Суперконденсатор

Немного теории

О суперконденсаторах нужно знать несколько вещей. Наиболее важные из них касаются зарядки, разрядки и подключения: последовательного и параллельного.

Зарядка суперконденсатора

Начнем с постоянной времени RC-цепи:

t=R*C

За время t суперконденсатор емкостью С, подключенный последовательно с резистором  R, зарядится примерно до 2/3 (точнее до 63,2%) напряжения питания. За время 5t суперконденсатор зарядится до значения очень близкое к напряжению питания (99,3%).

Эти интервалы обусловлены тем, что процесс зарядки конденсатора является не линейной функцией (экспоненциальной). Для определения его параметров можно использовать следующие формулы:

Паяльный фен YIHUA 8858
Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Подробнее

В приведенных выше формулах:

  • Q: мгновенный заряд, в момент t ;
  • C: емкость конденсатора ;
  • I: мгновенный зарядный ток ;
  • V0: напряжение зарядки ;
  • V: мгновенное напряжение на суперконденсаторе ;
  • R: сопротивление, подключенное последовательно с суперконденсатором ;
  • t: время .

Обратите внимание, что:

  1. По мере зарядки заряд на пластинах суперконденсатора растет, как и его напряжение.
  2. По мере продолжения зарядки ток заряда уменьшается: от V0\R до почти нуля.
  3. Время зарядки суперконденсатора зависит от его емкости C и сопротивления R.

Практический пример: зарядка суперконденсатора емкостью 1Ф через резистор сопротивлением 50 Ом от источника напряжения 5 В (зафиксированного на осциллографе):

Суперконденсатор

На рисунке видно, что суперконденсатор достиг заряда 63,2% (3,16 В) примерно за 47 секунд. Это согласуется (более менее) с постоянной времени:

t = 50 Ом * 1 Ф = 50 сек

Преимущества и недостатки

Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:

  • Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
  • Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
  • Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
  • Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
  • Повышенные значения номинальной мощности.
  • Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
  • Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
  • В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.

Суперконденсатор

Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:

  • Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
  • Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
  • Увеличенное показание самостоятельного разряда.
  • Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.

Принцип действия и характеристики

Типы существующих расходомеров: преимущества и недостатки

Ионисторы, как и аккумуляторы с конденсаторами, имеют несколько рабочих параметров. Все изготавливаемые ионисторы, характеристики которых не сильно отличаются, классифицируются по нескольким параметрам:

  • емкость (измеряется в Фарадах);
  • максимально допустимый ток заряда (измеряется в Амперах);
  • номинальное напряжение (измеряется в Вольтах);
  • внутреннее сопротивление (измеряется в Омах).

Во время протекания электрохимической реакции небольшое количество электронов отделяется от электродов, которые получают положительный заряд. Отрицательно заряженные ионы в электролите притягиваются электродами, которые образуют электрический слой. Заряд в элементе накапливается и хранится на границе контакта углеродного электрода и электролита.

Маркировка и область применения

Специальной маркировки ионисторовые конденсаторы на схеме или на корпусе не имеют. Определить, что конкретный элемент является ионистором, можно косвенным образом: большой заряд, небольшие размеры и малое рабочее напряжение являются отличительными признаками ионисторов. Если на корпусе или на схеме будет обозначен элемент с емкостью 1 Фарада и номинальным напряжением, например, 5 вольт, то нет сомнений, что это ионистор. Электролитических конденсаторов с такими параметрами не существует.

Первый советский образец этого элемента был разработан и запущен в производство в 1978 году с маркировкой К58−1. В дальнейшие годы его конструкция улучшалась и появились ионисторы с маркировкой К58−15 и К58−16.

Суперконденсатор

Отраслей техники и науки, где применяют ионисторы, не так уж и много. Чаще всего их применяют в цифровой технике в роли автономного или резервного источника питания. Он запитывает микросхемы памяти, электронных часов, CMOS-чипы и микроконтроллеры различных устройств при отключении внешнего источника электропитания. Определенное время сохраняются все текущие настройки (дата, время, сохраненные частоты радиостанций и т. п. ) при выключении или замене батареек.

