Ионистор емкость

В 60-е годы двадцатого столетия Carborundum Со, Gould lonics Inc, Standard Oil (США) и ряд других иностранных фирм заявили о разработке нового класса элементов электронной техники, который в разных странах до сих пор называют по-разному. Например, ESD (от английского Energy Storage Device — энергетическое запоминающее, накапливающее устройство) или DESK (от немецкого Doppelelektrischeschichtkondensator — конденсатор с двойным электрическим слоем). Небезызвестная Matsushita Electric уже более двадцати лет выпускает эти, пользующиеся неуклонно растущим спросом, изделия под наименованием Goldcap (дословно— золотая емкость), хотя в России и странах СНГ такие элементы, а также их многочисленные аналоги давно называют ионисторами.

Ионисторам присущи уникальные свойства: высокая удельная емкость, длительность и надежность сохранности заряда. Они могут безотказно функционировать в цепях постоянного и пульсирующего тока в широком диапазоне механических и климатических воздействий. Использование этих элементов электронной техники существенно упрощает обработку сигналов инфранизких частот.

Установлено, что ионисторы хороши и в логических устройствах, не требующих быстродействия, и в качестве ячеек памяти, причем отключение питающего напряжения не сказывается на работе такого ЗУ. Благодаря своей большой емкости, ионисторы позволяют задерживать сигналы или подавать синхронизирующие импульсы в широком временном диапазоне: от долей секунды до дней и даже месяцев.

Весьма перспективными являются ионисторные компоновки емкостью до 1500 Ф. Области их вероятного использования в недалеком будущем— электрооборудование грузовиков, гелиосистемы, снабжение электроэнергией катализаторного отопления.

В основе конструкции наиболее распространенного дискового ионистора — два одинаковых пористых угольных электрода. Они разделены сепаратором из специального материала, пропускающего ионы электролита, но в то же время изолирующего электронную составляющую тока. Электроды расположены в герметичном металлическом корпусе, состоящем из двух частей, изолированных друг от друга резиновым кольцом. Части корпуса служат и выводами ионистора. Свободное пространство в корпусе и поры электродов заполнены электролитом.

1 — металлический корпус (из двух частей, служащих выводами); 2 — сепаратор; 3 — пористые угольные электроды; 4— герметизирующее кольцо (резина); электролит, заполняющий свободное пространство в корпусе и поры электродов, не показан

Выбор надлежащей рабочей пары «электрод — электролит» предопределяется как взаимной химической инертностью, так и высокой электрической проводимостью исходных материалов. Так, для изготовления электродов в последнее время широко применяются порошок активированного угля, волокно, сажа и прочие ингредиенты, удельная площадь поверхности которых достигает 1000—1500 м2/г. Причем все они могут использоваться и в чистом виде, и в сочетании с металлическим порошком, увеличивающим проводимость электродов.

Электролитом в ионисторе могут быть либо водорастворимые кислоты и щелочи (при этом номинальное напряжение ионисторов Uном равно 0,5—0,8 В), либо растворы сложных солей в безводных органических растворителях типа пропиленкарбоната (с Uном порядка 2,5—2,8 В). Сепаратором же является специально обработанный пористый полимерный материал, химически стойкий к электролиту. Предпочтение обычно отдается полиэтилену, полипропилену или поливинилхлориду.

Структура ионистора двуслойная, что и обеспечивает громадную электроемкость, доходящую до 2 Ф (а то и более) при диаметре самого элемента около 18 мм. Функцию диэлектрика, в отличие от обычного конденсатора, имеющего пару электродов с изолятором между ними, выполняет двойной электрический слой— аналог обкладок, отстоящих друг от друга на расстоянии, чуть ли не равном размеру молекул электролита. Процессы разряда и заряда в этом двойном слое на активированных поверхностях протекают в виде абсорбции и десорбции анионов и катионов.

Из рассмотрения таких приборов с двойным электрическим слоем как дальних «родственников» обычных конденсаторов следует, что основными параметрами здесь должны быть электрическая емкость, номинальное напряжение, ток утечки и внутреннее сопротивление постоянному току. Однако действительно признанные характеристики и их измерение у ионисторов имеют свои особенности.

