Ионисторы, другое название суперконденсаторы или ультраконденсаторы - это такие устройства, похожие на конденсаторы в которых накапливается электрический заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред - электролита и электродами. Вся энергия в ионисторах хранится в виде статического заряда. Накопление энергии происходит за счёт приложенного постоянного напряжения на его внешние выводы. Проще можно сказать, что это обычные конденсаторы, которые в отличие от простых, обладают огромной емкостью.
Некоторые считают, что суперконденсаторы способны заменить аккумулятор. Но пока это не так Ионистор массой в один килограмм может накопить 3000 Дж энергии, а достаточно дешевый свинцовый аккумулятор - 86000 Дж. Но в случае отдачи большой мощности за очень короткое время аккумулятор быстро выйдет из строя. Ионистор можно многократно и без всякого вреда заставить отдавать любые мощности, зарядить ионистор можно за считанные секунды. Этот принцип нашел широкое применение в переносных рентгеновских аппаратах.
Как мы знаем из предыдущих лекций по электротехники, привычные нам имеют внутри обкладки из фольги, разделенные диэлектриком. Ионисторы это уже объединение емкости с электрохимической батареей. В ионисторе применяется специальный электролит и обкладки. В основном увеличение общей емкости суперконденсатора осуществляется за счет применения материалов имеющих достаточно большую собственную поверхностную площадь.
У ионисторов обкладки бывают следующих видов: с использованием активированного угля, проводящих полимеров и различных оксидов металлов. Использование сверхпористых угольных материалов позволяет получить общую плотность емкости от 10 Фарад/см 3 и даже выше. Суперконденсаторы на основе активированонного угля получаются более дешевыми при промышленном изготовлении. Их еще именуют DLC-конденсаторами - двухслойными, так как емкость накапливается в двойном слое, который образуется на поверхности обкладки.
Электролит ионисторов, может быть водным или органическим. Ионисторы содержащие водный электролит, обладают низким внутренним сопротивлением, но их напряжение заряда ограничено уровнем до одного вольта. Напротив, суперконденсаторы на основе органического электролита обладает достаточно большим сопротивлением, зато их уровень заряда 2-3 вольта.
Так как для питания различных электронных схем используется более высокие значения напряжения, чем имеется у одного ионистора, то для получения нужного номинала их соединяют последовательно. Емкость ионисторов измеряется в фарадах. В суперконденсаторах возможно добиться плотности мощности на массу рабочего вещества от одного до десяти Вт/кг. Это на порядок больше, чем у стандартных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.
К основным минусам в работе суперконденсатора можно отнести линейное снижение уровня напряжения в течение времени его работы до полного разряда. Поэтому ионисторы не могут удерживать полный заряд. Общая степень заряда вычисляется в процентах и зависит от того, какой номинал напряжения изначально будет приложен.
Если суперконденсатор заряжен до уровня напряжения в восемь вольт, а схема работает с минимальным напряжением четыре вольта, то выходит, что используемый заряд всего 50%. Оставшаяся электроэнергия в ионисторе оказывается совершенно ненужной. Для увеличения степени использования энергии применяют преобразователи, но при этом значительно падает КПД.
Применение ионисторы нашли в питании микросхем памяти, в цепях фильтрации. Они также хорошо работают в паре с батареями.
Плюсы ионисторов.
Малое внутреннее сопротивление, увеличенный срок службы, отсутствие ограничений по количеству циклов заряд/разряд, малая стоимость, широкий диапазон рабочих температур, быстрый процесс заряда и разряда, работа при любом напряжении, что не выше номинального, нет необходимости контроля за зарядом
Минусы ионисторов.
Низкая энергетическая плотность, нет возможности обеспечения достаточного накопления энергии, низкое напряжение на одном ионисторе, высокий уровень саморазряда
Все более популярным становится использование солнечных батарей в резервных системах электроснабжения. Однако, и в отдаленных, и в подсоединенных к централизованным сетям районах, фотоэлектрические системы являются источником чистой энергии, не загрязняющей окружающую среду подобно тепловым электростанциям
По своему принципу ионистор состоит из двух помещенных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием внещнего напряжения появляется двойной электрический слой. Для получения больших номиналов емкостей в них используют электроды из пористых материалов, для увеличения площади за счет поверхности пор.
Самодельный ионистор состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к начинке на основе активированного угля. Уголь ровно уложен двумя слоями, между которыми имеется тонкий разделительный слой диэлектрика. Все это пропитано электролитом.
В процессе зарядки ионистора в одной его половине на порах угля появляется двойной электрический слой с чыободными электронами на поверхности, а в другой - с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают двигаться навстречу друг другу. При их встрече возникают нейтральные атомы, а накопленный заряд снижается и со временем исчезает полностью
Чтобы помешать этому движению зарядов, между слоями активированного угля и имеется диэлектрический разделительный слой. Он может быть из тонких пластиковых пленок. В радиолюбительских ионисторах электролитом является 25% раствор поваренной соли.
В роли самодельных электродов служат медные пластины с заранее припаянными к ним выводами. Рабочие поверхности необходимо очистить от окислов. Это можно сделать с помощью крупнозернистой шкурки, оставляющей царапины. Эти рытвинки увеличат сцепление угля с медью. Для лучшего сцепления пластины рекомендуется обезжирить. Для этого их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают чистой проточной водой.
Активированный уголь, приобретают в аптеке, растирают и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают обезжиренные пластины.
При первом испытании пластины с диэлектриком в виде листов бумаги кладут одна на другую, после этого заряжают. Учтите при напряжении выше одного вольта начинается выделение газов Н 2 , О 2 . Поэтому следует заряжать его от источника питания с напряжением не более одного В.
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 E lectric D ouble L ayer C apacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.
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 (RbAg 4 I 5 ) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H 2 SO 4 . 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…+70 0 C). При температуре больше +70 0 С 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.