Есть данные, что планировалось применение ионистора и при создании так называемой гаусс-пушки, работа которой основана на нестандартном для вооружения физическом принципе — электромагнетизме. Насколько оказались удачными и были ли они реализованы, является неизвестным для широкой публики. Такая информация составляет или коммерческую, или государственную тайну.

Рекомендации по зарядке

Разные производители для своих ионисторов с аналогичными параметрами прилагают практически одинаковую инструкцию по их зарядке: используется исключительно источник постоянного тока для зарядного устройства, величина тока и напряжение которого зависит от конкретного образца элемента. В зависимости от его внутреннего сопротивления и на основе формул Q=C*U и Q=I*t (где Q — заряд, C — емкость, U — напряжение, I — сила тока и t — время) вычисляется напряжение, сила тока и время, необходимые для полной зарядки конкретного ионистора.

Достоинства и недостатки

Положительных качеств у ионисторов достаточно, чтобы они приобрели определенную популярность. Но и негативных качеств немало, поэтому элементы и не приобрели широкого применения в быту, на производстве и транспорте. Из плюсов можно отметить:

  • меньший срок зарядки элемента по сравнению с аккумуляторами;
  • больше количество циклов зарядки и разрядки без значительной потери номинальных характеристик;
  • простое устройство зарядного устройства;
  • сравнительно малый вес и габариты;
  • диапазон рабочих температур от -40 градусов по Цельсию до +70 градусов по Цельсию.

Недостатков меньше, но они существенные:

  • относительно высокая цена;
  • малое номинальное напряжение (последовательное соединение нескольких элементов иногда помогает решить эту проблему);
  • энергетическая плотность меньше, чем у аккумуляторов (при параллельном соединении в некоторых случаях удается решить эту проблему);
  • выход из строя без возможности восстановления при превышении верхнего предела рабочей температуры.

Вступление: я был озадачен.

Несколько лет назад, после более чем 25 лет работы с этими вещами, я узнал кое-что новое о керамических конденсаторах. Работая над драйвером светодиодной лампы я обнаружил, что постоянная времени RC-цепочки в моей схеме не сильно смахивает на расчётную. Предположив, что на плату были впаяны не те компоненты, я измерил сопротивление двух резисторов составлявших делитель напряжения — они были весьма точны. Тогда был выпаян конденсатор — он так же был великолепен. Просто чтобы убедиться, я взял новые резисторы и конденсатор, измерил их, и впаял обратно. После этого я включил схему, проверил основные показатели, и ожидал увидеть что моя проблема с RC-цепочкой решена… Если бы. Я проверял схему в её естественной среде: в корпусе, который в свою очередь сам по себе был зачехлён чтобы имитировать кожух потолочного светильника. Температура компонентов в некоторых местах достигала более чем 100ºC. Для уверенности, и чтобы освежить память я перечитал даташит на используемые конденсаторы. Так началось моё переосмысление керамических конденсаторов. Справочная информация об основных типах керамических конденсаторов.

Популярные статьи  Гистерезис терморегулятора что это

Для тех кто этого не помнит (как практически все), в таблице 1

указана маркировка основных типов конденсаторов и её значение. Эта таблица описывает конденсаторы второго и третьего класса. Не вдаваясь глубоко в подробности, конденсаторы первого класса обычно сделаны на диэлектрике типа C0G (NP0).

Таблица 1.

Нижняя рабочая температура Верхняя рабочая температура Изменение ёмкости в диапазоне (макс.)
Символ Температура (ºC) Символ Температура (ºC) Символ Изменение (%)
Z +10 2 +45 A ±1.0
Y -30 4 +65 B ±1.5
X -55 5 +85 C ±2.2
6 +105 D ±3.3
7 +125 E ±4.7
8 +150 F ±7.5
9 +200 P ±10
R ±15
S ±22
T +22, -33
U +22, -56
V +22, -82

Из описанных выше на моём жизненном пути чаще всего мне попадались конденсаторы типа X5R, X7R и Y5V. Я никогда не использовал конденсаторы типа Y5V из-за их экстремально высокой чувствительности к внешним воздействиям. Когда производитель конденсаторов разрабатывает новый продукт, он подбирает диэлектрик так, чтобы ёмкость конденсатора изменялась не более определённых пределов в определённом температурном диапазоне. Конденсаторы X7R которые я использую не должны изменять свою ёмкость более чем на ±15% (третий символ) при изменении температуры от -55ºC (первый символ) до +125ºC (второй символ). Так что, либо мне попалась плохая партия, либо что-то ещё происходит в моей схеме.

Отличия ионисторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы иногда называют промежуточным звеном между конденсаторами и аккумуляторами. На самом деле это не совсем верно. Ионистор по своей сути – это все же конденсатор.

Суперконденсатор
Внешний вид ионисторов.

Принцип работы любого аккумулятора основан на обратимых электрохимических реакциях. При зарядке они идут в одну сторону, при разрядке – в обратную. Так, в свинцово-кислотной автомобильной батарее под действием зарядного напряжения сульфат свинца и вода реагируют с образованием свинца, оксида свинца и серной кислоты. Под действием разрядного тока происходит обратная реакция. Количество циклов заряд-разряд ограничивается образованием сульфата свинца, постепенно покрывающего пластины, и коррозией металлических элементов.

Суперконденсатор
Электрохимические реакции в свинцово-кислотной батарее.

Иное дело конденсатор. В общем случае в нем электрохимических реакций не происходит. Прибор состоит из двух пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, причем форма обкладок может быть различной. Для компактности конденсаторы часто изготавливают в виде двух полосок фольги, разделенных диэлектриком и свернутых в плоский или круглый рулон.

Заряд накапливается на пластинах под действием приложенного электрического поля. При этом не происходит химических реакций, не происходит расхода и преобразования реагентов, пластины и диэлектрик не деградируют во время накопления и отдачи энергии.

Емкость конденсатора зависит от трех составляющих:

  • свойств диэлектрика;
  • площади обкладок (чем она больше, тем больше емкость);
  • расстояния между пластинами (чем оно меньше, тем больше емкость).

Суперконденсатор
Параметры, от которых зависит емкость конденсатора.

Отсюда пути для увеличения емкости:

  • увеличение площади обкладок;
  • уменьшение расстояния между ними.

Совершенствование диэлектрических свойств изолятора – путь не очень перспективный, прорывов здесь ожидать сложно. Создатели ионисторов достигли цели с помощью первых двух способов.

Расстояние между обкладками удалось радикально сократить путем применения двойного электрического слоя. В нем обкладками служат ионы – носители противоположного заряда, группирующиеся на границе раздела металл-электролит. Расстояние между ними крайне мало по сравнению с обычными конденсаторами и даже с оксидными. Вообще, принципы построения ионистора схожи с принципами оксидного конденсатора. Суперконденсатор получил от оксидников некоторые «наследственные болезни», например, небольшое (даже меньшее – в пределах 2..10 вольт) рабочее напряжение. Более высокий уровень тонкий слой межобкладочного «диэлектрика» не выдерживает.

Принципиально большую площадь обкладок удалось получить применением пористого материала. Обычно применяется активированный уголь или вспененный металл. В итоге емкость ионисторов может достигать несколько сотен фарад. Это очень большая величина – для сравнения, земной шар имеет электрическую емкость около 1 Ф. Причем заряжать такой суперкоденсатор можно большими токами. В результате процесс может занять секунды или минуты.

Суперконденсатор
Распределение заряженных частиц в суперконденсаторе.

На практике анод и катод разделяют сепаратором. Это позволяет выполнить ионистор в виде рулона или в виде многослойной конструкции и избежать короткого замыкания между электродами. В процессах запасания и отдачи энергии сепаратор не участвует.

Суперконденсатор
Конструкция многослойного ионистора.

Существует другой тип ионисторов – псевдоконденсаторы. Они по своему принципу работы ближе к аккумуляторам, потому что для накопления заряда также используют обратимые электрохимические процессы. Основное отличие электрохимических конденсаторов от АКБ в том, что реакции идут только на поверхностном слое, за счет этого скорость пополнения запаса энергии ближе к конденсаторам. От аккумуляторов же унаследована склонность к электрохимической деградации элементов конструкции. Это приводит к сокращению периода эксплуатации. Такой суперконденсатор выдерживает порядка десятков тысяч циклов заряд-разряд, в отличие от сотен тысяч для обычных ионисторов (они в теории имеют бесконечное время жизни). Зато у псевдоконденсаторов большая удельная емкость и они считаются более перспективными в плане развития технологии.

Видео-эксперимент с питанием шуруповерта от конденсаторов.

Принцип псевдоемкости

суперконденсатор

Исследования сверхемкости привели к предложению новой модели накопления электроэнергии : псевдоемкости или псевдоемкости. В классической емкости накопление энергии связано с накоплением электрического заряда между пластинами конденсатора благодаря изолирующей среде. Но было обнаружено, что накопление заряда в суперконденсаторах, в основном углеродных при электролитическом растворении металла, происходит за счет электронного дефицита, возникающего в результате взаимодействия ионов металла с углеродной средой.

Псевдоемкость — это явление , зависящее от напряжения , которое, следовательно, имеет переменную емкость , которую необходимо правильно смоделировать. Однако диапазоны напряжений, в которых используются суперконденсаторы, позволяют обращаться с ними как с обычным конденсатором с высокой емкостью и набором резисторов и катушек индуктивности . Кроме того, емкость увеличивается за счет тонкого слоя изоляционного материала между углеродными поверхностями.

Согласно этой теоретической модели, одним из основных аспектов явления сверхемкости для изучения является концентрация электролита и природа электродов (обычное название проводящих стержней), а также природа изолирующего слоя. Чжан указывает, что рекомендуемыми электролитами для изготовления суперконденсаторов являются гидроксиды натрия и гидроксид калия , и заявляет, что емкость увеличивается до критической точки на 2 и 10 молярных соответственно; однако увеличение концентрации приводит к постоянному увеличению внутреннего сопротивления устройства. С другой стороны, наличие углеродных интерфейсов увеличивает емкость только в том случае, если средняя пористость среды максимальна, поэтому конструкции нанотрубок и нанопены необходимы для разработки суперконденсаторов. Наконец, Обрея указывает, что идеальный слой должен составлять от 50 до 200 микрометров .

Закупка

Нашел в китайском магазине ионисторы на 350 фарад. Забил емкость в Yenk-у, оказалось, что их хватит на 2.5 секунды работы стартера. Заказал их, а также балансировочную плату.

Суперконденсатор

Преобразователь сначала купил в китайском магазине повышающий, собрал схему, преобразователь сразу сгорел. Не учел то, что в нем не было ограничения по току, а у ионисторов практически нулевое сопротивление, вот и получилось короткое замыкание на выходе преобразователя. Ограничение по току бывает в повышающе-понижающих, купил — тоже сгорел но не сразу. Купил третий другого исполнения — работает отлично!

Популярные статьи  Что такое чередование фаз и как его проверить?

Суперконденсатор

Аккумулятор взял обычный от UPS на 7 Ач.

Как подобрать конденсатор

Конденсатор электролитический

Для лучшего понимания алгоритма правильных действий можно изучить процесс выбора конденсатора при подключении электродвигателя к разным источникам питания. Если применяется трехфазная сеть, подойдет формула емкости:

С = (к * Iф)/U,

где:

  • к – фиксированный коэффициент, равный 2 800/ 4 800 для схемы «звезда»/ «треугольник», соответственно;
  • Iф – ток в цепи статора, который производители указывают на шильдике либо в сопроводительной документации;
  • U – напряжение питания.

В упрощенном варианте специалисты берут 6-7мкФ на каждые 0,1 кВт потребляемой мощности. При значительных механических нагрузках обмотка может сгореть. Мягкий запуск электрического двигателя обеспечивает дополнительный конденсатор. Он выполняет свои функции в течении 2-5 секунд. Емкость выбирают в 2,5-3,5 больше результата предыдущего расчета. Номинальное напряжение – на 50-70% выше рабочих параметров сети питания.

Суперконденсатор
Подключение электродвигателя через конденсатор

Асинхронный двигатель подключают к однофазному источнику. В этом варианте необходимо создать сдвиг фазы для начала вращения ротора. Пуск обеспечивает отдельная обмотка. В эту цепь устанавливают специальный конденсатор. Для упрощенной схемы выбора берут 8-12 мкФ на каждые 0,1 кВт потребляемой мощности.

К сведению. Чтобы исключить перегрев и повреждение деталей, рекомендуется подключение индуктивных нагрузок такого типа через конденсаторы, рассчитанные на рабочее напряжение не менее 450 V.

Расчет гасящего конденсатора для подключения светодиодной ленты можно сделать по формуле:

С = (4,45*I)/(Uп-Uд),

где:

  • I – ток в цепи;
  • Uп (Uд) – напряжение источника питания (падение на диодах), соответственно.

Есть ли смысл менять ионистор вместо автомобильного аккумулятора

Многих автолюбителей не покидает мысль использовать суперконденсатор вместо аккумулятора для автомобиля. Существуют формулы для пересчета емкости из фарад в привычные ампер*часы (1 Ф при напряжении 1 В равен 1/3600 А*ч).

Суперконденсатор
Запуск двигателя от батареи ионисторов.

А дальше не все так радужно. Напряжение при этом быстро падает до 9..10 вольт. Для накопителя это не страшно, и этого даже хватает еще на одну прокрутку стартера. Но вот светосигнальное оборудование и другие электронные устройства на такое низкое напряжение не рассчитаны. Аварийную сигнализацию и ближний свет без запуска двигателя включить не получается. К тому же саморазряд сажает батарею до непригодного для запуска состояния уже через сутки. Хотя многие производители ионисторов декларируют суточный саморазряд в районе 10%, по факту он намного больше. Возможно, это зависит от добросовестности заявителя или от качества изготовления суперконденсатора.

Суперконденсатор
Заявленные кривые саморазряда ионистора.

Напрашивается очевидный вывод. Несмотря на прогнозы специалистов, на сегодняшний день ионистор полноценно заменить аккумуляторную батарею не может. В качестве возимого резервного источника питания суперконденсаторы также непригодны из-за быстрого саморазряда. Вполне возможно применение в гараже в качестве быстрозаряжаемого пускового источника энергии при отсутствии пускозарядного устройства и времени для ожидания зарядки истощенной штатной АКБ. Для полной замены аккумуляторов суперконденсаторами надо подождать развития технологий.

Ионисторы и АКБ — сравнение параметров

Принимая решение о выборе суперконденсатора или аккумулятора для проектируемого устройства, надо учитывать ряд ключевых технических параметров.

Скорость зарядки — несомненным преимуществом суперконденсаторов является очень короткое время зарядки, зависящее от емкости и установленного ограничения тока — в случае меньшей емкости обычно не возникает проблем с получением времени зарядки от долей секунды до несколько секунд. Такие диапазоны недостижимы для любых батарей, имеющихся на рынке, в случае которых даже частичная подзарядка требует как минимум нескольких минут.

Плотность энергии — этот параметр, выражаемый в единицах энергии на килограмм массы данного источника (обычно [Втч / кг]) для суперконденсаторов во много раз ниже, чем для любого типа аккумулятора. То есть для накопления того же количества энергии, что и в батарее (например, в литий-ионной), потребуется использование гораздо большего по размерам и более тяжелого суперконденсатора.

Плотность мощности — параметр, выражаемый в единицах мощности на килограмм массы источника [Вт / кг], намного выше для суперконденсаторов, чем для обычных электрохимических батарей. Высокое значение плотности мощности означает, что даже небольшой суперконденсатор способен подавать относительно высокий ток на потребитель — это связано с очень низким сопротивлением ESR. Сравнение различных типов источников тока в плане энергии и удельной мощности показано на рисунке.

Суперконденсатор
Сравнение различных типов источников энергии на плоскости энергии и плотности мощности

Срок службы — суперконденсаторы имеют гораздо более длительный срок службы, чем обычные электролитические конденсаторы — и хотя они также подвергаются неизбежным процессам старения, количество циклов заряда в течение гарантированного срока службы практически неограничено (особенно в небольших моделях EDLC, предназначенных для монтажа на печатной плате). Эти особенности делают суперконденсаторы идеальным выбором там, где частая перезарядка происходит во время нормального рабочего цикла.

Номинальное напряжение — самым большим недостатком суперконденсаторов является низкое рабочее напряжение — в большинстве случаев оно не превышает значения 2,8 — 5,5 В. Это ограничение связано с внутренней структурой — материала и электролита. Если в случае аккумуляторов последовательное соединение отдельных ячеек в блоки является классическим методом увеличения выходного напряжения, то в суперконденсаторах это связано с резким уменьшением эквивалентной емкости, более того — часто требует использования выравнивания напряжений, чтобы предотвратить повреждение одного из них из-за слишком большой разницы в емкостях (что неизбежно при довольно большом производственном допуске).

Диапазон рабочих температур — некоторые суперконденсаторы адаптированы для работы в широком диапазоне температур окружающей среды. В то время как большинство аккумуляторных батарей имеют значительно заниженную эффективную емкость при низких температурах, суперконденсаторы могут работать даже в морозах до -40 ° C. Большинство ионисторов также хорошо справляются с повышенными температурами окружающей среды, вплоть до +85 ° C.

Цена — современные суперконденсаторы по-прежнему относительно дороги в производстве, а это означает что использование перезаряжаемых или одноразовых батарей может оказаться экономической необходимостью. Стоимость резко возрастает, особенно на миниатюрные конденсаторы для сборки SMD с очень большой емкостью.

Суперконденсатор
Типичная разрядная характеристика суперконденсатора

Характеристики разряда — одним из наиболее важных различий между батареями и конденсаторами является форма их характеристик разряда по напряжению. В случае батарей напряжение медленно падает в течение длительного периода времени до тех пор, пока не будет достигнут определенный критический диапазон, выше которого происходит резкое падение, ведущее к глубокой разрядке — если устройство не отключится раньше. Примеры характерных форм для популярных типов батарей показаны на рисунке. Для суперконденсаторов характеристика разряда изначально нелинейная, потому что падение напряжения на сопротивлении ESR, которое изменяется со временем, накладывается на постепенное изменение напряжения, что вызвано уменьшением количества электрического заряда, накопленного в конденсаторе.

Суперконденсатор
Примеры форм разрядных характеристик для популярных типов аккумуляторов

Плюсы и минусы конденсатора по сравнению с аккумулятором

АКБ и конденсатор — это устройства, которые накапливают электричество от генератора тока, отдают при необходимости, например, для запуска автомобиля. Каковы же достоинства, недостатки конденсатора по сравнению с аккумулятором?

Суперконденсатор

Плюсы использования:

  1. Ионистер отдает пиковый ток практически мгновенно.
  2. Заряжается суперконденсатор буквально за секунды. Недаром NASA использует их в космическом пространстве.
  3. Безопаснее жидкостного аккумулятора. В отличие от литиевых, свинцовых батарей, заряд накапливается на твердом теле.
  4. Надежно и долговечно. Конденсаторы позволяют производить до миллиона перезарядок. Вместо 1—2 тысяч у электрохимических батарейных АКБ.
  5. Эффективность отдачи энергии 98 %.
  6. Ионистеры устойчивы к экстремально низким или высоким температурам, механическим повреждениям.
Популярные статьи  Заземленная электрическая система: что это такое, примеры, особенности

Суперконденсатор

Недостатки в сравнении с АКБ:

  1. Большой коммерческий суперконденсатор накапливает лишь 20 % от энергии АКБ похожего размера.
  2. Малая плотность энергии на единицу массы.
  3. Низкая автономность без внешнего питания.
  4. Высокая скорость саморазряда.
  5. Самый мощный ионистер не сможет питать бортовую сеть даже в течение нескольких минут.

Видимо, пока конденсатор может применяться лишь для запуска двигателя, но не для длительной работы в сети автомобиля.

Особенности конструкции и производители

Плотность тока

Электроды этого изделия изготавливаются из специального пористого материала, покрытого сверху тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используются смеси неорганического или органического происхождения. Основные его отличия от привычного конденсатора состоят в следующем:

  • Между обкладками в этом изделии размещается не обычный слой диэлектрика, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция обеспечивает возможность накапливать электроэнергию в больших объёмах (электрическая ёмкость в этом случае значительно возрастает);
  • Далее суперконденсатор, в отличие от других образцов, аккумулирует и расходует заряд достаточно быстро;
  • Благодаря использованию двойного слоя диэлектрика повышается общая площадь электродов, а габариты при этом остаются прежними. Технические характеристики изделия при этом заметно улучшаются.

К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 году, также следует отнести энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – так называемую «ионную». В результате этого в процессе их зарядки осуществляется разделение противоположных по знаку зарядов, приводящее к накапливанию на обкладках положительного и отрицательного потенциала (смотрите фото).

Суперконденсатор
Разделение зарядов в СК

В 1971 году лицензию на производство этих уникальных изделий получила известная японская корпорация NEC, успешно освоившая к этому времени практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронных изделий уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов она успешно освоена практически во всех экономически развитых странах мира.

Применение

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

Видео: эффективность в применении ионистора

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

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

СуперконденсаторСхема подключения резервного питания

Обозначение на схеме:

U – подключение к основному источнику питания;

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

R1 – резистор, служит для двух целей:

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

C – резервный источник питания на базе ионистора;

Rn – сопротивление нагрузки.

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

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

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

СуперконденсаторСхема: пусковое устройство для двигателя автомобиля

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

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

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

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

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

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

Классификация и разработка суперконденсаторов

В настоящее время суперконденсаторы классифицируют по материалам, из которых они изготовлены. В настоящее время, согласно Чжоу и Динь-Нгуену , выделяют четыре основных типа:

1. Электролитические двухслойные суперконденсаторы с углеродным интерфейсом
Основными из них являются те, которые используют гидроксид натрия и калия или серную кислоту . В них раствор диссоциирует на положительные ионы натрия или калия , которые при наличии напряжения вследствие увеличения притяжения между зарядами накапливают большую электрическую энергию.
2. Двухслойные суперконденсаторы с углеродным интерфейсом
Основными из них являются аэрогели , золи, углеродные нанотрубки и активированный уголь .
Золи — это дисперсии твердых частиц в жидкости, которые неопределенно долго находятся в броуновском движении . С другой стороны, гель представляет собой твердое вещество, которое имеет большое количество жидкости и структуру, позволяющую объединять обе фазы . Для образования золей для конденсаторов выбранный оксид металла образуется в воде либо при высоких температурах, либо при избытке основания для образования золя. Впоследствии золь превращается в гель за счет дегидратации или повышения рН. Органические золи также могут быть образованы резорцином в формальдегиде.. Результатом процессов является образование очень пористого однородного материала, обеспечивающего высокую емкость. Если солнце сочетается с углеродным интерфейсом, по оценкам, может быть достигнута емкость 400 фарад на грамм.
3. Водные двухслойные оксидные суперконденсаторы с окислительно-восстановительной псевдоемкостью.
Основными из них являются оксид лития , диоксид рутения , диоксид иридия , оксид кобальта и диоксид марганца .
Суперконденсаторы можно изготовить, следуя методике, описанной в предыдущем разделе, для изготовления золя. Другой способ его получения — осаждение оксида металла с помощью процедуры электролиза . Были проведены исследования, в которых с оксидом рутения была достигнута емкость 400 Ф/г . Более экономичные суперконденсаторы около 50 Ф / г были получены с оксидом никеля . Альтернативным способом создания пористой структуры является добавление оксида лития к металлу , такому как платина ; в этот материал добавляется кислотадля удаления лития и сохранения пористой структуры нанометрового размера.
4. Суперконденсаторы из проводящего полимера
Проводящий полимер определяется как органическое вещество , которое проводит электричество так же, как металл, имеет хорошую обратимость между проводящим и непроводящим состояниями и механическую гибкость . Основными из них являются политиофен , полипиррол и полианилин . Они имеют плотность энергии более 500 Вт на килограмм, и их емкостные свойства все еще изучаются.
Оцените статью
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий