Последовательное соединение ионисторов

Ионистор

Радиоэлектроника для начинающих

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.

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.

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.

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. не моё, нашёл в . 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.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Как устроено электромагнитное реле?
• Как проверить ИК-приёмник?

Источник: http://go-radio.ru/ionistor.html

Ионистор.Устройство и применение.Работа. Авто-пусковое устройство

В прошлом веке американский химик Райтмаер получил патент на устройство, сохраняющее электрическую энергию с двойным электрическим слоем. Сегодня такое устройство называется ионистор. В разных источниках они могут иметь различные названия: суперконденсаторы, ультраконденсаторы. По размерам и внешнему виду они похожи на электролитические конденсаторы, с отличием, заключающимся в большой емкости.

В зарубежных странах они имеют короткое обозначение – EDLC, что в переводе с английского значит: конденсатор, обладающий двойным электрическим слоем. По сути дела ионистор является своеобразным гибридом аккумулятора и конденсатора.

Устройство и принцип действия

Если сравнивать устройство ионистора с конструкцией конденсатора, то разница заключается в отсутствии слоя диэлектрика у ионистора. В качестве обкладок выступают вещества, имеющие носители заряда противоположных знаков.

Емкость любого конденсатора, так же как ионистора зависит от размера обкладок. Поэтому у ионистора обкладки сделаны из активированного угля или вспененного углерода. Таким способом получают значительную площадь модифицированных обкладок. Выводы ионистора разделены сепаратором, помещенным в электролит. Они предназначены для предотвращения возможного короткого замыкания. Состав электролита: щелочи и кислоты в твердом и кристаллическом виде.

Если использовать кристаллический твердый электролит на основе йода, серебра и рубидия, то можно изготовить ионистор, обладающий большой емкостью, низким саморазрядом и способный функционировать при пониженных температурах.

Возможно производство аналогичных ультраконденсаторов, на базе электролита из раствора серной кислоты. Такие устройства имеют малое внутреннее сопротивление, но также небольшое рабочее напряжение 1 вольт.

В настоящее время ионисторы, содержащие электролиты из кислот и щелочей практически не изготавливают, так как они обладают повышенными токсичными свойствами.

Заряд в ультраконденсаторе сохраняется на границе углеродного полюса и электролита. Электрический слой, образованный катионами и анионами, имеет очень малую толщину, равную от 1 до 5 нанометров, что позволяет значительно повысить емкость ультраконденсатора.

Классификация

• Идеальные. Это ионные конденсаторы с идеально поляризуемыми электродами, состоящими из углерода. Такие суперконденсаторы работают не за счет электрохимических реакций, а благодаря переносу ионов между электродами. Электролиты могут состоять из щелочи калия, серной кислоты, а также органических веществ.
• Гибридные. Это суперконденсаторы с идеально поляризуемым электродом, изготовленным из углерода, и слабо поляризуемым анодом или катодом. В их работе частично используется электрохимическая реакция.
• Псевдоконденсаторы. Это устройства, накапливающие заряд путем использования обратимых электрохимических реакций на поверхности электродов. Они обладают повышенной удельной емкостью.

Рабочие параметры ионисторов

• Емкость.
• Наибольший ток разряда.
• Внутреннее сопротивление.
• Номинальное напряжение.
• Время разряда.

В инструкции на суперконденсатор обычно указывается величина внутреннего сопротивления при частоте тока 1 килогерц. Чем меньше их внутреннее сопротивление, тем быстрее происходит заряд.

Изображение на схемах

На электрических схемах ионисторы изображаются по типу электролитического конденсатора, и отличить его можно только по величине номинальных параметров.

Если, например, на схеме указана величина емкости 1 Фарада, то сразу ясно, что изображен ионистор, так как таких емких электролитических конденсаторов не бывает. Напряжение ультраконденсатора также может говорить об его отличии от электролитического конденсатора, так как обычно это незначительная величина в несколько вольт (от 1 до 5 В). Ионисторы не способны функционировать при большом напряжении.

Преимущества

• Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
• Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
• Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
• Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
• Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
• Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

• Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
• Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
• Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
• Необходимость соблюдения полярности при подключении.
• Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
• Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания микроконтроллера, микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему. Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек.

Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием.

В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

Автомобильное пусковое устройство

Популярным примером использования мощного ионистора можно назвать пусковое устройство для двигателя автомобиля.

Эта схема выполняется на легковых автомобилях любой марки с напряжением сети 12 вольт.

