוה לזמן קצר

לפני זמן-מה הייתי מעורב בפיתוח של מערכת, שאמורה לפעול זמן רב על סוללות AA (לא נטענות) ולהפעיל לעתים רחוקות צרכן זרם משמעותי – סולנואיד גדול. הסוללות לבדן לא מסוגלות לתת את "מכת" הזרם הדרושה, והפתרון היה לשים שם כמה קבלים גדולים, לטעון אותם מהסוללות בקצב רגוע רק לפני ההפעלה (כדי למנוע בזבוז מהפריקה העצמית), ואז לספק את החשמל לסולנואיד מהם. הקבלים היו אלקטרוליטיים רגילים, גדולים כמעט כמו הסוללות. קבל-על יכול היה להשיג את אותן תוצאות ולתפוס פחות מקום.

צורת השימוש הזו, שקיימת באופן מסוים גם במכוניות חשמליות, "ריתוך נקודה" (spot welding) ועוד, היא אולי היישום ההגיוני והטוב ביותר לקבלי-על בטכנולוגיה הנוכחית – ולא בטוח שלמייקר הטיפוסי יש צורך בו. האם אתם מכירים שימוש אחר שלא הזכרתי כאן?