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:

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

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

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

Устройство и принцип действия

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

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

Если использовать кристаллический твердый электролит на основе йода, серебра и рубидия, то можно изготовить ионистор, обладающий большой емкостью, низким саморазрядом и способный функционировать при пониженных температурах. Возможно производство аналогичных ультраконденсаторов, на базе электролита из раствора серной кислоты. Такие устройства имеют малое внутреннее сопротивление, но также небольшое рабочее напряжение 1 вольт. В настоящее время ионисторы, содержащие электролиты из кислот и щелочей практически не изготавливают, так как они обладают повышенными токсичными свойствами.

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

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

Классификация

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

Рабочие параметры ионисторов

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

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

Изображение на схемах

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

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

Преимущества

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

Недостатки

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

Применение

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

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

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

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

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

Автомобильное пусковое устройство

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

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

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

В схеме применяется ионистор со следующими параметрами:

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

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

Введение

Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор) -- электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.

История создания

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric.

Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда».

Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе.

Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

Типы ионисторов

1) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами. Некоторые варианты электролита: 30 % водный раствор КОН; 38 % водный раствор Н 2 SO 4 ; органические электролиты .

2) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция. Варианты: Ag(-) и твердый электролит RbAg 4 I 5 ; 30 % водный раствор КОН и NiOOH(+)

3) Псевдоконденсаторы -- ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную ёмкость. Электрохимическая схема: (-) Ni(H) / 30 % водный раствор КОН / NiОOH (+); (-) С(Н) / 38 % водный раствор Н 2 SO 4 / PbSO 4 (РbO 2) (+) .

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.

Недостатки ионисторов:

· Удельная энергия меньше, чем у традиционных источников (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов).

· Напряжение зависит от степени заряженности.

· Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.

· Большое внутреннее сопротивление по сравнению с традиционными конденсаторами (10...100 Ом у ионистора 1 Ф Ч 5,5 В).

· Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф Ч 2,5 В .

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор - это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Щ. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом - десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме

ионистер конденсатор электрод энергия

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор.

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые. Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

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?

Ионистор – это конденсатор, обкладками которого является двойной электрический слой между электродом и электролитом. Другое название этого прибора – суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор или ионикс. Обладает большой ёмкостью, что позволяет использовать его в качестве источника тока.

Устройство ионистора

Принцип действия ионистора аналогичен обычному конденсатору, но эти устройства отличаются используемыми материалами. В качестве обкладок в таких элементах применяют пористый материал – активированный уголь, являющийся хорошим проводником, или вспененные металлы. Это позволяет во много раз увеличить их площадь и, так как ёмкость конденсатора прямо пропорциональна площади электродов, она возрастает в той же степени. Кроме того, в качестве диэлектрика используется электролит, как в электролитических конденсаторах, что уменьшает расстояние между обкладками и увеличивает ёмкость. Самые распространённые параметры – несколько фарад при напряжении 5-10В.

Типы ионисторов

Есть несколько типов таких устройств:

• С идеально поляризуемыми электродами из активированного угля. Электрохимические реакции в таких элементах не происходят. В качестве электролита используются водные растворы едкого натра (30% KOH), серной кислоты (38% H2SO4) или органические электролиты;
• В качестве одной обкладки используется идеально поляризуемый электрод из активируемого угля. Второй электрод является слабо,- или неполяризуемым (анод или катод, в зависимости от конструкции);
• Псевдоконденсаторы. В этих приборах на поверхности обкладок происходят обратимые электрохимические реакции. Отличаются большой ёмкостью.

Достоинства и недостатки ионисторов

Применяются такие устройства вместо аккумуляторов или батареек. По сравнению с ними, у таких элементов есть преимущества и недостатки.

Недостатки суперконденсаторов:

• низкий ток разряда в распространённых элементах, а конструкции без этого недостатка отличаются высокой ценой;
• напряжение на выходе устройства падает при разряде;
• при коротком замыкании в элементах большой ёмкости с низким внутренним сопротивлением выгорают контакты;
• пониженное допустимое напряжение и скорость разряда, по сравнению с конденсаторами обычных типов;
• больший, чем в аккумуляторах, ток саморазряда.

Преимущества ультраконденсаторов:

• большие, чем в аккумуляторах, скорость, ток заряда и разряда;
• долговечность – при испытаниях после 100 000 циклов заряд/разряд не было отмечено ухудшение параметров;
• высокое внутреннее сопротивление в большинстве конструкций, препятствующее саморазряду и выходу из строя при коротком замыкании;
• длительный срок службы;
• меньший объём и вес;
• биполярность – изготовитель наносит маркировку «+» и «-«, но это полярность заряда, поданного при испытаниях на производстве;
• широкий диапазон рабочих температур и стойкость к механическим перегрузкам.

Плотность энергии

Возможность запасать энергию у суперконденсаторов в 8 раз меньше, чем у свинцовых аккумуляторов, и в 25 раз меньше, чем у литиевых. Плотность энергии зависит от внутреннего сопротивления: чем она ниже, тем выше удельная энергоёмкость устройства. Последние разработки учёных позволяют создать элементы, способность запасать энергию которых сравнима со свинцовыми аккумуляторами.

В 2008 году в Индии был создан ионистор, в котором обкладки были изготовлены из графена. Энергоёмкость этого элемента составляет 32 (Вт*ч)/кг. Для сравнения, энергоёмкость автомобильных аккумуляторов – 30-40 (Вт*ч)/кг. Ускоренная зарядка этих аппаратов позволяет использовать их в электромобилях.

В 2011 году корейские конструкторы создали аппарат, в котором, кроме графена, был применён азот. Этот элемент обеспечил удвоенную удельную энергоёмкость.

Справка. Графен – это слой углерода, толщиной 1 атом.

Применение ионисторов

Электрические свойства суперконденсаторов находят применение в разных областях техники.

Общественный транспорт

Электробусы, в которых вместо аккумуляторов применяются ионисторы, производятся компаниями Hyundai Motor, «Тролза», Белкоммунмаш и некоторыми другими.

Эти автобусы конструктивно похожи на троллейбусы без штанг и не нуждающиеся в контактной сети. Они подзаряжаются на остановках за время высадки и посадки пассажиров или в конечных точках маршрута за 5-10 минут.

Троллейбусы, оборудованные ионисторами, способны объезжать обрывы контактной линии, пробки и не нуждаются в проводах в депо и стоянках в конечных точках маршрута.

Электромобили

Основная проблема электромобилей – длительное время заряда. Ультраконденсатор, с большим зарядным током и малым временем зарядки, позволяет вести подзарядку при кратковременных остановках.

В России разработан Ё-мобиль, использующий специально созданный ионистор в качестве аккумулятора.

Кроме того, установка суперконденсатора параллельно аккумулятору позволяет увеличить ток, потребляемый электродвигателем при пуске и разгоне. Такая система применяется в KERS, в болидах Формулы-1.

Бытовая электроника

Эти приборы используются в фотовспышках и других устройствах, в которых возможность быстрой зарядки и разрядки важнее габаритов и веса аппарата. Например, детектор рака заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту. Этого достаточно, чтобы произвести исследование и предотвратить ситуации, в которых прибор неработоспособен из-за разряженных батарей.

В автомагазинах можно приобрести ионисторы ёмкостью 1 фарад, для использования параллельно автомагнитоле. Они сглаживают колебания напряжения в период пуска двигателя.

Ионистор своими руками

При желании можно сделать суперконденсатор своими руками. Такое устройство будет обладать худшими параметрами и прослужит недолго (пока не высохнет электролит), но даст представление о работе таких устройств в целом.

Для того чтобы изготовить ионистор своими руками, необходимы:

• медная или алюминиевая фольга;
• поваренная соль;
• активированный уголь из аптеки;
• вата;
• гибкие провода для выводов;
• пластмассовая коробочка для корпуса.

Порядок изготовления ультраконденсатора следующий:

• отрезать два кусочка фольги такого размера, чтобы они помещались на дно коробки;
• припаять к фольге провода;
• смочить уголь водой, растереть в порошок и высушить;
• приготовить 25% раствор соли;
• смешать угольный порошок с солевым раствором до пастообразного состояния;
• смочить раствором соли вату;
• нанести пасту тонким ровным слоем на фольгу;
• сделать «сэндвич»: фольга углём вверх, тонкий слой ваты, фольга углём вниз;
• поместить конструкцию в коробку.

Допустимое напряжение такого прибора – 0,5 В. При его превышении начинается процесс электролиза, и ионистор превращается в газовый аккумулятор.

Интересно. Если собрать несколько таких конструкций, то рабочее напряжение вырастет, но ёмкость упадёт.

Ионисторы – это перспективные электроприборы, способные, благодаря большой скорости заряда и разряда, заменить обычные аккумуляторы.

Видео