Ионисторы Panasonic: физика, принцип работы, параметры. Cамодельный ионистор - суперконденсатор делаем своими руками

В последние годы появился новых класс приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости; по существу - занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Это - ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем.

Номинальное напряжение ионистора зависит от вида используемого в нем электролита и является для него максимально допустимым. Для получения более высокого рабочего напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но делать это самостоятельно не рекомендуется - параметры ионисторов в такой связке должны быть очень близкими.

Внутреннее сопротивление Rвн ионистора может быть рассчитано по формуле: Rвн=U/Iкз, где Rвн - в омах; U - напряжение на ионисторе, В; Iкз - ток короткого замыкания, А. Для ионистора К58-3 (японский аналог DC-2R4D225) Rвн=10...100 Ом.

Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле: C=I·t/U , где С - емкость, Ф; I - постоянный ток разрядки, А; U - номинальное напряжение ионистора, В; t - время разрядки от Uном до нуля, с;

Важнейший параметр ионистора - ток утечки. Особенно при использовании его в качестве резервного источника питания.

Габариты некоторых ионисторов, выпускаемых в России, показаны на рисунке выше. Ионистор К58-9а представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами («+» маркирован черной точкой). Ионисторы К58-96 и К58-9в (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.

В принципе ионистор - неполярный прибор. Вывод «+» указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе изготовителе.

Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице. Их рабочие температуры - -25...+70°С; отклонения емкости от номинальной - -20...+80%.

Тип ионистора	Емкость, Ф	Номинальное напряжение, В	Внутреннее сопротивление, Ом	Габариты a-b-c-d-e, MM
				10,5-14-5-26-4,5
				27-22,5-10-35-13
				27-22,5-10-35-13
				27-22,5-10-35-13
				21,5-10,5-5-16,5-*

Долговечность ионистора зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением Uном при температуре окружающей среды +70°С гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8Uном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6Uном, а температура окружающей среды - +40°С, то ионистор будет исправно работать не менее 40000 часов.

Зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора

Зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения

Зависимость тока утечки ионистора от температуры окружающей среды

На рисунках выше показаны типовые разрядные характеристики ионисторов; зависимость емкости ионистора от тока разряда (для температур +25°С и +70°С); зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора (для температур -15-С, +25°С и +80°С); зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения и от температуры окружающей среды.

Включение ионистора в качестве резервного источника питания

Обычная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рисунке. Диод VD1 предотвращает разряд ионистора С1 при Uпит=0. Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении. Он не потребуется, если источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100...250 мА.

Во многих случаях ионистор с успехом заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями. Здесь особенно ценна его некритичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Ионистор не требует ухода в течении всего срока службы...

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

Краткие сведения о компании VINATech

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.

Обзор технологий суперконденсаторов и гибридных конденсаторов от VINATech

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.

Суперконденсаторы и гибридные конденсаторы от VINATech

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.

Особенности применения суперконденсаторов

Суперконденсатор может использоваться в системе питания:

• как основной элемент питания;
• как резервный элемент питания;
• как буферный компонент совместно с аккумулятором или батарейкой.

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:

• распространение харвестеров энергии, например харвестеров вибрации, термогенераторов, солнечных батарей и так далее;
• развитие беспроводных систем передачи мощности, в том числе RFID (радиомаяки);
• создание сверхнизкопотребляющих микросхем;
• развитие самих суперконденсаторов, в частности – увеличение удельной емкости.

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 .

• Когда аккумулятор не способен обеспечивать протекание импульсных токов, хотя имеет достаточную емкость. В качестве примера можно привести работу мощной светодиодной вспышки фотоаппарата . В обычном режиме потребление самого фотоаппарата оказывается достаточно скромным (сотни мА), однако в момент срабатывания вспышки источник питания должен обеспечить протекание значительного импульсного тока в единицы А (рисунок 5). Аккумулятор не всегда может справиться с этой задачей. Зато проблема просто решается за счет суперконденсатора, который заряжается в периоды «затишья» и разряжается при активации вспышки, снимая большую часть нагрузки с аккумулятора.

• Когда аккумулятор способен выдерживать импульсные нагрузки, но наблюдаемая при этом просадка напряжения оказывается недопустимой. Примером являются мобильные устройства, в частности – GPRS-приемопередатчики . Приемопередатчики GPRS класса 10 имеют ток покоя около 100 мА, а во время передачи потребление возрастает до 2 А (в 20 раз). Такие импульсы тока приводят к возникновению различных проблем. В частности, на выводах аккумулятора наблюдается значительная просадка напряжения – ниже допустимого значения. В результате мобильное устройство в момент слота передачи выключается, притом, что аккумулятор может быть разряженным всего лишь наполовину.

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.

• Когда требуется рекуперация энергии. Суперконденсаторы могут не только быстро отдавать накопленную энергию, но и быстро ее запасать. Это свойство используется в системах рекуперации, в частности, в электромобилях и автомобилях с гибридными силовыми установками. Несмотря на то, что в автомобиле присутствует собственный аккумулятор, его невозможно эффективно использовать для запасания огромной энергии, выделяемой, например, при торможениях. А вот суперконденсаторы для этого подходят как нельзя лучше. Они запасают энергию во время торможений или скатывания с горки и отдают ее при первом удачном случае.

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.

• Для расширения температурного диапазона. Нагрузочная способность аккумуляторов резко уменьшается при опускании температуры ниже нуля, а просадки напряжения от протекания токов возрастают. Использование суперконденсаторов позволяет выполнять запуск устройств даже при пониженных температурах. Таким образом, суперконденсаторы как бы расширяют рабочий температурный диапазон для аккумуляторов.

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.

Примеры использования суперконденсаторов

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.

Некоторые расчетные соотношения

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:

$$C(Ф)=I_{имп}\times \frac{T_{имп}}{\Delta V}=4\hspace{0.25em}А\times \frac{0.16\hspace{0.25em}с}{0.5\hspace{0.25em}В}=1.28\hspace{0.25em}{Ф}$$

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы - история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем».

Если в алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой - электронной.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике.

Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость - единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор» .

Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

В 1982 году специалисты американского Научно-исследовательского Института Pinnacle (PRI), расположенного в городе Лос-Гатос, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионисторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позже сменившая название на Maxwell Technologies, г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) начала развивать технологию PRI под названием "Boost Caps". Целью теперь стало создание конденсаторов высокой емкости с низким сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

Рис. 1. Суперконденсатор DH5U308W60138TH фирмы SAMWHA ELECTRIC

В 1999 году тайванская компания UltraCap Technologies Corp. также начала сотрудничество с PRI, которые разработали к тому времени электродную керамику чрезвычайно большой площади, и к 2001 году на рынок вышел первый высокоемкостной ультраконденсатор производства Тайваня. С этого момента началось активное развитие технологии во многих НИИ мира.

На Российском рынке тоже присутствуют свои игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО "УКФ") является инжиниринговой компанией, специализирующейся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на базе суперконденсаторов/ионисторов. Компания работает в плотной связке с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.

Применение ионисторов

Ионисторы на единицы фарад получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы.

При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения - везде нашли применение суперконденсаторы.

Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)

Малые ионисторы на основе органических электролитов обладают максимальным напряжением около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений, ионисторы соединяют в батареи, обязательно применяя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов относится : высокая скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкий уровень токсичности, допустимость разряда до нуля.

Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули

Перспективы

При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах.

Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на , превосходят лучшие аналоги почти в два раза.

Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов.

Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

На частицы никеля послойно осаживают графен, выступающий опорой для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном формируют пористую углеродную структуру. В полученные нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм. Удельная ёмкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

Рис. 4. Зарядное устройство на графеновом суперконденсаторе

Возможность масштабирования этой структуры уже положила начало и создала основу на пути создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «графеновой пены» прошли успешно первые тесты, где показали способность к перезаряду более восьми тысяч раз без ухудшения характеристик.

Андрей Повный

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.

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.

В результате протекания электрохимических реакций незначительное число электронов отрывается от полюсов устройства, обеспечивая им положительный заряд. Находящиеся в электролите отрицательные ионы притягиваются полюсами, имеющими положительный заряд. В результате создается электрический слой.

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 , 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 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 , 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.