Cамодельный ионистор - суперконденсатор делаем своими руками. Ионисторы принцип действия

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.

Устройство ионистора.

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

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

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (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.

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. 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?

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:

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

При проектировании современных электронных приборов и устройств перед разработчиком довольно часто встает вопрос резервного или автономного питания своего устройства. Как правило, в зависимости от характера потребления электроэнергии и задач, в этом случае используют электролитические конденсаторы, аккумуляторы или батареи. Однако использование вышеприведенных устройств или их комбинации, в силу специфики каждого устройства, не всегда в полной мере позволяет решить поставленную задачу.

При реализации автономного питания довольно часто также необходимо реализовать начальные большие кратковременные токи (например, ручной электроинструмент с аккумуляторным питанием), и обойтись только аккумулятором не представляется возможным. Тогда используют комбинацию аккумулятор (или батарея)/электролитический конденсатор. Аккумулятор или батарея реализуют долговременное энергонезависимое питание, а электролитический конденсатор - кратковременный большой ток в нагрузку. Относительно недавно появился новый класс приборов - ионисторы. В отличие от батарей, аккумуляторов или электролитических конденсаторов, где используются необратимые, обратимые химические реакции или классический заряд конденсатора соответственно, в ионисторах применяется механизм образования «двойного электрического слоя». Ионисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с вышеприведенными устройствами: это широкий температурный диапазон, большая емкость, высокое сопротивление изоляции (низкие токи утечки), длительный срок службы, отсутствие необходимости контроля процесса зарядки, до нескольких десятков тысяч циклов заряд/разряд.

Сегодня ионисторы выпускаются многими производителями, как отечественными, так и зарубежными. В данной статье использованы материалы компании Panasonic, и на примере ионисторов данной компании, получивших фирменное название Gold Capacitors (Gold Cap), мы рассмотрим их физику и принцип работы, возможные варианты конструкции и эквивалентной схемы, характеристики и параметры, а также рекомендации по возможному применению.

Физико-химические основы работы ионистора

Известно, что обычные конденсаторы имеют многослойный или монолитный диэлектрик между двумя обкладками. В алюминиевом электролитическом конденсаторе, например, в качестве диэлектрического слоя используется пленка оксида алюминия, а в танталовом конденсаторе - пленка оксида тантала. Ионистор же не имеет диэлектрического слоя, в нем применяется физический механизм образования двойного электрического слоя, который работает аналогично заряженному диэлектрику. Процесс зарядки/разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля (рис. 1). Под действием приложенного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Вследствие этого и появилось название «конденсатор с двойным электрическим слоем» (electric double layer capacitor - EDLC).

Рис. 1. Образование двойного электрического слоя на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля

Принцип работы и возможные конструкции

Существует два типа электролитов, которые чаще всего используются сейчас производителями ионисторов: водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые). Безводный электролит позволяет прикладывать напряжение до 3 В к ячейке ионистора, что в два раза выше по сравнению с водорастворимым электролитом, для которого это напряжение не превышает 1,5 В. В данном случае двойной электрический слой работает как изолирующий и при приложении постоянного внешнего напряжения не позволяет протекать сквозному току. При конкретном уровне напряжения определенной полярности за счет электрохимических процессов начнет протекать ток. Величина этого напряжения названа «напряжением разложения» или «напряжением электрохимического распада электролита». Дальнейшее увеличение напряжения заставит электролит разлагаться более интенсивно, приводя к появлению дополнительного тока, и ионистор выйдет из строя. Поэтому при зарядке приложенное к ионистору напряжение ограничено напряжением разложения, вследствие чего довольно часто ионисторы соединяют последовательно.