Наиболее распространенные типы ионисторов отечественного производства и их основные параметры

В частности, номинальное напряжение ионистора предопределяется типом используемого электролита. Практически оно также является и максимально допустимым. И все потому, что при перенапряжении в пористых электродах возможно возникновение электролиза, а это грозит выходом из строя всего прибора. Отсюда правило: безотказность ионистора гарантируется при условии, что U < Uном.

Ионисторам с органическими электролитами свойственно большее, по сравнению с остальными, номинальное напряжение, поэтому они предпочтительнее для многих радиоэлектронных устройств. Но Uном в случае необходимости легко повысить, если соединить ионисторы последовательно в батарею. Правда, емкость при этом уменьшается. К тому же не исключено, что из-за отклонений (разброса) по емкости и внутреннему сопротивлению отдельные элементы данной цепи могут оказаться под местным перенапряжением. Однако нежелательных сюрпризов легко избежать при соблюдении второго правила: стараться использовать готовые батареи из ионисторов с одинаковыми параметрами.

Теперь о внутреннем сопротивлении ионистора Rвн. Его величину определяет электронная проводимость контакта между корпусом и угольным электродом, а также ионная проводимость сепаратора и электролита. Поскольку ионисторам приходится чаще всего работать в режимах со сравнительно небольшим разрядным током, постольку их внутреннее сопротивление обычно не подлежит строгому контролю. Но когда эти энергоемкие элементы используют в качестве резервного источника коротких токовых импульсов (например, для срабатывания реле), то Rвн—основной параметр, рассчитываемый (в омах!) по формуле: Rвн = U/I3, где и — напряжение на ионисторе, В; Iз — ток замыкания на нагрузку, А.

Обычно у отечественных приборов типа К58-3, как и у их японского аналога DC-2R4D225, внутреннее сопротивление не выходит за пределы 10 — 100 Ом. Ионисторам с жидкими электролитами свойственно малое Rвн, поэтому именно они и предпочтительнее для аппаратуры, где данный параметр должен быть по возможности наименьшим.

Семейство характеристик, поясняющих эксплуатационные качества типовых ионисторов

Электрическую же емкость определяют путем разрядки полностью заряженного ионистора постоянным током (от номинального напряжения до нуля) с последующим расчетом по формуле: С = It/Uном, где С—емкость, Ф; I — постоянный ток разрядки, А; t — время разрядки, с; Uном— номинальное напряжение, В.

При использовании ионисторов как резервных источников питания микросхем памяти (при очень малом токе нагрузки) в ряду важнейших параметров стоит и Iут—собственный ток утечки. Величина его зависит от степени чистоты электролита и материала электродов. Особенно вредны примеси, способные окисляться или восстанавливаться при напряжении меньше номинального. О конкретном Iут судят по остаточному напряжению на данном ионисторе в режиме саморазрядки.

По причине высокой пористости электродов схема замещения ионистора представляет собой соединенные параллельно RC-цепи с различными постоянными времени. Отсюда и некоторая зависимость емкости от разрядного тока (что присуще, впрочем, и аккумуляторам) и остаточного напряжения — от времени зарядки.

Среди отечественных ионисторов наибольшую, пожалуй, известность имеют изделия ТОО «Гелион» из Рязани. Все они с органическим электролитом. Базовым элементом в этом ряду служит К58-3 с проволочными выводами. Ионистор К58-9а представляет собой базовый элемент с номинальным напряжением 2,5 В, залитый снаружи компаундом. Плюсовой вывод маркирован черной точкой. Пятивольтный ионистор К58-96 есть не что иное, как батарея из двух, а К58-9в (с Uном = 6,3 В) из трех базовых элементов, соединенных последовательно.

Корпус у К58-96 пластмассовый, залитый компаундом, в то время как у К58-9в он металлический. Выводы проволочные, жесткие. На корпус наклеена этикетка, на которой указаны тип прибора, номинал, знак ТОО «Гелион» и знак «+» (полярность). Ионистор К58-9в (аналог DB-5R5D105 фирмы Elha, Япония) освоен в производстве с начала 1997 года.

В принципе, ионистор—неполярный прибор. Но фирмы-производители намеренно выделяют плюсовый вывод для обозначения полярности остаточного напряжения после заводской зарядки. Рабочий температурный интервал находится в пределах от минус 25 до плюс 70°С. Отклонение емкости от номинального значения может составлять от минус 20 до плюс 80 процентов.