• 1 – положительный контакт аккумуляторной батареи.
• 2 – контакт массы (отрицательный полюс).
• 3 – клемма замка зажигания.
• В1 – аккумулятор.
• Кс – замок зажигания.
• К1 и К1.1 – контактор с ключом управления.
• С – ионистор.
• Rс – сопротивление для ограничения зарядного тока ультраконденсатора.

В схеме применяется ионистор со следующими параметрами:

• Максимальное напряжение 15 вольт.
• Внутреннее сопротивление 0,0015 Ом.
• Емкость 216 Фарад.
• Рабочий ток 2000 ампер.

Такого пускового устройства достаточно, чтобы запустить двигатель мощностью до 150 л. с. ультраконденсатор способен получить полный заряд за пять секунд. Такое устройство можно найти в продаже, но сделать его самостоятельно намного дешевле.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/ionistor/

Пассивное нивелирование разбаланса напряжений в пакете из последовательно соединённых ионисторов

Заказать этот номер

2006№7

В статье изложены аналитические решения и приведены экспериментальные данные по пассивному нивелированию разбаланса напряжений в пакете из последовательно соединенных ионисторов, отличающихся по величине емкости.

Введение

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) имеют электрохимическую природу 1–3, вследствие чего их рабочее напряжение обычно не превышает 3 В.

Для получения более высоких рабочих напряжений ионисторы соединяют последовательно, тщательно подбирая их по параметрам для обеспечения требуемой долговечности пакета.

Разброс параметров ионисторов при их эксплуатации в составе пакета приводит к разбалансу и превышению рабочего напряжения на некоторых из них. В результате отказ одного ионистора приводит к отказу всего пакета.

В некоторых случаях данное явление устраняют путем параллельного соединения каждого ионистора с резистором (пассивное нивелирование разбаланса). Резисторы уменьшают разбаланс напряжений на ионисторах, а если пакет постоянно подключен к источнику напряжения, то со временем этот разбаланс может быть сведен к нулю.

Такой способ выравнивания напряжений на ионисторах имеет очевидные недостатки:

• часть энергии выделяется на резисторах в виде тепла; при зарядке— энергия источника, от которого осуществляется зарядка, а при разрядке— энергия, запасенная в ионисторах;
• увеличивается время зарядки и уменьшается время питания нагрузки, так как резко возрастает эквивалентный ток саморазрядки ионисторов.

Способ пассивного нивелирования вполне приемлем, и с этими недостатками можно мириться, если, например, ионисторы включаются между источником тока и потребителем, чтобы устранить провалы напряжения (при условии не очень жестких ограничений на мощность источника). Однако в каждом конкретном случае следует выбирать величину резисторов так, чтобы выравнивание рабочего напряжения на ионисторах происходило при минимальных потерях энергии.

Задача расчета величины сопротивления резисторов осложняется нелинейной зависимостью емкости ионисторов от напряжения и токов зарядки и разрядки.

В настоящей работе выведены аналитические выражения для расчета величины разбаланса напряжений на ионисторах в составе пакета в зависимости от величины сопротивления резисторов и приведены экспериментальные данные, подтверждающие расчеты.

Расчетная часть

Выбор граничных условий

Поскольку аналитические выражения, описывающие процессы в пакете из n штук последовательно соединенных ионисторов с произвольным сочетанием параметров, очень громоздки (особенно с учетом зависимости емкости ионисторов от напряжения), ограничимся частным случаем:

• емкость ионисторов в диапазоне от напряжения разрядки до напряжения зарядки не зависит от напряжения. Экспериментально установлено, что, например, для ионисторов К58-16 это действительно так. То есть емкость ионисторов К58-16 (2,3 В, 33 Ф) при зарядке током 0,2 А, в диапазоне напряжений от 1 до 2,14 В линейна и практически не зависит от напряжения;
• пакет состоит из n штук ионисторов, при этом n–1 штук имеют одинаковую емкость С, а один ионистор — меньшую емкость кС.

Это допущение тоже оправдано, так как при данных условиях перенапряжение на малоемком ионисторе кС максимально.

Аналитическое решение

Введем следующие обозначения:

• n — количество штук ионисторов в пакете;
• C — емкость ионисторов с номерами 2–n;
• δc— относительное отклонение емкости ионистора с номером 1 от величины С, выраженное в %;
• к — коэффициент, позволяющий выразить величину емкости ионистора с номером 1 как произведение кС; при этом к =1+δc/100;
• t0 — время начала зарядки пакета;
• t1 — время окончания зарядки пакета;
• t — текущее время;
• Δt — интервал времени, отсчитываемый от момента t1;
• U0 — напряжение на ионисторах в момент начала зарядки;
• Uзар — напряжение, до которого заряжается пакет;
• Uc — напряжение на ионисторах с номерами 2–n;
• Uк — напряжение на ионисторе с номером 1;
• ΔUм — разность напряжений на ионисторе с номером 1 и ионисторе с номером 2–n в момент окончания зарядки;
• ΔUм = Uк (t1) – Uc (t1);
• ΔU — разность напряжений ионистора с номером 1 и напряжения Uзар/n в момент окончания зарядки;
• ΔU = Uк (t1) – Uзар/n;
• I — ток зарядки пакета;
• R — номинальное значение сопротивления выравнивающих резисторов.

Вариант 1. R = ∞

Ионисторы, имеющие емкость С, зарядятся от U0 до Uc (t1) за время:

где ΔUс = Uc (t1) – U0.

За это же время ионистор емкостью кС, зарядится от U0 до Uк (t1)

где ΔUк = Uк (t1) – U0.

Приравнивая правые части (1) и (2), получим:

или

Изменение напряжения на пакете за время зарядки:

С другой стороны:

Приравнивая правые части (4) и (5) и подставляя ΔUc из (3), получим:

Напряжение на ионисторе емкостью кС в момент окончания зарядки Uк (t1) = ΔUк + U0 или, подставляя ΔUк из (6), получим:

Перенапряжение на ионисторе, емкостью кС, в момент окончания зарядки ΔU = Uк (t1) – Uзар/n или, подставляя Uк (t1) из (7), получим:

Вариант 2. R≠∞

Время, за которое ионистор с емкостью С зарядится от напряжения U0 до напряжения Uзар/n

За это же время ионистор емкостью кС зарядится от напряжения U0 до напряжения

Подставляя t из (9), получим

или

Разность напряжений на ионисторе емкостью кС и ионисторе емкостью С равна

Подставляя Uк (t) из (10) и учитывая, что Uc (t) = Uзар/n, получим:

Решая систему уравнений

найдем,

Подставляя в (12) ΔUм из (11), найдем

Превышение напряжения на ионисторе емкостью кС в момент окончания зарядки

Формула (13) не является абсолютно точной из-за принятого допущения, что ионистор емкостью С зарядился до напряжения Uзар/n, но позволяет производить вычисления с достаточной точностью.

Время выравнивания

Время выравнивания напряжений на ионисторах после зарядки (но при подключенном источнике зарядки) можно оценить по формуле:

или

Напряжение на ионисторе емкостью кС через Δt после окончания зарядки

При подключенном к источнику зарядки пакету через промежуток времени t >> RC после окончания зарядки напряжения на ионисторах будут отличаться друг от друга настолько, насколько отличаются величины сопротивлений выравнивающих резисторов, поэтому резисторы должны иметь достаточно близкие величины сопротивления.

Номинальная мощность каждого резистора не должна быть меньше значения:

Экспериментальная часть

Для проведения эксперимента использовался пакет из семи последовательно соединенных ионисторов К58-16 (2,3 В, 33 Ф). Емкость шести из них была искусственно увеличена на 10 Ф путем параллельного присоединения ионисторов фирмы Epcos номинала 2,3 В, 10 Ф.

Емкость составляющих пакет ионисторов предварительно измерялась на установке ИОН-2 при зарядке и разрядке постоянным током 0,2 А в интервале напряжений от 1 до 2,14 В; в этом режиме емкость постоянна. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений

За номинальное значение емкости было принято среднее значение емкости составляющих пакет элементов № 2–7 (С = 52,7 Ф). Отклонение емкости ионистора № 1 от среднего значения составило –15,7%, то есть коэффициент к = 0,843. Выравнивающие резисторы имели отклонение от номинального значения δR ≤ ±0,1%.

При отсутствии резисторов (R = ∞) составляющие пакета предварительно были соединены параллельно и заряжены до U = 1 В, а затем соединены последовательно.

Зарядка пакета производилась током I = 0,2 А до напряжения U = 15 В.

Напряжение на ионисторе № 1 измерялось в момент времени t1, когда ток зарядки уменьшался до значения 0,01 А, а затем через определенные промежутки времени. При этом источник напряжения 15 В оставался подключенным к пакету.

Экспериментальные и расчетные значения величин Uк (t1) и ΔU при различных значениях R приведены в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные и расчетные значения величин Uк (t1) и ΔU

Расчетные значения напряжений Uк (t1) вычислены по формуле (13). Значения величин ΔU вычислены по формуле (14). Расхождения между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 22 мВ.

Таблица 3. Расчетные значения напряжений Uк(t)

В таблице 3 приведены значения напряжений Uк (t), измеренные через промежутки времени Δtфакт после окончания зарядки, а также временные интервалы Δtрасч, вычисленные по формуле (15).

Отклонения расчетных значений Δtрасч от экспериментальных Δtфакт не превышает 30%.

Выводы

1. Анализ данных, приведенных в таблице 2, позволяет сделать вывод, что выравнивающие резисторы заметно снижают перенапряжение только в случае, когда через них протекает около половины зарядного тока, однако при этом недопустимо ухудшается энергетика системы.

2. Если после зарядки пакет остается подключенным к источнику, то за время t ≈ τ = RC выравнивающие резисторы уменьшают величину перенапряжения приблизительно вдвое.

3. При измерении емкости ионисторов перед соединением их в пакет напряжение зарядки и разрядки, а также ток зарядки должны соответствовать режиму эксплуатации пакета.

Литература

1. B. E. Conway Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Kuwer-Plenum Publ. Co., New York, 1999.
2. Химические источники тока. Справочник. Под редакцией Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М., изд-во МЭИ. 2003.
3. Кузнецов В. П. и др.

   Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы). Новые разработки // Электрическое питание. 2005. № 2.

4. Атабеков Г. И. Основы теории цепей. М., Энергия. 1969.
5. Гольденберг Л. М. Импульсные устройства. М., Радио и связь. 1981.

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/condenser/2006_7_106.php

Ионистор — устройство, применение, характеристики

Бывают ситуации, когда реализовать автономное питание на основе одной аккумуляторной батареи не представляется возможным из-за образования больших кратковременных токов. В этом случае совместно использовался высоковольтный конденсатор большой емкости,  пока не стали применять ионистор вместо аккумулятора или одновременно с ним.

В работе этого класса приборов заложена технология, благодаря которой создается двойной электрический слой (EDLC), этим они выгодно отличаются от устройств, где для накопления заряда эксплуатируются химические реакции, как обратимые (аккумулятор), так и необратимые (батарея).

Несмотря на то, что ионисторы появились относительно недавно, их изготовление налажено многими производителями как в нашей стране, так и за рубежом, эти радиодетали выпускают такие компании, как: Palm, Epcos, Elna и т.д.

Ионисторы Maxwell

Внутренне устройство

Ионисторы тем отличаются от конденсаторов, что их конструкция не предполагает использование диэлектрика между электродами, при изготовлении последних подбираются вещества, с противоположным потенциалом заряда. Упрощенное устройство этих радиодеталей показано на рисунке.

Устройство классических ионисторов

Условные обозначения:

• a, b – электроды;
• с –сепаратор;
• d – активированный уголь.

От того, какова площадь «обкладки» конденсатора, зависит его емкость, именно с этой целью в качестве электродов в устройствах используется активированный уголь или вспененный углерод, которые помещаются в электролит. Назначение сепаратора – не допустить короткое замыкание электродов.

В качестве электролита может выступать твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты. Заметим, что в современных изделиях данный тип электролита не используется из-за своей высокой токсичности.

На рисунке ниже в качестве примера изображена конструкция ионисторов серии EN, изготовленных компанией Panasonic.

Конструкция серии EN

На рисунке обозначены:

• a – электроды (в качестве материала выступает активированный уголь);
• b, e – верхняя и нижняя часть корпуса;
• с – сепаратор;
• d – уплотнительный изолятор.

Параметры

Основные электрические характеристики ионисторов включают в себя:

• емкость, для ее измерения используется единица Фарад (Ф);
• внутреннее сопротивление (Ом);
• максимальный ток разряда (А);
• величина номинального напряжения (В)
• параметры саморазряда и разряда, последний довольно важный параметр, поэтому приведем формулу, по которой можно произвести расчет времени разряда ионистора:  где:

t – время разряда, измеряется в секундах (с);

С – емкость устройства (Ф);

V1, V2 – начальное и конечное значение диапазона напряжений, при которых проводилось тестирование;

I – величина тестового тока (А).

Положительные и отрицательные стороны

К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:

• разрядка и заряд устройства не занимает много времени, что позволяет их использовать в тех случаях, когда аккумуляторы установить не представляется возможным из-за долгой подзарядки;
• по сравнению с аккумуляторными батареями у ионисторов значительно больше циклов полного заряда-разряда устройства;
• чтобы произвести подзарядку, не понадобится специальное зарядное оборудование, следовательно, упрощается обслуживание;
• радиодетали этого типа гораздо легче аккумуляторов и меньше их по габаритам;
• широкий диапазон рабочей температуры – от -40 до 70С°;
• срок эксплуатации во много раз больше, чем его имеют силовые конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:

• относительно высокая цена на ионисторы приводит к тому, что использование их в технике ведет к ее удорожанию. Как утверждают специалисты, в ближайшем будущем эта проблема будет решена, благодаря развитию новых технологий;
• низкие параметры номинального напряжения устройств, решением может служить последовательное соединение нескольких элементов (принцип такой же, как при подключении нескольких батареек). В этом случае потребуется установить шунт в виде резистора на каждый компонент;
• превышение температурного режима (нагрев более 70С°) становится причиной выхода из строя;
• данный тип радиодеталей не позволяет накапливать достаточно энергии, помимо этого они обладают небольшой энергетической плотностью (то есть не столь мощные, как аккумуляторы), что несколько сужает сферу их применения. Параллельное подключение нескольких элементов позволяет частично справиться с этой проблемой.

Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за  которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.

Применение

Сфера применения ионисторов довольно обширна, но наиболее часто они используются как аварийный или резервный блок питания для таймера или микросхем памяти в различных устройствах, начиная от телефонов и заканчивая музыкальными центрами, телевизорами, видеокамерами и т.д.

: эффективность в применении ионистора

Делались и довольно экзотические эксперименты по применению суперконденсаторов, в частности, на их основе пытались создать гаусс оружие (электромагнитную пушку).

Типичная схема включения суперконденсаторов, как источников питания, показана на рисунке.

Схема подключения резервного питания

Обозначение на схеме:

U – подключение к основному источнику питания;

D1 – диод, не допускающий утечки заряда ионистора, когда отсутствует основное питание;

R1 – резистор, служит для двух целей:

• ограничение тока зарядки;
• исключает перегрузку основного источника питания во время включения напряжения;

C – резервный источник питания на базе ионистора;

Rn – сопротивление нагрузки.

Заметим, что без резистора (обозначение на схеме – R1) можно обойтись, если характеристики источника питания допускают кратковременное повышение тока нагрузки до 250 мА.

Помимо приведенного примера использования в быту, ионисторы могут применяться, чтобы подключить светодиод в маломощном фонарике, при этом зарядка может производиться от энергии солнечной батареи.

Приведем еще один распространенный пример использования данного устройства для запуска двигателя автомобиля. Схема подобной реализации показана на рисунке.

Схема: пусковое устройство для двигателя автомобиля

Данная схема может быть реализована на любом легковом автомобиле, где напряжение бортовой сети 12V, обозначения на рисунке:

• 1,2, 3 – клеммы подключения (1  к положительному контакту АКБ, 2 – к отрицательному, 3 соединяется с  замком зажигания);
• Кс – замок зажигания;
• B1 – АКБ автомобиля;
• K1, K1.1 – контактор и его управляющий ключ;
• С  – суперконденсатор;
• Rc – резистор, ограничивающий ток зарядки ионистора С.

В схеме используется суперконденсатор (маркировка: 12ПП-15/0,002), у которого следующие характеристики:

• максимальное номинальное напряжение – 15В;
• емкость – 216Ф;
• величина внутреннего сопротивления – 0,0015 Ом;
• номинальный ток – 2кА.

Перечисленных выше характеристик будет достаточно для запуска двигателя мощностью до 150 л.с. Время зарядки ионистора – не более 5 секунд, после включения стартера в течение первых нескольких секунд основная токовая нагрузка будет идти на суперконденсатор, поскольку внутренне сопротивление у АКБ больше.

Подобное пусковое устройство, в котором используется ионистор, можно купить готовое, но сделать своими руками обойдется значительно дешевле.

Источник: https://www.asutpp.ru/ionistor.html