Как было сказано выше, положительные и отрицательные заряды формируются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Границей раздела в этом случае будет двойной электрический слой (рис. 2а). Эта область увеличивается при приложении более высокого напряжения (рис. 2б), и накапливаемый заряд увеличивается. Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы, то есть около 5–10 нм. В качестве электродов, например, в ионисторах Panasonic используется активированный уголь (в виде мелкодисперсной фракции), изготовленный по специальной порошковой технологии, и органический электролит. Электролит проникает между частицами активированного угля, и электрод, таким образом, «пропитан» электролитом. Общую емкость ионистора можно представить, как большое количество малых конденсаторов, где каждая частица из активированного угля - своеобразный электрод для малого конденсатора с емкостью, обусловленной двойным электрическим слоем.

Рис. 2. Образование двойного электрического слоя (а) и увеличение заряда при приложении напряжения (б)

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

где d - толщина двойного электрического слоя 5–10 нм, S - общая площадь поверхности электрода из активированного угля.

Поскольку электрод ионистора представляет собой совокупность огромного количества частиц активированного угля, он имеет очень большую «развитую» площадь поверхности, приблизительно до 2500–3000 см²/г. Это позволяет получить емкость до нескольких десятков фарад.

На рис. 3 представлена одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic. Между электродами для предотвращения проникновения ионов расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет не допустить короткого замыкания между электродами.

Рис. 3. Одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic

Эквивалентная схема

Поскольку двойной электрический слой сформирован на поверхности активированного угля, который находится в контакте с электролитом, для ионисторов может быть применена эквивалентная схема с использованием условных конденсаторов (рис. 4). Каждый малый конденсатор на основе структуры частица активированного угля/электролит будет обладать емкостью двойного электрического слоя - Cn. Значения сопротивлений заряда R sn в процессе заряда и сопротивление нескомпенсированных ионов R ln могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния между «токоведущими» электродами, скоростью передвижения ионов, контактного сопротивления между частицами активированного угля и других параметров.

Рис. 4. Схематическое изображение многослойной структуры активированный уголь/электролит

Эквивалентная схема ионистора на основе параллельного соединения сопротивлений и емкостей малых конденсаторов приведена на рис. 5а. R 1 , R 2 и R n - сопротивления изоляции (внутреннее сопротивление частиц активированного угля), C 1 , C 2 и C n - соответствующая емкость двойного электрического слоя для сопротивлений R 1 , R 2 и R n .

Рис. 5. Варианты эквивалентной схемы ионистора на основе малых конденсаторов двойного электрического слоя от каждой частицы активированного угля и сопротивления изоляции (сопротивления частиц активированного угля) (а) и с учетом сопротивлений электродов и сепаратора (б)

Если приложить напряжение (V) к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 5б, которая учитывает сопротивление электродов и сепаратора, то зарядный ток (i ) можно описать согласно:

Необходимо отметить, что при уменьшении величины зарядного тока (i) время заряда увеличится. Зарядный ток, согласно уравнению (2), графически будет представлен как прямая линия. Однако фактически кривая зарядного тока носит экспоненциальный характер (рис. 6а, б). Ток (i) в пределах ионистора может быть представлен как сумма токов, протекающих через каждый из малых конденсаторов (рис. 6б, 7а). Также необходимо отметить, что, если значение постоянной времени CxR мало, время зарядки тоже будет мало, и наоборот, если значение CxR большое, время зарядки будет большое. То есть если время зарядки ограничено несколькими минутами или источник заряда ограничен, ионистор не может достаточно зарядиться, чтобы запасти заданную энергию в течение необходимого времени.

Рис. 6. Зависимость зарядного тока от времени заряда: а) расчетная и реальная зависимости; б) как сумма токов через малые конденсаторы

Рис. 7. Эквивалентная схема со значениями напряжений сразу после процесса заряда и после разряда (а) и понижение напряжения в начале работы вследствие недостаточного заряда малых конденсаторов (б)

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

При аналогичных условиях эксплуатации и тестировании емкость ионистора подобна эффективной емкости батареи. Как было сказано ранее, ионистор можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления. Если начальное зарядное напряжение ниже напряжения полного заряда (V 0), то в начале измерения емкости после снятия зарядного напряжения напряжение на ионисторе упадет вниз (рис. 8). Это связано с наличием не полностью заряженных малых конденсаторов с большим внутренним сопротивлением. Однако, увеличивая время зарядки, эти малые конденсаторы с большим внутренним сопротивлением зарядятся, что приведет к увеличению измеренной емкости.