Долговечность ионистора существенно зависит от условий эксплуатации. В частности, она равна 500 ч при номинальном напряжении и прогреве среды до плюс 70 °С. При U = 0,8Uном и любой температуре в рабочем интервале гарантированная долговечность увеличивается до 5000 ч, а при U = 0,6Uном и температуре окружающей среды не более плюс 40 °С достигает 40 000 ч.

Если нужен электрошокер или другие средства защиты, по можете посмотреть и выбрать.

Типовые разрядные характеристики ионисторов на нагрузку с разными значениями сопротивления свидетельствуют, что ток саморазрядки у таких приборов незначителен, благодаря чему напряжение даже через 5000 часов снижается лишь с 2,5 до 1 В. О высоких эксплуатационных качествах ионисторов можно судить и по другим, не менее важным семействам характеристик базового К58-3.

Принципиальная электрическая схема стандартного подключения ионистора (а), а также последовательное соединение ионнсторов для резервного питания настольных электронных часов (б) и современного телефонного аппарата (в)

Наиболее распространенная схема включения ионистора в качестве маломощного резервного источника электроэнергии содержит минимум радиодеталей. Среди них диод, предотвращающий разрядку ионистора через цепь питания (при Uпит = 0), и последовательно соединенный резистор, ограничивающий зарядный ток (для защиты питающей сети от перегрузки при первоначальном включении). Однако надобность в резисторе отпадает, если источник питания выдерживает кратковременный ток силой 100—250 мА.

Весьма перспективно, по мнению специалистов, использование ионисторов в современных телефонах с запоминанием номеров абонентов. Оно и понятно: для питания микросхем памяти во многих существующих аппаратах до сих пор применяются дисковые СЦ, МЦ или им подобные гальванические элементы с более чем скромными возможностями для работы при обесточивании абонентской линии или при отключении телефона от электросети. В то же время два последовательно соединенных ионистора К58-9а емкостью по 0,47 Ф позволяют в указанных условиях довести время хранения информации в памяти даже такого аппарата, как «Элетон-201», до семи суток.

Пожалуй, еще больший эффект дает внедрение ионисторов в телефоны с АОН (ОЗУ К537РУ10), где для сохранения информации при перебоях с питанием от основного источника используются конденсаторы совместно со встроенными аварийными элементами питания СЦ21. Применение К58-96 (0,62 Ф; 5 В) вместо конденсатора защиты электронной памяти позволяет обходиться без прежних элементов питания. Заряженный ионистор обеспечивает сохранность информации в ОЗУ после отключения энергии от основного источника до 30 суток при снижении рабочего напряжения за это время с 5 до 2,8 В.

А вот еще один пример — настольные электронные часы «Электроника». Ионисторы заменяют в них резервную гальваническую батарею «Крона» или «Корунд». Четыре последовательно соединенные К58-9а <Cобщ = 0,5 Ф; UнOM = 10 В) с гасящим 10-килоомным резистором, блокированным при работе на нагрузку диодом Д9Д, позволяют часам сохранять правильный ход (правда, без энергоемкой индикации текущего времени) в течение 16 ч после обесточивания сети.

С ничуть не меньшим успехом можно применять ионисторы в таймере видеомагнитофона, телевизора и в другой аналогичной аппаратуре. Разумеется, при этом не требуется никакого ухода и замены элементов в течение всего срока службы «конденсаторов с двойным электрическим слоем».

Конечно же, рассмотренные варианты устройств не исчерпывают всех возможностей ионисторов. И кому, как не любителям мастерить все своими руками, восполнять этот пробел!

Публикацию подготовил Н. КОЧЕТОВ по материалам журналов Design & Elektronik, Popular Electronics и справочным данным открытой отечественной печати.

Ионистор

Устройство, характеристики и применение ионисторов

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

Устройство ионистора.

Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg4I5) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H2SO4. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

  • Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;

  • Количество циклов заряд/разряд – более 100000;

  • Не требуют обслуживания;

  • Небольшой вес и габариты;

  • Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

  • Работает в широком диапазоне температур (-40…+700C). При температуре больше +700С ионистор, как правило, разрушается;

  • Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор – это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Ω. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом – десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: «А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?»

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то тут сразу станет понятно, что это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые . Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC’s), микросхем памяти (RAM’s), КМОП-микросхем (CMOS’s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в «ждущем» режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. Rн – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Как устроено электромагнитное реле?

  • Как проверить ИК-приёмник?

Ионистор: что это такое и где его применяют

Ионисторы — новый класс источников по функции близких к мощным конденсаторам, а фактически — занимающих нишу между конденсаторами и постоянными источниками тока. Что это такое, знают не все. Под ионисторами подразумевают суперконденсаторы, ультраконденсаторы. Международное обозначение EDLC — Electric double-layer capacitor, на электросхемах обозначается как R1.

Историческая справка

В 1957 году ранние версии суперконденсаторов разрабатывались инженерами в General Electric, но они не имели коммерческих приложений из-за низкой эффективности. В 1966 компания Standard Oil случайно при работе над топливными элементами открыла эффект двухслойного конденсатора, который позволял суперконденсатору эффективно функционировать. Компания не стала коммерциализировать изобретение, но получила лицензию на NEC. В 1978 она продала эту технологию как «суперконденсатор» для компьютеров. В СССР впервые EDLC были представлены в 1978 в публикации журнала Радио No 5 серии КИ1— 1с ёмкостью от 0, 2 до 50, 0 Ф.

Первые суперконденсаторы для мощного оборудования были созданы в 1982 PRI Ultracapacitor. Только в 1990 годах был достигнут прогресс в материалах и методах производства, который привёл к повышению производительности и снижению себестоимости ионисторов. Они продолжают развиваться и переходят в промышленную аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита.

Назначение электронного устройства

Ионисторы (EDLC) — это электронные устройства, которые используются для хранения чрезвычайно больших количеств электрического заряда. Они также известны как суперконденсаторы, двухслойные конденсаторы или ультраконденсаторы. Вместо применения обычного диэлектрика, EDLC используют механизм для хранения электрической энергии — двухслойную ёмкость. Это означает, что они объединяют работу обычных конденсаторов с работой обычной батарей. Ёмкости, достигаемые с использованием этой технологии, могут достигать 12000 F. Для сравнения, ёмкость всей Земли составляет всего около 710 мкФ, что более чем в 15 миллионов раз меньше ёмкости EDLC.

В то время как обычный электростатический конденсатор может иметь высокое максимальное рабочее напряжение, обычное максимальное напряжение заряда EDLC лежит между 2, 5 и 2, 7 вольтами. EDLC — это полярные устройства, то есть они должны быть подключены к цепи правильно, подобно электролитным конденсаторам. Электрические свойства этих устройств, особенно их быстрое зарядное и разрядное время, очень перспективны для многих отраслей промышленности, где они могут полностью заменить батареи.

Конструкция и материалы ионисторов

Рассмотрим подробнее, что такое ионистор. Конструкция EDLC аналогична конструкции электролитических конденсаторов в том, что они состоят из двух фольговых электродов, электролита, сепаратора и фольги. Сепаратор зажат между электродами, фольга свёртывается или складывается в форму, обычно цилиндрическую или прямоугольную. Эта сложенная форма помещается в герметично закрытый корпус, пропитанный электролитом. Электролит в конструкции EDLC, а также электродов, отличается от электролита, используемого в обычных электролитических конденсаторах.

Чтобы сохранить электрический заряд, EDLC использует пористые материалы в качестве разделителей для хранения ионов в порах на атомном уровне. Наиболее распространённым материалом в современных EDLC является активированный уголь. Тот факт, что углерод не является хорошим изолятором, приводит к ограничению максимального рабочего напряжения до 3 В.

Активированный уголь не является идеальным материалом: носители заряда сопоставимы по размеру с порами в материале, а некоторые из них не могут проникать в более мелкие поры, что приводит к утечкам и уменьшению ёмкости хранения.

Одним из наиболее интересных материалов, используемых в исследованиях EDLC, является графен. Это вещество, состоящее из чистого углерода, расположенного в плоском листе толщиной всего один атом. Он чрезвычайно пористый, действует как ионная «губка». Плотность энергии, достигаемая с помощью графена в EDLC, сравнима с плотностями энергии, полученными в батареях.