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.
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. R н – 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?
Окружающая среда может служить источником бесконечного количества энергии самых разнообразных форм, включая пьезоэлектрическую, тепловую, фотогальваническую и энергию вибрации, однако мощность ее весьма мала и крайне далека от пиковой потребности передатчиков беспроводных сетей, таких как IEEE 802.15.4 (Zigbee), 802.11 (WLAN), или GSM/GPRS. Чтобы обеспечить датчик достаточной мощностью для каждого цикла измерений и передачи данных, энергию необходимо накапливать в буфере, в качестве которого удобнее всего использовать ионисторы. Такие устройства накопления энергии медленно заряжаются от маломощного источника и кратковременно отдают большую мощность, когда это необходимо.
Определение необходимой емкости ионистора
Типичное рабочее напряжение ионисторных элементов лежит в диапазоне от 2.3 до 2.8 В. Оптимальная стратегия, позволяющая эффективно и с минимальными издержками запасать необходимую для приложения энергию, реализуется ограничением напряжения заряда до уровня, несколько меньшего, чем допустимое напряжение ионистора.
Простой способ определения необходимой емкости ионистора заключается в том, чтобы рассчитать количество энергии, необходимое для обеспечения устройства достаточной мощностью P в периоды максимального потребления, и приравнять его к выражению
C - емкость ионистора (в фарадах),
V INITIAL - напряжение на ионисторе непосредственно перед началом периода пикового потребления,
V FINAL - напряжение на ионисторе в конце этого периода.
V INITIAL - ESR I LOAD
I LOAD - ток нагрузки.
Поскольку напряжение на нагрузке уменьшается, ток нагрузки для поддержания расчетного уровня мощности увеличивается. Руководствуясь Рисунком 1, разработчики могут описать разряд ионистора следующими выражениями:
V SCAP - напряжение на ионисторе.
Из приведенных выражений вытекает уравнение для тока нагрузки:
Затем разряд ионистора может быть легко смоделирован в Excel на основании формул
Этот расчет исключительно важен, особенно, если произведение тока нагрузки на ESR достаточно велико в сравнении с напряжением на ионисторе в конце цикла разряда. В этом случае простая оценка энергетического баланса может показать, что емкость ионистора слишком мала, причем с понижением рабочей температуры нехватка емкости будет проявляться сильнее, так как при низких температурах ESR становится в два-три раза больше, чем при комнатной температуре.
Необходимо также помнить, что емкость и ESR ионистора изменяются со временем вследствие старения. Емкость постепенно падает, а внутреннее сопротивление возрастает. Скорость старения зависит от напряжения на элементе и температуры. Разработчикам следует учитывать это, выбирая ионистор с запасом по обоим параметрам, исходя из расчетного срока службы датчика.
Зарядка ионистора
Для источника энергии разряженный ионистор представляет собой короткозамкнутую нагрузку. К счастью, многие устройства сбора энергии, такие, например, как фотогальванические элементы и микрогенераторы, могут работать на нулевое сопротивление, а значит, способны заряжать ионистор с нуля. Если же источником энергии служит пезо- или термоэлектрический преобразователь, способностью выдерживать короткое замыкание по выходу должна обладать микросхема, стоящая между источником и ионистором.
Промышленность создала множество контроллеров MPPT (Maximum Power Point Tracking - слежение за точкой максимальной мощности), обеспечивающих максимально эффективное использование устройств сбора энергии. Но все они, являясь, по сути, специализированными DC/DC преобразователями, рассчитаны на заряд аккумуляторов постоянным напряжением .
Однако, в отличие от аккумулятора, ионистор наиболее эффективно заряжается не постоянным напряжением, а током, причем максимальным, т.е. всем, который только в состоянии отдать источник. На Рисунке 2 приведена схема простого и эффективного зарядного устройства, применимого в тех случаях, когда напряжение холостого хода солнечной батареи не выходит за границы, допустимые для ионистора. Диод предохраняет ионистор от разряда через солнечную батарею в темное время суток. Если напряжение холостого хода источника энергии превышает рабочее напряжение ионистора, для его защиты потребуется шунтовой регулятор напряжения (Рисунок 3). Шунтовой (параллельный) регулятор - самый простой и дешевый способ защиты ионистора от перегрузки по току. После того, как ионистор зарядится, энергия источника становится ненужной, и регулятор просто рассеивает ее в виде тепла.
Устройство сбора энергии подобно шлангу с бесконечным источником воды, через который заполняется бочка, являющаяся аналогом ионистора. Если шланг не вынуть из бочки после ее заполнения, вода просто начнет переливаться через край. Это сравнение иллюстрирует еще одно принципиальное отличие ионистора от аккумулятора, энергетическая емкость которого ограничена, что требует точного управления зарядкой с помощью последовательного регулятора напряжения.
В изображенной на Рисунке 2 схеме в начальный момент напряжение на ионисторе равно 0 В, вследствие чего солнечная батарея закорочена. По мере заряда ионистора ток уменьшается в соответствии с вольтамперной характеристикой фотогальванического элемента. Ионистор всегда заряжается до максимально возможного уровня, так как забирает самый большой ток, который только способен отдать источник. В схеме на Рисунке 3 использована микросхема , в которой помимо компаратора содержится источник опорного напряжения. Микросхема исключительно экономична, так как потребляет порядка 3 мкА и имеет открытый сток на выходе, при выключенном регуляторе представляющий собой обрыв. Диод Шоттки выбран из-за низкого прямого падения напряжения при малых токах. Если прямой ток не превышает 10 мкА, напряжение на диоде не выйдет за пределы 0.1 В.
Микрогенераторы идеально подходят для промышленных приложений, в особенности таких, как контроль уровня вибраций вращающихся механизмов, которые, по определению, не могут не вибрировать при работе. На Рисунке 4 показана вольтамперная характеристика микрогенератора, весьма напоминающая характеристику фотогальванического элемента. Микрогенератор содержит диодный мост, не позволяющий ионистору разряжаться через генератор, что позволяет сделать схему заряда очень простой (Рисунок 5).
Напряжение холостого хода 8.5 В заставило выбрать двухэлементные ионисторы HZ202 с рабочим напряжением 5.5 В. Шунтовой регулятор защищает ионистор от перенапряжения и, одновременно, выполняет функцию слаботочной схемы активной балансировки, гарантирующей равное распределение токов между элементами. Специально для заряда ионисторов в схемах сбора энергии Linear Technology выпускает микросхемы , LTC3108 и LTC3625 , а Texas Instruments - .
Ток утечки
Некоторые устройства сбора энергии выдают ток, измеряемый единицами микроампер, поэтому нельзя не принимать во внимание утечки ионисторов. Рисунок 6 показывает, что ионисторы могут иметь ток утечки менее 1 мкА, что позволяет использовать их в схемах извлечения энергии.
После зарядки ионистора ток утечки постепенно, по мере того, как ионы диффундируют в поры угольного электрода, снижается, стремясь к равновесному значению, зависящему от емкости, напряжения и времени. Ток утечки пропорционален емкости элемента и в установившемся режиме подчиняется эмпирическому правилу, согласно которому при комнатной температуре он составляет 1 мкА/Ф. Так, из Рисунка 6 мы видим, что ионисторы емкостью 150 мФ по истечении 160 часов имеют ток утечки 0.2 и 0.3 мкА. С ростом температуры ток утечки экспоненциально увеличивается. Время установления равновесного состояния при увеличении температуры уменьшается вследствие роста активности ионов. Таким образом, совершенно очевидно, что для возможности начала зарядки полностью разряженных ионисторов требуется определенный минимальный ток в диапазоне от 5 до 50 мкА. При выборе ионистора для устройства сбора энергии разработчики не должны забывать про этот очень важный параметр.
Балансировка элементов
Если в какой-то схеме напряжение превышает допустимое для ионисторной ячейки, составляя, скажем, 5 или 12 В, несколько элементов придется соединять в последовательную батарею. В этом случае потребуется схема балансировки ионисторных ячеек, без которой напряжения на элементах батареи будут различаться из-за некоторого разброса токов утечки и неодинакового характера их зависимости от напряжения. При последовательном включении токи утечки элементов должны быть одинаковыми, для чего ячейки стремятся соответствующим образом перераспределять заряды между собой. При этом напряжение на какой-то из них может выходить за разрешенные границы. Проблема будет усугубляться различиями в температуре и возрасте элементов. Простейшая схема балансировки получается при включении резистора, параллельно каждому элементу. В зависимости от тока утечки ионистора, типичное сопротивление этого резистора может быть от 1 до 50 кОм. Однако для большинства устройств сбора энергии ток, протекающий через резисторы балансировки, окажется недопустимо большим. Гораздо лучше подходит для таких приложений изображенная на Рисунке 7 слаботочная схема активной балансировки.
Для работы изображенного на схеме операционного усилителя с rail-to-rail входами и выходом требуется ток порядка 750 нА. Резистор R3 ограничивает выходной ток в случае короткого замыкания одной из ячеек. После 160 часов балансировки ионисторов HW207 вся схема потребляет от 2 до 3 мкА.
Температурные характеристики
Важнейшим преимуществом ионисторов в приложениях для сбора энергии является их широкий диапазон рабочих температур. Например, ионисторы могут использоваться с вибропреобразователями при отрицательных температурах или c солнечными панелями в ясный зимний день. В типичном случае ESR ионисторов при -30°C увеличивается в два-три раза по сравнению с ESR при комнатной температуре. Для сравнения, внутреннее сопротивление аккумуляторов при таких температурах может достигать нескольких килоом.
Подключение дополнительных аккумуляторов
В одних приложениях ионисторы могут служить альтернативой аккумуляторам, в других - средством их поддержки. В некоторых ситуациях ионистор не сможет запасать достаточное количество энергии, и потребуется использовать аккумулятор. Например, если источником энергии является солнце, необходимо устройство накопления, способное не только обеспечивать передатчик пиковой мощностью, но и поддерживать работу всей системы продолжительное время в течение ночи. Если требуемая пиковая мощность превышает максимальную мощность, которую в состоянии отдать аккумулятор, что типично, скажем, для вызовов GSM или для маломощных передатчиков, работающих при низкой температуре, решить проблему можно с помощью ионистора, заряжаемого от аккумулятора. Этим не только решается проблема энергетического баланса, но и увеличивается ресурс аккумулятора, степень разряда которого никогда не будет глубокой. Энергия запасается в ионисторах за счет физического накопления заряда, в отличие от аккумуляторов, работа которых основана на химических реакциях, поэтому количество циклов перезаряда ионисторов практически неограниченно.
Когда заряжаемый от аккумулятора ионистор используется как источник импульсной мощности, очень важно правильно оценивать и учитывать величину интервалов между пиками потребления тока. Если интервалы относительно малы, энергетически эффективнее держать ионистор в режиме постоянного заряда. При более редкой периодичности пиков целесообразнее заряжать ионистор непосредственно перед началом разряда. Этот интервал зависит от ряда факторов, включая величину заряда, накапливаемого ионистором до установления равновесного уровня тока утечки, характеристику саморазряда и пиковое потребление схемы. Но все это имеет смысл лишь в том случае, когда моменты максимального потребления тока известны заранее. Если же они наступают вследствие непредсказуемых событий, такие как отказ аккумулятора или внешнее воздействие, оптимизировать режим использования ионистора невозможно.
Большинство современных ионисторов (суперконденсаторов) выпускается с рейтингом напряжения 2,7 или 2,85 В. Единственным поставщиком этих компонентов с рейтингом 3,0 В является корейская компания VINATech. Даже столь незначительное повышение напряжения дает целый ряд преимуществ, например, позволяет существенно продлить срок службы компонента.
Суперконденсаторы (ионисторы, ультраконденсаторы) представляют собой элементы питания, которые занимают промежуточное положение между химическими источниками тока (аккумуляторами и батарейками) и обыкновенными конденсаторами (рисунок 1).
Традиционные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: большую емкость, низкие токи утечек, малые габариты. Однако есть у них и недостатки: длительный цикл заряда, относительно невысокая нагрузочная способность, ограниченное число циклов заряда-разряда. Обычные электролитические конденсаторы отличаются практически неограниченным числом циклов заряда-разряда и высокой пиковой отдаваемой мощностью, но емкость их невелика. Ионисторы, они же суперконденсаторы, по величине емкости уступают только химическим источникам тока (ХИТ), а по скорости и мощности заряда и разряда приближаются к электролитическим конденсаторам.
История суперконденсаторов насчитывает более пятидесяти лет. Начало было положено в 1957 году компанией General Electric, которая создала и запатентовала первый конденсатор с двойным электрическим слоем. Далее последовали подобные разработки других компаний. В Советском Союзе выпускались аналогичные элементы – ионисторы КИ1-1.
Нелишне заметить: часто с целью обеспечения патентной чистоты для новых элементов придумывали новые названия. По сути, двухслойный электрохимический конденсатор, ультраконденсатор, суперконденсатор и ионистор – это одно и то же.
Сейчас на рынке присутствуют различные производители, которые, в основном, выпускают ультраконденсаторы с номинальным напряжением 2,7 В. Наиболее продвинутые предлагают элементы питания с напряжением 2,85 В. Единственной компанией, производящей суперконденсаторы с напряжением 3,0 В, является VINATech (Южная Корея).
Почему максимально высокое номинальное напряжение так важно для суперкондесаторов? Во-первых, чаще всего они применяются совместно с аккумуляторами, у которых напряжение в заряженном состоянии оказывается выше, чем 2,7 В, а значит, их прямое параллельное включение исключено. Вместо этого приходится использовать преобразователи или последовательно соединять суперконденсаторы, что осложняется необходимостью балансировки.
Во-вторых, как показывают исследования, если суперконденсатор работает при напряжениях меньше номинального, это приводит к резкому росту срока службы . Например, для стандартных суперкондесаторов с рейтингом 2,7 В срок службы при напряжении 2,7 В и температуре 25°С составляет 15,7 лет, а при температуре 40°С падает до 6,6 лет (рисунок 2). При аналогичных условиях срок службы суперконденсаторов 3,0 В производства VINATech оценивается в 80,5 и 27,5 лет соответственно, то есть в 4…5 раз больше.
Таким образом суперконденсаторы 3,0 В VINATech имеют увеличенный срок службы не только при обычных, но и при повышенных температурах. По расчетам инженеров VINATech, даже при температуре 85°С суперконденсаторы будут работать почти полгода при напряжении 2,7 В (таблица 1).
Таблица 1. Зависимость срока службы суперконденсаторов 3,0 В VINATech от рабочего напряжения и температуры
| Напряжение, В | Температура, ºC | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 25 | 40 | 50 | 60 | 70 | 85 | |||||||
| Тыс. часов | Лет | Тыс. часов | Лет | Тыс. часов | Лет | Тыс. часов | Лет | Тыс. часов | Лет | Тыс. часов | Лет | |
| 2,1 | 2012 | 229,7 | 711,3 | 81,2 | 355,7 | 40,6 | 177,8 | 20,3 | 88,92 | 10,2 | 31,44 | 3,6 |
| 2,2 | 1423 | 162,4 | 503 | 57,4 | 251,5 | 28,7 | 125,7 | 14,4 | 62,87 | 7,18 | 22,23 | 2,5 |
| 2,3 | 1006 | 114,8 | 355,7 | 40,6 | 177,8 | 20,3 | 88,91 | 10,2 | 44,46 | 5,08 | 15,72 | 1,8 |
| 2,4 | 711,3 | 81,2 | 251,5 | 28,7 | 125,7 | 14,4 | 62,87 | 7,18 | 31,44 | 3,59 | 11,11 | 1,3 |
| 2,5 | 503 | 57,42 | 177,8 | 20,3 | 88,91 | 10,2 | 44,46 | 5,08 | 22,23 | 2,54 | 7,86 | 0,9 |
| 2,6 | 355,6 | 40,6 | 125,7 | 14,4 | 62,87 | 7,18 | 31,44 | 3,59 | 15,72 | 1,79 | 5,56 | 0,6 |
| 2,7 | 251,5 | 28,71 | 88,91 | 10,2 | 44,46 | 5,08 | 22,23 | 2,54 | 11,11 | 1,27 | 3,93 | 0,5 |
| 2,8 | 177,8 | 20,3 | 62,87 | 7,18 | 31,44 | 3,59 | 15,72 | 1,79 | 7,86 | 0,9 | 2,78 | 0,3 |
| 2,9 | 125,7 | 14,35 | 44,46 | 5,08 | 22,23 | 2,54 | 11,11 | 1,27 | 5,56 | 0,63 | 1,96 | 0,2 |
| 3 | 88,9 | 10,15 | 31,44 | 3,59 | 15,72 | 1,79 | 7,86 | 0,9 | 3,93 | 0,45 | 1,39 | 0,2 |
Качество элементов питания (аккумуляторов, суперконденсаторов, конденсаторов) практически полностью определяется качеством материалов и соблюдением технологий. По этой причине к новичкам на этом рынке относятся настороженно. Такое же отношение может возникнуть и к VINATech, поэтому необходимо сказать несколько слов о данном производителе.
Южнокорейская компания VINATech только сейчас выходит на российский рынок, хотя в глобальном масштабе является одним из лидеров отрасли. С момента основания в 1999 году VINATech остается инновационным производителем. К настоящему времени компания успела зарегистрировать 183 патента, относящихся к конструктивным особенностям суперконденсаторов, используемым материалам и технологиям производства.
В 2002 году VINATech успешно завершила разработку собственной технологии углеродных нанотрубок CNF(Carbon Nano Fiber), после чего быстро наладила выпуск суперкондесаторов, гибридных конденсаторов и модулей под общим наименованием Hy-Cap.
С 2011 года компания VINATech запустила производство профильной продукции: элементов топливных ячеек, угольных фильтров и прочего.
Рассмотрим более подробно технологии и особенности элементов питания, предлагаемых компанией.
VINATech выпускает широкую номенклатуру суперконденсаторов Hy-Cap EDLC и гибридных конденсаторов Hy-Cap P-EDLC.
Суперконденсаторы Hy-Cap EDLC (Electric Double Layer Capacitor) построены по схеме с двойным электрическим слоем (ДЭС) (рисунок 3). Электроды суперконденсатора погружены в жидкий электролит и разделены сепаратором. На их поверхности сформирован слой пористого углеродного покрытия. При приложении внешнего напряжения свободные ионы электролита перемещаются в сторону противоположно заряженных электродов. Ионы не проникают внутрь и не взаимодействуют с поверхностью электродов из-за электрохимических особенностей углеродного покрытия. В результате образуются два электронных слоя, которые и являются источником запасаемой энергии.
Hy-Cap – Hybrid Capacitor, или Hy-Cap P-EDLC – комбинированные накопители энергии, у которых один из электродов выполнен по схеме ДЭС, а второй представляет собой псевдоконденсатор.
В суперконденсаторах для запасания энергии используется только электростатическое взаимодействие пассивных угольных электродов с электролитом. В псевдоконденсаторах применяются активные электроды, которые способны вступать в окислительно-восстановительные реакции с электролитом. То есть накопление энергии идет как за счет ДЭС, так и за счет обратимых химических реакций.
В результате емкость P-EDLC значительно выше, чем у EDLC, но, к сожалению, их пиковая мощность оказывается ощутимо меньше (таблица 2). По сроку службы Hy-Cap EDLC также оказываются далеко впереди. Таким образом, Hy-Cap EDLC будут идеальным выбором для устройств с ярко выраженным импульсным потреблением и значительными пиковыми токами, в то время как Hy-Cap P-EDLC подойдут для приложений с более равномерным распределением потребления.
Таблица 2. Сравнение характеристик Hy-Cap EDLC и Hy-Cap P-EDLC
| Параметр | Hy-Cap EDLC | Hy-Cap P-EDLC |
|---|---|---|
| Механизм накопления | Электростатическое накопление заряда + химическое взаимодействие | |
| Рейтинг напряжения, В | 2,5/2,7/3,0 | 2,3 |
| Удельная емкость, Вт·ч/кг | 3…5 | 7…12 |
| Удельная мощность кВт/кг | 2…3 | 1…2 |
| 90…95 | 90…95 | |
| Диапазон рабочих температур, ℃ | -40…70 | -25…60 |
| Срок службы, количество циклов заряда-разряда | более 500 000 | более 100 000 |
При выборе подходящего накопительного элемента разработчикам необходимо определиться с типом элемента, величиной требуемой емкости, конфигурацией выводов и прочими параметрами. Широкая номенклатура накопителей от VINATech позволяет легко это сделать.
VINATech выпускает широкую номенклатуру одиночных суперконденсаторов Hy-Cap EDLC, одиночных гибридных конденсаторов Hy-Cap P-EDLC, а также их сборок. Кроме серийных образцов VINATech может производить накопители по техническому заданию заказчика (рисунок 4).
Таблица 3. Характеристики семейств накопителей от VINATech
| Наименование | Uном, В | Емкость, Ф | ESR, мОм | Iмакс, А | Iутечки, мА | Габариты, мм | Вес, г | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AC (1 кГц) |
DC | D | L | ||||||
| Одиночные ячейки EDLC | |||||||||
| VEC3R0xxxQx (прямые выводы) | 3 | 1…60 | 12,5…145 | 19…220 | 1…42 | 0,003…0,18 | 8…18 | 13…40 | 1,1…13,5 |
| VEC3R0xxxQx (выводы snap-in) | 3 | 100…500 | 3…6 | 4,5…10 | 75…230 | 0,3…1,5 | 22…35 | 45…82 | 17,1…96,0 |
| VEC2R7xxxQx (выводы snap-in) | 2,7 | 1…100 | 10…130 | 16…195 | 1…51 | 0,002…0,2 | 8…18 | 13…59 | 0,7…15,0 |
| VEC2R7xxxQx (выводы snap-in) | 2,7 | 100…500 | 3…6 | 4,5…10 | 65…205 | 0,2…1,0 | 22…35 | 45…82 | 17,1…96,0 |
| VEC2R7xxxHG-W (аксиальные выводы) | 2,7 | 650…3000 | 0,21…0,5 | 0,28…0,7 | 603…2201 | 1,5…5,2 | 60,4 | 51,5…138 | 215…535 |
| VEC2R7xxxHG-T (аксиальные выводы с резьбой) | 2,7 | 650…3000 | 0,21…0,5 | 0,28…0,7 | 603…2201 | 1,5…5,2 | 60,4 | 51,5…138 | 215…535 |
| VEC2R5xxxQx (прямые выводы) | 2,5 | 1…60 | 25…400 | 40…600 | 0,5…22 | 0,002…0,12 | 8…18 | 13…40 | 0,7…10,2 |
| VEC2R5xxxQx (выводы snap-in) | 2,5 | 120…500 | 5…18 | 9…30 | 32…110 | 0,24…1,0 | 22…35 | 45…82 | 17,1…78,9 |
| Одиночные ячейки P-EDLC | |||||||||
| VHC2R3xxxQx (прямые выводы) | 2,3 | 10…120 | 45…220 | 80…700 | 0,5…3 | 0,002…0,24 | 8…18 | 20…40 | 2,5…16,0 |
| VHC2R3xxxQx (выводы snap-in) | 2,3 | 220…800 | 10…30 | 15…45 | 3,5…12,5 | 0,44…1,6 | 22…35 | 45…70 | 17,1…69,2 |
| Сдвоенные модули EDLC | |||||||||
| VEC5R0xxxQx (прямые выводы) | 5 | 0,5…7,5 | 145…805 | 205…1205 | 0,5…7,5 | 0,002…0,03 | 8,5…13 | 17…26 | 3,0…9,6 |
| VEC5R4xxxQx (прямые выводы) | 5,4 | 0,5…7,5 | 55…265 | 85…395 | 1…12,5 | 0,002…0,03 | 8,5…13 | 17…26 | 2,6…9,6 |
| VEC6R0xxxQx (прямые выводы) | 6 | 0,5…5,0 | 55…295 | 85…445 | 1…10 | 0,003…0,03 | 8,5…10,5 | 17…21 | 2,5…6,6 |
| Высоковольтные модули | |||||||||
| VEM16R0606QG | 16 | 60 | – | 22 | 200 | 22 | 51,8×242,2 | 76,5 | 670 |
| VEM16R0507QG | 16 | 500 | – | 2,1 | 2000 | 5,2 | 68×418 | 177 | 5500 |
| VEM48R0167QG | 48 | 166 | – | 6,3 | 1900 | 5,2 | 191×418 | 177 | 13500 |
Одиночные суперконденсаторы Hy-Cap EDLC семейства VEC выпускаются в четырех конструктивных исполнениях (с прямыми выводами, с выводами-защелками, с аксиальными выводами, аксиальными выводами с резьбой) и с тремя номинальными напряжениями: 2,5/2,7/3,0 В.
Это самое «разношерстное» семейство, так как в него входят как относительно маломощные VEC3R0xxxQx с емкостью от 1 Ф и током от 1 А, так и мощные суперконденсаторы с аксиальными выводами, например, VEC2R7xxxHG , с емкостью до 3000 Ф и выходным током до 2201 А.
Одиночные гибридные конденсаторы Hy-Cap P-EDLC семейства VHC. Представители семейства имеют номинальное напряжение 2,3 В. Главным достоинством этих накопителей является высокая удельная емкость, которая у отдельных представителей достигает 800 Ф при достаточно скромных габаритах 35×70 мм. По сравнению с Hy-Cap EDLC гибридные конденсаторы имеют невысокие выходные токи до 12,5 А.
Сдвоенные суперконденсаторы Hy-Cap EDLC семейства VEC представляют собой пару последовательно соединенных суперконденсаторов EDLC, поэтому они имеют удвоенное номинальное напряжение 4,0/5,4/6,0 В.
Сборки суперконденсаторов Hy-Cap EDLC семейства VEM представляют собой сборные стандартные модули с выходными напряжениями 16/48 В, высокой емкостью и высоким выходным током до 2000 А.
Здесь еще раз стоит отметить, что компания VINATech готова производить модули по техническим требованиям заказчика. При этом пользователь получает сборку из суперконденсаторов, балансировка которых выполняется по запатентованной технологии VINATech.
Роль суперконденсаторов или гибридных конденсаторов в системе питания зависит от конкретного приложения. Богатая номенклатура накопителей от VINATech позволяет найти наиболее подходящий элемент для каждого конкретного устройства.
Суперконденсатор может использоваться в системе питания:
Суперконденсатор как основной элемент питания. В последнее время суперконденсаторы и гибридные конденсаторы все чаще рассматриваются в качестве основных элементов питания в целом ряде приложений. Этому способствуют:
В результате современная элементная база позволяет создавать малопотребляющие устройства, которые могут обойтись и без аккумулятора. Примерами таких устройств становятся автономные датчики, в том числе – и с поддержкой Bluetooth Low Energy . Не стоит забывать, что суперконденсаторы, в отличие от химических элементов тока, могут работать и при отрицательных температурах, что также важно для автономных датчиков.
Тем не менее, широкому использованию суперконденсаторов в качестве основного элемента питания мешает высокий саморазряд и невысокая емкость.
Суперконденсатор как резервный элемент питания. В целом ряде приложений требуется резервный или дежурный источник питания. Резервирование необходимо, например, в системах сигнализации и аварийного освещения, черных ящиках автомобилей и так далее. В качестве дежурного источника суперконденсатор часто применяется в малопотребляющих системах, где он используется во время сна, например, для питания дежурного таймера.
Суперконденсатор как буферный элемент. В данном режиме суперконденсатор работает параллельно с аккумулятором и выступает в роли буферного источника питания.
Преимущества такого режима работы вытекают из сравнения характеристик аккумуляторов и суперконденсаторов (таблица 4). Аккумуляторы отличаются огромной емкостью, но сильно ограничены по величине выходного тока из-за высокого внутреннего сопротивления. Суперконденсаторы хотя и не могут похвастаться большой емкостью, зато могут обеспечивать огромный нагрузочный ток. Таким образом, суперконденсатор и аккумулятор идеально дополняют друг друга.
Таблица 4. Сравнение суперконденсаторов и аккумуляторов
| Параметр | Суперконденсаторы | Аккумуляторы |
|---|---|---|
| Механизм накопления | Электростатическое накопление заряда | Химическое взаимодействие |
| Удельная емкость, Вт·ч/кг | 3…5 | 20…150 |
| Удельная мощность, кВт/кг | 2…3 | 0,05…0,3 |
| Время заряда | Быстрое 1…30 с | 0,3…3 часа |
| Срок службы | более 500,000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет | 500…2000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет |
| Эффективность заряда-разряда, % | 90…95 | 70…85 |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40…70 | -20…70 |
Очевидно, что совместное использование аккумуляторов и ионисторов во всех приложениях без разбора будет как минимум неоправданно экономически, а также негативно скажется на габаритах устройства. По этой причине такой режим чаще всего используется в четырех основных случаях .
Если в таких случаях параллельно с нагрузкой поместить суперконденсатор, то он позволит сгладить импульсы напряжения, обеспечив основную часть импульса тока. В результате со стороны нагрузки будут наблюдаться небольшие колебания вблизи реального уровня напряжения аккумулятора и выключение устройства произойдет при более полном разряде элемента питания. Таким образом, формально можно считать, что в рамках таких приложений суперконденсатор продлевает время работы аккумулятора.
Ярким примером такого использования суперконденсаторов являются болиды Формулы 1. На них применяются системы рекуперации энергии KERS. О важности и эффективности этой системы говорит тот факт, что без надежной работы KERS болиды автоматически попадают в ранг аутсайдеров.
Стоит отметить, что в большинстве рассмотренных случаев одиночные ячейки суперконденсаторов нельзя подключать к аккумулятору напрямую. Это связано с несовпадением уровней напряжения и необходимостью ограничения тока заряда. По этой причине используются ограничители тока и последовательное или параллельно-последовательное включение ионисторов. Если принято решение о последовательном включении, то не стоит забывать о важности балансировки ячеек, в частности, необходимо позаботится о выравнивании напряжений. Если требуются многоячеечные модули, лучше сразу обриться к VINATech.
Важно напомнить, что Hy-Cap EDLC производства VINATech стали первыми ионисторами с номинальным напряжением 3,0 В. Это позволяет напрямую подключать их к литий-диоксидмарганцевым батарейкам.
Рассмотрим некоторые примеры использования суперконденсаторов .
Дежурное питание в электронных приборах. Большая часть современных электронных устройств использует режимы пониженного потребления. В режиме глубокого сна практически все цифровые и аналоговые микросхемы отключаются, а активным остается только дежурный таймер, который периодически пробуждает систему. Потребление при этом оказывается на уровне единиц и десятков микроампер. Если для питания таймера использовать суперконденсатор – можно дополнительно сократить потребление за счет отключения основной системы питания.
Радиопередающие устройстваGPS/GPRS (навигаторы, трекеры, мобильные телефоны и так далее). В таких приложениях наличие буферного суперконденсатора позволяет увеличить срок службы аккумуляторов и расширить диапазон рабочих температур устройства.
Счетчики энергии. Большинство современных счетчиков представляет собой достаточно сложные электронные устройства, зачастую – со встроенными интеллектуальными функциями и радиоинтерфейсом. При отключении внешнего питания счетчик должен успевать сохранять измеренные значения, для этого необходимо предусмотреть внутренний источник резервного питания, например, суперконденсатор EDLC. С одной стороны, он способен обеспечивать необходимую нагрузку в течение долгого времени, а с другой – не нуждается в обслуживании, и пользователю не требуется думать о смене батарейки.
Источники бесперебойного питания. ИБП используются для резервного питания устройств при отключении электричества. При этом активируется встроенный накопитель энергии, в качестве которого может выступать батарея из мощных суперконденсаторов.
Аварийное освещение. Во время отключения электричества в общественных местах необходимо обеспечить питание аварийного освещения. При этом потребляемая мощность оказывается не очень высокой благодаря использованию современных светодиодов. Суперконденсаторы подходят для таких приложений, так как имеют достаточную емкость и не требуют обслуживания.
Солнечные электростанции башенного типа. Такие электростанции состоят из двух основных элементов: башни с водяным бойлером и гелиостата. Гелиостат – набор из подвижных зеркал, которые отражают солнечные лучи в башню. Чтобы следить за перемещением солнца, зеркала должны поворачиваться. Для питания электроприводов удобно использовать суперконденсаторы, так как они отличаются высокой рабочей температурой и не требуют обслуживания.
Твердотельные жесткие диски. В данном случае суперконденсаторы могут использоваться в качестве резервного источника питания.
Электромобили и автомобили с гибридными силовыми установками. Как уже рассказывалось выше, для создания системы рекуперации энергии суперконденсаторы являются идеальным решением, так как способны быстро отдавать и запасать энергию.
Автомобильные «черные ящики». Изначально такие блоки были предназначены для активации подушек безопасности при авариях. Однако сейчас эти модули дополнительно выполняют сбор различных данных: скорость, состояние педалей, время, местоположение и так далее. Очевидно, что после аварии нет гарантий, что электросистема автомобиля не будет повреждена. По этой причине «черный ящик» должен иметь дежурный источник, который будет питать модуль хотя бы в течение 10…15 с после аварии. В данном случае суперконденсаторы окажутся более предпочтительным вариантом по сравнению с аккумуляторами, так как для автомобильных приложений важен широкий диапазон рабочих температур. Кроме того, «черный ящик» должен быть необслуживаемым блоком, а при использовании аккумуляторов это затруднительно.
Мультимедийные аудиосистемы. При старте двигателя из-за высокого пускового тока наблюдается резкая просадка напряжения бортовой системы, а при коммутации индуктивных нагрузок, например, катушек реле, могут появляться значительные перенапряжения. Электронные блоки автомобиля должны выдерживать эти колебания. Для этого могут использоваться суперконденсаторы EDLC требуемой мощности.
Элеваторы и лифты. В данном случае суперконденсаторы выполняют двоякую роль. Во-первых, они используются для рекуперации энергии. Когда лифт движется вниз – энергия запасается в ионисторе. Когда же лифт движется вверх – ионистор отдает накопленную мощность. Во-вторых, современные лифты часто снабжаются системой аварийного открывания дверей, которая требует резервного источника питания при отсутствии электричества. Как правило, это чрезвычайно важная функция с точки зрения пожарной безопасности, так как при пожаре в первую очередь необходимо обесточить здание. Конечно, в данном случае для работы от суперконденсатора потребуется инвертор.
Системы запуска двигателей и дизель-генераторов. При запуске дизель-генератора стартовый ток оказывается значительным, и аккумулятор не всегда может его обеспечить. Мощные суперконденсаторы семейств VEM решают эту проблему.
Ветрогенераторы. В случае возникновения аварийной ситуации требуется разворот лопастей, для этого необходим собственный резервный источник питания, не нуждающийся в обслуживании. Очевидно, что суперконденсаторы будут идеальным решением этой проблемы.
Железнодорожный транспорт и метро. При отсутствии контактного напряжения электровоз может получать энергию от собственного дежурного источника питания, например, от батареи суперконденсаторов (с инвертором), мощности которой хватит для кратковременных отключений длительностью 1…2 с.
Это лишь небольшая часть примеров использования суперконденсаторов. Есть и множество других, в том числе – промышленные роботы, игрушки, системы питания электромагнитных клапанов, актуаторов и так далее.
При работе с суперконденсаторами часто возникают вопросы. Рассмотрим наиболее распространенные из них.
Как оценить емкость суперконенсатора в Вт∙ч? В документации емкость суперконденсаторов обычно приводится в Фарадах, а емкость аккумуляторов в Ватт-часах. Этот факт иногда приводит потребителей в недоумение. Чтобы оценить емкость ультраконденсатора в более привычных единицах, следует воспользоваться двумя формулами:
$$E(Дж)=\frac{1}{2}\times C(Ф)\times U^{2}(В)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
После чего определить емкость в Ватт-часах:
$$E(Вт\cdot час)=\frac{E(Дж)}{3600(с)}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
Как оценить падение напряжения суперконденсатора при разряде? Для точной оценки падения напряжения при разряде суперконденсатора необходимо учитывать сам разряд, просадку напряжения на внутреннем сопротивлении суперконденсатора, вклад основного источника питания в общий ток, характер нагрузки. При этом расчетная формула окажется достаточно сложной. Впрочем, очень часто для грубых расчетов хватает упрощенной формулы:
$$\Delta V(I_{имп})=I_{имп}\times \frac{T_{имп}}{C}+I_{имп}\times ESR\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
Здесь I имп – амплитуда импульсного тока (А), T имп – длительность импульса (с), C – емкость (Ф), ESR – последовательное сопротивление (Ом). Данная формула предполагает активный характер нагрузки (линейный разряд) и отсутствие внешнего источника (суперконденсатор единолично питает нагрузку).
Рассмотрим пример работы суперконденсатора VEC3R0105QG с импульсной нагрузкой 1 с/500 мА. Емкость VEC3R0105QG составляет 1 Ф, номинальное напряжение 3,0 В, ESR 220 мОм, пиковый ток до 1 А. В таком случае примерная просадка напряжения составит:
$$\Delta V(0.1\hspace{0.25em}А)=0.5\hspace{0.25em}А\times \frac{1\hspace{0.25em}с}{1\hspace{0.25em}Ф}+0.5\hspace{0.25em}А\times 0.22\hspace{0.25em}Ом=0.61\hspace{0.25em}{В}$$
То есть, если на момент начала разряда суперконденсатор был заряжен до номинала 3,0 В, то в конце разряда напряжение на нем составит около 2,39 В.
Стоит отметить, что чаще приходится решать обратную задачу и выбирать суперконденсатор для конкретного приложения. В таком случае исходными данными к расчету будут параметры импульса (I имп и T имп) и допустимый диапазон рабочих напряжений нагрузки.
Допустим, требуется обеспечить питание вспышки фотоаппарата с номинальным напряжением 3,0 В и минимально допустимым напряжением 2,5 В. Параметры импульса 4 А/0,16 мс. Если использовать формулу (3) и дополнительно пренебречь собственным сопротивлением суперконденсатора, получим:
$$C(Ф)=I_{имп}\times \frac{T_{имп}}{\Delta V}=4\hspace{0.25em}А\times \frac{0.16\hspace{0.25em}с}{0.5\hspace{0.25em}В}=1.28\hspace{0.25em}{Ф}$$
Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор) -- электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.
Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric.
Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда».
Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.
Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе.
Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.
Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».
1) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами. Некоторые варианты электролита: 30 % водный раствор КОН; 38 % водный раствор Н 2 SO 4 ; органические электролиты .
2) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция. Варианты: Ag(-) и твердый электролит RbAg 4 I 5 ; 30 % водный раствор КОН и NiOOH(+)
3) Псевдоконденсаторы -- ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную ёмкость. Электрохимическая схема: (-) Ni(H) / 30 % водный раствор КОН / NiОOH (+); (-) С(Н) / 38 % водный раствор Н 2 SO 4 / PbSO 4 (РbO 2) (+) .
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 (RbAg 4 I 5) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H 2 SO 4 . 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…+70 0 C). При температуре больше +70 0 С ионистор, как правило, разрушается;
· Длительный срок службы.
Недостатки ионисторов:
· Удельная энергия меньше, чем у традиционных источников (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов).
· Напряжение зависит от степени заряженности.
· Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.
· Большое внутреннее сопротивление по сравнению с традиционными конденсаторами (10...100 Ом у ионистора 1 Ф Ч 5,5 В).
· Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф Ч 2,5 В .
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 30Щ. 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
ионистер конденсатор электрод энергия
На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор.
Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то 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.