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

где С - электростатическая емкость (Ф), I - тестовый ток (А), V 1 –V 2 - тестовый диапазон напряжений, (В) t - время (c). Емкость, конечно же, зависит от тока. Если ток разряда большой или конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, результирующая емкость будет мала. И наоборот, если ток разряда мал или конденсатор разряжался в течение короткого периода времени, измеренная электростатическая емкость будет большая. Поэтому, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стандартный ток разряда 1 мA/Ф.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ионистора, например, по сравнению с электролитическими конденсаторами, велико, поскольку эквивалентная схема ионистора состоит из соединений большого количества малых конденсаторов, имеющих различные значения внутреннего сопротивления. Обычно значения этих сопротивлений могут быть представлены для постоянного напряжения. Но, чтобы получить их истинное значение, необходимо использовать комплексное сопротивление Z (к примеру на 1 кГц). Если измерять ток от 30 до 60 мин после приложения номинального напряжения, он будет довольно большой, до 10 мкА, вследствие того, что этот ток является суммой зарядных токов, протекающих через малые конденсаторы. Так как чрезвычайно трудно определить токи утечки в ионисторах, их чаще всего не указывают в документации. Требуется минимум 10 часов, чтобы полностьюзарядить ионистор так, чтобы появилась возможность оценить ток утечки.

Характеристика заряда

Характеристика зарядки ионистора при условии некоторых допущений может быть представлена выражением (4):

На рис. 9а приведена зависимость напряжения на ионисторе Panasonic EECF5R5U104 от времени заряда при различном сопротивлении нагрузки. С увеличением сопротивления характеристика становится более пологая, а время зарядки увеличивается.

Время разряда для постоянного тока и постоянного сопротивления нагрузки при разряде приведены в выражениях (5) и (6) соответственно:

где: t - время, С - емкость, V 0 - внутреннее напряжение, V 1 - напряжение после t (с ), I - ток нагрузки, R - сопротивление нагрузки.

На рис. 9б приведена зависимость напряжения ионистора Panasonic EECF5R5U104 от времени разряда при различном времени процесса зарядки. Видно, что, например, при изменении времени процесса заряда с одного часа до 100 часов, напряжение фактически меняется с 2,5, до 2,8 В, то есть процесс зарядки ионистора может быть очень быстрым.

Рис. 9. Зависимость напряжения ионистора от времени заряда при различном сопротивлении (а) и времени разряда при различном времени заряда (б)

Характеристика разряда и саморазряда

Характеристика разряда ионистора с учетом (3) может быть представлена следующим образом:

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

где R L - сопротивление изоляции (сумма сопротивлений частиц активированного угля электрода).

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

Срок службы ионистора, как правило, ограничен временем t back-up , которое задано по условиям эксплуатации. t back-up (Back-up time) - это время, когда ионистор работает как резервный источник питания между циклами заряда и разряда.

Например, оценим t back-up для F-типа ионистора Panasonic, EECF5R5H105 (5,5 В, 1,0 Ф), полный заряд при 5,0 В постоянного напряжения, разрядный ток 10 мкА. Температура при разряде –40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, - 2 В.

Параметр t back-up может быть рассчитан следующим образом:

где C - емкость ионистора (Ф), i - ток в течение t back-up (A), i L - ток утечки (A), R - внутреннее сопротивление ионистора (Ом на 1 кГц), V 1 - напряжение, до которого разрядится ионистор (В), V 0 - приложенное напряжение (В).

Тогда C = 0,8 Ф (1,0 Ф – 20%), R = 50 Ом, V 0 = 5 В, V 1 = 2 В, i =10 мкA. Следовательно: t back-up = 0,8×(5–0,0005–2)/(10+2×10 –6) = 55 часов.