Однако, несмотря на то что прототипы EDLC графена были сделаны в качестве доказательства будущей концепции, они дорогостоящие и их трудно производить в промышленных объёмах и это обстоятельство существенно тормозит использование данной технологии. Несмотря на это, EDLC из графена является наиболее перспективным кандидатом в будущей технологии ионисторов.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств прибора следует выделить следующие:

  1. Время заряда. EDLC имеют время зарядки и разрядки, сравнимое со временем обычных конденсаторов. Из-за низкого внутреннего сопротивления можно добиться высоких токов заряда и разряда. Чтобы достичь полностью заряженного состояния батареи обычно уходит до нескольких часов. Например, как у батареи сотового телефона, в то время как EDLC могут зарядиться менее чем за две минуты.
  2. Удельная мощность. Конкретная мощность батареи или EDLC является мерой, используемой для сравнения различных технологий по выходной мощности, делённой на общую массу устройства. EDLC имеют удельную мощность в 5−10 раз большую, чем у батарей. Например, в то время как литий — ионные батареи имеют удельную мощность 1−3 кВт / кг, удельная мощность типичного EDLC составляет около 10 кВт / кг. Это свойство особенно важно в приложениях, требующих быстрого сброса энергии из устройств хранения.
  3. Жизнеспособность и безопасность цикла. Батареи EDLC более безопасны, чем обычные батареи при неправильном обращении. В то время как батареи могут взрываться из-за чрезмерного нагрева при коротком замыкании, EDLC не нагреваются так сильно по причине низкого внутреннего сопротивления.
  4. EDLC могут заряжаться и разряжаться миллионы раз и отличаются практически неограниченным сроком службы, в то время как батареи имеют цикл жизни в 500 раз и ниже. Это делает EDLC очень полезными в приложениях, где требуются частые хранения и выделения энергии.
  5. Продолжительность жизни EDLC составляет от 10 до 20 лет, при этом ёмкость за 10 лет снижается с 100% до 80%.
  6. Благодаря их низкому эквивалентному сопротивлению EDLC обеспечивают высокую плотность мощности и высокие токи нагрузки для достижения практически мгновенного заряда в секундах. Температурные характеристики также сильны, обеспечивая энергию при температурах до -40 C ° .

EDLC имеют некоторые недостатки:

  1. Одним из недостатков является относительно низкая удельная энергия. Конкретная энергия EDLC является мерой общего количества энергии, хранящейся в устройстве, делённой на её вес. В то время как литий — ионные батареи, обычно используемые в сотовых телефонах, имеют удельную энергию 100−200 Втч/кг, EDLC могут хранить только 5 Вт/кг. Это означает, что EDLC, обладающий такой же ёмкостью, как обычная батарея, будет весить в 40 раз больше.
  2. Линейное напряжение разряда. Например, батарея с номинальным напряжением 2,7 В, когда при 50%-м заряде все равно будет выводиться напряжение, близкое к 2,7 В. EDLC, рассчитанный на 2,7 В при 50%-м заряде, выдаёт ровно половину своего максимального заряда — 1,35 В. Это означает, что выходное напряжение упадёт ниже минимального рабочего напряжения устройства, работающего на EDLC, и оно должно будет отключиться, прежде чем использовать весь заряд в конденсаторе. Решением этой проблемы заключается в использовании DC-преобразователей. Однако этот подход создаёт новые трудности, такие как эффективность и шум.
  3. Они не могут использоваться в качестве постоянного источника питания. Одна ячейка имеет обычно напряжение 2,7 В и если требуется более высокое напряжение, ячейки должны быть соединены последовательно.
  4. Стоимость обычных EDLC в 20 раз выше, чем у Li-ion аккумуляторов. Однако она может быть уменьшена за счёт новых технологий и массового производства ионисторов.

Промышленное применение

Поскольку EDLC занимают область между батареями и конденсаторами, они могут использоваться в самых разных областях. Где применяют ионистор, можно предположить исходя из его назначения. Одним из интересных использований является хранение энергии в динамических тормозных системах в автомобильной промышленности. Заключается в использовании электрического генератора, который преобразует кинетическую энергию в электрическую энергию и сохраняет её в EDLC. Впоследствии эту энергию можно использовать повторно для обеспечения мощности для ускорения.