Этот расчет показывает, что время, которое ионистор будет работать при приведенных условиях как резервный источник питания, составляет около 55 часов.

Если мы возьмем, например, реальное изменение емкости в 30% при четырехкратном изменении внутреннего сопротивления, при 85 °C и 5,5 В, то после 1000 часов эксплуатации t back-up изменится и составит около 38 часов.

Для учета температурного фактора для ионисторов можно использовать уравнение Аррениуса, согласно которому срок службы устройства удваивается при уменьшении температуры окружающей среды на каждые десять градусов.

При изменении напряжения с 5,5 до 5 В фактор напряжения для изменения емкости составит 1,1. Таким образом, предполагаемый срок эксплуатации = срок службы × температурный фактор × фактор напряжения = 1000 (ч)×22,6×1,1 = 24 800 (ч) = 2,8 года.

Диапазон емкостей ионистора занимает промежуточное положение между емкостями алюминиевого электролитического конденсатора и аккумуляторами и батареями (рис. 10). Ионистор главным образом используется как резервное или автономное питание, а также как замена батарей или аккумуляторов.

Рис. 10. Диапазон емкостей ионистора, алюминиевого электролитического конденсатора, аккумуляторов и батарей

Срок службы . Срок службы ионисторов очень большой. Фактически, когда ионистор находится в надлежащих условиях, он может работать столь же долго, как и само оборудование, в котором он используется.

Широкий рабочий температурный диапазон . Батареи обычно восприимчивы к перепадам температуры и имеют тенденцию терять энергию в процессе нагревания или при низких температурах, например, ниже 0 °C. Некоторые ионисторы могут работать вплоть до индустриального температурного диапазона.

Нет необходимости в контроле заряда . Ni-Cd батареи выделяют тепло в процессе заряда или разряда, которое сокращает срок их службы, поэтому возникает необходимость в схеме контроля заряда и нагрузки. Ионисторы не имеют никакого ограничения по процессу заряда и разряда и не нуждаются в контроле процесса заряда.

Скорость заряда, повторный заряд/циклы разряда . Для ионисторов возможны быстрый заряд и большое количество циклов заряд/рязряд (до нескольких десятков тысяч), поскольку в них не происходит никаких внутренних химических реакций, как, например, в батареях. Ионисторы идеально подходят для схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Экологическая чистота . В ионисторах Panasonic не используется никаких токсичных материалов типа свинца, кадмия или ртути. Ионисторы Panasonic удовлетворяют всем требованиям RoHS.

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

Таблица 3. Диапазон токов

Как говорилось ранее, процесс заряда ионистора с учетом некоторых допущений может быть описан выражением (4). На рис. 12а приведена характеристика заряда для ионистора EECF5R5U105 фирмы Panasonic при двух различных сопротивлениях. Поскольку зависимость экспоненциальна, фактически различия наблюдаются на начальном этапе зарядки, в течение 6–7 минут. На рис. 12б для этого же ионистора приведена характеристика саморазряда. Видно, что процесс заряда оптимален при времени заряда больше 24 часов, однако на процесс саморазряда время заряда влияет не сильно, поскольку внутреннее сопротивление ионистора в этом случае изменяется лишь за счет сопротивления перераспределенных ионов. Чем ниже температура работы ионистора, тем больше время саморазряда, и срок службы устройства будет существенно больше (рис. 13). Поскольку зависимость времени разряда от емкости и сопротивления нагрузки прямо пропорциональная, а от напряжения - логарифмическая (смотри зависимость 6), то при большей емкости ионистора и сопротивлении нагрузки, при прочих равных (температура, условия заряда и т. д.), время процесса разряда будет больше (рис. 14а, б). Характеристика разряда, в отличие от саморазряда, зависит от температуры меньше (рис. 15). Изменение емкости, например, для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф) (условия измерения: 5,5 В, +70 °С) от тока разряда, приложенного напряжения и температуры фактически начинают проявляться при времени, превышающем 1000 часов (рис. 16).

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...

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