Другим примером являются приложения с малым энергопотреблением, где высокая пропускная способность не является обязательной, но важно обеспечить высокий жизненный цикл или быструю перезарядку. Такими приложениями являются фотографическая вспышка, MP3-плееры, статические запоминающие устройства, которым требуется источник постоянного напряжения низкой мощности для сохранения информации и т. д.

Возможные будущие приложения EDLC — это сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили и все другие устройства, которые в настоящее время работают на батареях. Самым захватывающим преимуществом, с практической точки зрения, является их очень быстрая скорость перезарядки — это означало бы возможность заряжать электрический автомобиль в зарядном устройстве в течение нескольких минут до полной зарядки аккумулятора.

EDLC используются во многих приложениях управления питанием, требующих большого количества быстрых циклов зарядки/разрядки для краткосрочных потребностей в энергии. Некоторые из этих приложений применяются в таких сферах:

  • стабилизация напряжения в системах пуска/останова;
  • электронные дверные замки в случае сбоев питания;
  • регенеративные тормозные системы;
  • микросхема распределения;
  • медицинское оборудование;
  • аккумуляторы энергии;
  • бытовая электроника;
  • кухонные приборы;
  • резервное копирование данных часов в реальном времени;
  • резервная мощность;
  • ветровая энергия:
  • энергоэффективность и регулирование частоты;
  • удалённое питание для датчиков, светодиодов, переключателей;
  • резервная память;
  • подача питания в режиме пакетной передачи.

Направления развития суперконденсаторов

Новые перспективные разработки ионисторов:

  • Суперконденсаторы graphene Skeleton Technology станут ключевыми игроками EDLC. В новых испытаниях на транспортном флоте в Великобритании их используют для превращения дизельных машин в гибриды за счёт мощности от рекуперативного торможения. Система гибридных машин разработана Adgero и Skeleton Technologies под названием UltraBoost. Во время торможения устройство становится генератором, восстанавливая кинетическую энергию, которая, в противном случае была бы потеряна в виде тела. В основе этой технологии лежит банк из пяти мощных суперконденсаторов на основе графена, известных как SkelMod.
  • Zap & Go, стартап в Великобритании, запускает новый тип зарядного устройства специально для деловых путешественников. Он использует суперконденсаторы графена для зарядки телефонов в течение пяти минут.
  • Компания Eaton предлагает решения для суперконденсаторов размером с монету, больших ячеек, небольших цилиндрических ячеек и модулей. Например, его модуль Supercapacitor XLR 48V обеспечивает хранение энергии для мощных систем с частотным зарядом/разгрузкой в гибридных или электрических транспортных средствах, общественном транспорте, погрузочно-разгрузочной технике, тяжёлом оборудовании и морских системах. Модули XLR состоят из 18 отдельных суперконденсаторов Eaton XL60, предназначенных для обеспечения 48, 6 В и 166 F с сопротивлением 5 мА для включения в системы, требующие до 750 В.

  • Суперконденсаторы Maxwell Technologies используются для хранения энергии с восстановительным торможением в системе метро Пекина. Китайская железная дорога Rolling Stock Corp. (CRRC — SRI) использует модули Maxwell 48 — V в двух наборах энергосберегающих устройств регенеративного торможения для линии No 8 системы, городской железнодорожной сети, которая проходит с севера на юг через столицу Китая. Модули Maxwell с 48 В обеспечивают длительный срок службы до 10 лет и быструю зарядку/разрядку. Vishay предлагает 220 EDLC ENYCAP с номинальным напряжением 2,7 В. Он может использоваться в нескольких приложениях, включая резервное питание, поддержку импульсной мощности, устройства хранения энергии для сбора энергии, источники питания микро UPS и восстановление энергии.
  • Линейная технология предлагает LTC3350, резервный контроллер мощности, который может заряжать и контролировать серийный блок до четырёх суперконденсаторов. LTC3350 предназначенный для автомобильных и других транспортных приложений, предлагает следующие функции:
    • Резервное копирование питания путём зарядки банка до четырёх суперконденсаторов в случае сбоя питания. Может работать с входным напряжением от 4,5 до 35 В и более 10 А заряда резервного тока.
    • Балансировка и защита от перенапряжения для серии суперконденсаторов.
    • Контроль напряжения, тока и температуры в системе.
    • Внутренние балансиры напряжения конденсатора, которые устраняют необходимость в балансных резисторах.

Разработчики ионисторов стараются постоянно их модернизировать и повышать удельную емкость. Очевидно, что в будущем аккумуляторы полностью заменят суперконденсаторы. Результаты исследований калифорнийских ученых показали, что новый тип ионистров уже сегодня превосходит по функциональности свои аналоги в несколько раз.

Digitrode

Как зарядить суперконденсатор (ионистор)

Суперконденсаторы или ионисторы и их возможное использование в электромобилях, смартфонах и устройствах Интернета вещей в последнее время широко обсуждается, но сама идея создания суперконденсатора восходит к 1957 году, когда компания General Electric впервые провела эксперимент с целью увеличения емкости своего накопителя. За прошедшие годы технология суперконденсаторов значительно улучшилась, и сегодня они используются в качестве резервных батарей, солнечных батарей и других приложений, где требуется кратковременное повышение мощности. Многие ошибочно полагают, что ионисторы заменяют батареи в долгосрочной перспективе, но, по крайней мере, с современными технологиями суперконденсаторов – это не что иное, как конденсаторы с высокой емкостью зарядки.

В этой статье мы узнаем, как безопасно зарядить такие суперконденсаторы, разработав простую схему зарядного устройства, а затем использовать ее для зарядки нашего суперконденсатора, чтобы проверить, насколько он хорошо удерживает энергию. Подобно аккумуляторным элементам, суперконденсатор также можно комбинировать для формирования блоков питания, но подход к зарядке блока суперконденсаторов отличается и выходит за рамки данной статьи. Здесь будет использоваться простой и общедоступный суперконденсатор 1F емкостью 5,5 В, который выглядит как монета. Мы научимся заряжать такой суперконденсатор и использовать его в подходящих приложениях.

Сравнивая суперконденсатор с батареями или аккумуляторами, стоит сказать, что суперконденсаторы имеют низкую плотность заряда и худшие характеристики саморазряда, но все же с точки зрения времени зарядки, срока годности и цикла зарядки они превосходят батареи. В зависимости от наличия тока зарядки, суперконденсаторы могут заряжаться менее чем за минуту, а при правильном обращении они могут работать более десяти лет.

По сравнению с батареями суперконденсаторы имеют очень низкое значение ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), что позволяет более высокому значению тока течь в или из конденсатора, позволяя ему быстрее заряжаться или разряжаться при высоком токе. Но из-за этой способности работать с большим током, суперконденсатор следует заряжать и разряжать безопасно для предотвращения теплового разгона. Когда дело доходит до зарядки суперконденсатора, есть два золотых правила: конденсатор должен заряжаться с правильной полярностью и с необходимым напряжением, не превышающим 90% его полной емкости по напряжению.

Суперконденсаторы, представленные на рынке сегодня, обычно рассчитаны на 2,5 В, 2,7 В или 5,5 В. Подобно литиевому элементу, эти конденсаторы должны быть соединены последовательно или параллельно для образования высоковольтных аккумуляторных батарей. В отличие от батарей, конденсатор при последовательном соединении будет взаимно суммировать его общее номинальное напряжение, что делает необходимым добавление большего количества конденсаторов для формирования батарейных блоков приличного значения. В нашем случае у нас есть конденсатор 1F 5,5 В, поэтому зарядное напряжение должно составлять 90% от 5,5, что составляет около 4,95 В.

При использовании конденсаторов в качестве элементов накопления энергии для питания наших устройств важно определить энергию, запасенную в конденсаторе, чтобы предсказать, как долго устройство может быть запитано. Формулы для расчета энергии, накопленной в конденсаторе, могут быть заданы как E = 1 / 2CV2. Таким образом, в нашем случае для конденсатора 1F 5,5 В при полной зарядке накопленная энергия будет составлять E = (1/2)* 1 * 5.52 = 15 Джоулей.

Теперь, используя это значение, мы можем вычислить, как долго конденсатор может питать устройства, например, если нам нужно 500 мА при 5 В в течение 10 секунд. Тогда энергия, необходимая для этого устройства, может быть рассчитана по формулам Энергия = Мощность x Время. Здесь мощность рассчитывается по формуле P = VI, поэтому для 500 мА и 5 В мощность составляет 2,5 Вт. Тогда Энергия = 2,5 х (10/60 * 60) = 0,00694 Вт*ч или 25 Дж. Отсюда можно сделать вывод, что нам понадобится как минимум два таких конденсаторов, подключенных параллельно (15 + 15 = 30), чтобы получить блок питания в 30 Дж, которого будет достаточно для питания нашего устройства в течение 10 секунд.

Когда дело доходит до конденсатора и аккумуляторов, мы должны быть очень осторожны с их полярностью. Конденсатор с подключенной обратной полярностью, скорее всего, нагреется и поплавится, а может и разорваться в худшем случае. У нас есть конденсатор типа монеты, полярность которого обозначена маленькой белой стрелкой, как показано ниже.

Направление стрелки указывает направление тока. Вы можете думать об этом так: ток всегда течет от положительного к отрицательному полюсу, и, следовательно, стрелка начинается с положительной стороны и указывает на отрицательную сторону. Здесь мы создадим зарядное устройство, которое стабилизирует напряжение в величину 5,5 В от адаптера 12 В, и используем его для зарядки суперконденсатора. Напряжение на конденсаторе будет контролироваться с помощью компаратора операционного усилителя, и как только конденсатор будет заряжен, схема автоматически отключит суперконденсатор от источника напряжения. Звучит интересно, так что давайте начнем.

Полная принципиальная схема для этой цепи зарядного устройства суперконденсатора приведена ниже.

Схема питается от 12-вольтового адаптера; Затем мы используем LM317 для регулирования 5,5 В для зарядки нашего конденсатора. Но эти 5,5 В будут поданы на конденсатор через полевой МОП-транзистор, действующий в качестве переключателя. Этот переключатель замыкается только в том случае, если напряжение на конденсаторе составляет менее 4,86 В, поскольку конденсатор получает заряд и при повышении напряжения, переключатель размыкается и препятствует дальнейшей зарядке батареи. Сравнение напряжения выполняется с использованием операционного усилителя, и мы также используем PNP-транзистор BC557 для свечения индикаторного светодиода, когда процесс зарядки завершен. Показанная выше принципиальная схема разбита на сегменты ниже для объяснения.

Рассмотрим цепь со стабилизатором напряжения.

Резистор R1 и R2 используется для определения выходного напряжения LM317 на основе формулы Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Здесь мы использовали значения 1 кОм и 3,3 кОм для регулирования выходного напряжения 5,3 В, которое достаточно близко к 5,5 В. Теперь посмотрим на цепь компаратора.

Мы использовали ИС компаратора LM311 для сравнения значения напряжения суперконденсатора с фиксированным напряжением. Это фиксированное напряжение подается на второй вывод с использованием схемы делителя напряжения. Резисторы 2,2 кОм и 1,5 кОм дают напряжение 4,86 В от 12 В. Это 4,86 вольта по сравнению с опорным напряжением (напряжения конденсатора), который соединен с контактом 3. Когда опорное напряжение меньше, чем 4.86 В вывод 7 перейдет в высокий логический уровень 12 В с нагрузочным резистором 10 кОм. Это напряжение будет затем использоваться для управления полевым МОП-транзистором (MOSFET). Собственно, вот схема с MOSFET.

В данном случае IRFZ44N используется для подключения суперконденсатора к напряжению зарядки на основе сигнала от операционного усилителя. Когда выход операционного усилителя поднимается до высокого уровня, он выводит 12 В на вывод 7, который аналогичным образом включает полевой МОП-транзистор через его базовый вывод, когда выход операционного усилителя понижается до 0 В, и МОП-транзистор открывается. У нас также есть PNP-транзистор BC557, который включит светодиод, когда MOSFET выключен, указывая, что напряжение на конденсаторе превышает 4,8 В.

Схема довольно проста и может быть собрана на макетной плате или довольно легко и быстро спаяна перфорированной плате, например, так:

Ионистор емкость

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *