Что такое ионистор и для чего он нужен
Ионистор — устройство, применение, технические параметры
Бывают ситуации, когда реализовать автономное питание на основе одной аккумуляторной батареи не представляется возможным из-за образования больших кратковременных токов. В этом случае совместно использовался высоковольтный конденсатор большой емкости, пока не стали применять ионистор вместо аккумулятора или одновременно с ним.
В работе этого класса приборов заложена технология, благодаря которой создается двойной электрический слой (EDLC), этим они выгодно отличаются от устройств, где для накопления заряда эксплуатируются химические реакции, как обратимые (аккумулятор), так и необратимые (батарея).
Несмотря на то, что ионисторы появились относительно недавно, их изготовление налажено многими производителями как в нашей стране, так и за рубежом, эти радиодетали выпускают такие компании, как: Palm, Epcos, Elna и т.д.
Ионисторы Maxwell
Внутренне устройство
Ионисторы тем отличаются от конденсаторов, что их конструкция не предполагает использование диэлектрика между электродами, при изготовлении последних подбираются вещества, с противоположным потенциалом заряда. Упрощенное устройство этих радиодеталей показано на рисунке.
Устройство классических ионисторов
Условные обозначения:
От того, какова площадь «обкладки» конденсатора, зависит его емкость, именно с этой целью в качестве электродов в устройствах используется активированный уголь или вспененный углерод, которые помещаются в электролит. Назначение сепаратора – не допустить короткое замыкание электродов.
В качестве электролита может выступать твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты. Заметим, что в современных изделиях данный тип электролита не используется из-за своей высокой токсичности.
На рисунке ниже в качестве примера изображена конструкция ионисторов серии EN, изготовленных компанией Panasonic.
Конструкция серии EN
На рисунке обозначены:
Параметры
Основные электрические характеристики ионисторов включают в себя:
t – время разряда, измеряется в секундах (с);
С – емкость устройства (Ф);
V1, V2 – начальное и конечное значение диапазона напряжений, при которых проводилось тестирование;
I – величина тестового тока (А).
Положительные и отрицательные стороны
К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:
Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:
Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.
Применение
Сфера применения ионисторов довольно обширна, но наиболее часто они используются как аварийный или резервный блок питания для таймера или микросхем памяти в различных устройствах, начиная от телефонов и заканчивая музыкальными центрами, телевизорами, видеокамерами и т.д.
Видео: эффективность в применении ионистора
Типичная схема включения суперконденсаторов, как источников питания, показана на рисунке.
Схема подключения резервного питания
Обозначение на схеме:
U – подключение к основному источнику питания;
D1 – диод, не допускающий утечки заряда ионистора, когда отсутствует основное питание;
R1 – резистор, служит для двух целей:
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.
Данная схема может быть реализована на любом легковом автомобиле, где напряжение бортовой сети 12V, обозначения на рисунке:
В схеме используется суперконденсатор (маркировка: 12ПП-15/0,002), у которого следующие характеристики:
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.
Ионистор
Устройство, характеристики и применение ионисторов
Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.
Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.
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 (RbAg4I5) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H2SO4. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.
В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.
Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.
К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:
Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;
Количество циклов заряд/разряд – более 100000;
Не требуют обслуживания;
Небольшой вес и габариты;
Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;
Работает в широком диапазоне температур (-40…+70°C). При температуре больше +70°C 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. Rн – 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?
Может ли ионистор заменить аккумулятор?
На сегодняшний день аккумуляторные технологии значительно продвинулись и стали более совершенными по сравнению с прошлым десятилетием. Но все же, пока что аккумуляторные батареи остаются расходным материалом, потому как имеют небольшой ресурс.
Мысль о том, чтобы использовать, конденсатор для накопления и хранения энергии не нова и первые эксперименты проводились с электролитическими конденсаторами. Ёмкость у электролитических конденсаторов бывает значительной – сотни тысяч микрофарад, но все же ее недостаточно для того, чтобы длительное время питать хоть и не большую нагрузку, притом присутствует значительный ток утечки, обусловленный особенностями конструкции.
Современные технологии не стоят на месте, и был изобретен ионистор, это конденсатор, имеет сверхбольшую емкость – от единиц фарад и до десятков тысяч фарад. Ионисторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике, для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. В такой комбинации ионистор позволяет уменьшить нагрузку на аккумуляторные батареи, что значительно увеличивает их срок службы аккумулятора и одновременно увеличивает стартовый ток, который способна отдать гибридная система питания двигателя.
Появилась необходимость запитать датчик температуры, таким образом, чтобы не менять в нем батарейку. Датчик питается от батареи типоразмера АА и включается для отправки данных на погодную станцию один раз в 40 секунд. В момент отправки датчик потребляет в среднем 6 мА в течение 2 секунд.
Возникла идея использовать солнечную батарею и ионистор. Исходя из выявленных характеристик потребления датчика, были взяты следующие элементы:
1. Солнечная батарея 5 Вольта и ток примерно 50 мА (Солнечная батарея Советского производства возрастом примерно 15 лет)
2. Ионистор: Panasonic 5.5 Вольт и емкостью 1 фарад.
3. Ионисторы 2 шт: DMF 5.5 Вольт и общей емкостью 1 фарад.
4. Диод Шотки с прямым падением напряжения при малом токе 0.3 В.
Диод Шотки необходим для того чтобы предотвратить разряд емкости через солнечную батарею.
Ионисторы соединены параллельно, и общая емкость составляет 2 фарады.
Фото 1.
Эксперимент №1 – Подключил микроконтроллер с монохромным ЖК-дисплеем и общим током потребления 500 мкА. Хотя микроконтроллер с дисплеем и заработали, но я заметил, что старые солнечные элементы крайне не эффективны, ток заряда в тени был недостаточным для того, чтобы хоть сколько-нибудь зарядить ионисторы, напряжение на 5ти вольтовой солнечной батареи в тени было меньше 2 вольт. (По некоторым обстоятельствам микроконтроллер с дисплеем на фото не показаны).
Эксперимент №2
Для повышения шанса на успех я приобрел на радиорынке новые солнечные элементы номиналами 2 В, током 40 мА и 100 мА, китайского производства залитые оптической смолой. Для сравнения данные батареи в тени уже выдавали 1,8 вольт, при этом не большой ток заряда, но все же заметно лучше заряжающий ионистор.
Спаяв конструкцию уже с новой батареей, диодом шотки и конденсаторами я положил ее на подоконник для того, чтобы конденсатор зарядился.
Притом, что солнечный свет напрямую не попадал на батарею, уже через 10 минут конденсатор зарядился до 1,95 В. Взял датчик температуры, вынул из него батарею и подключил ионистор с солнечной батареей к контактам батарейного отсека.
Фото 2.
Датчик температуры сразу же заработал и передал на метеостанцию комнатную температуру. Убедившись, что датчик работает, закрепил на него конденсатор с солнечной батареей и повесил на место.
Что же было дальше?
Все светлое время суток датчик исправно работал, но с наступлением темного времени суток, уже через час, датчик перестал передавать данные. Очевидно, что запасенного заряда не хватало даже на час работы датчика и потом выяснилось почему…
Эксперимент №3
Решил немного доработать конструкцию таким образом, чтобы ионистор (вернул сборку ионисторов 2 фарады) был полностью заряжен. Собрал батарею из трех элементов, получилось 6 вольт и ток 40 мА (при полном освещении солнцем). Данная батарея в тени уже давала до 3,7 В вместо предыдущей 1,8 В (фото 1) и ток заряда до 2 мА. Соответственно ионистор заряжаясь до 3,7 В и имел уже значительно больше запасенной энергии в сравнении с Экспериментом №2.
Фото 3.
Все бы хорошо, но мы теперь имеем на выходе до 5,5 В, а датчик питается от 1,5 В. Необходим DC\DC преобразователь, что в свою очередь вносит дополнительные потери. Тот преобразователь, который у меня был в наличии, потреблял порядка 30 мкА и на выходе давал 4,2 В. Пока мне не удалось найти нужный преобразователь, для того чтобы запитать датчик температуры уже от модернизированной конструкции. (Нужно будет подобрать преобразователь и повторить опыт).
О потерях энергии:
Выше упоминалось, что ионисторы имеют ток саморазряда, в данном случае у сборки 2 фарада он составлял 50 мкА, так же сюда добавляются потери в DC\DC преобразователе порядка 4% (заявленная эффективность 96%) и его холостой ход 30 мкА. Если не брать во внимание потери на преобразование, мы уже имеем потребление порядка 80 мкА.
Отнестись к энергосбережению необходимо особо внимательно, потому как экспериментальным путем установлено, что ионистор емкостью 2 фарады заряженный до 5,5 В и разряженный до 2,5 В имеет так скажем «аккумуляторную» емкость 1 мА. Иначе говоря – потребляя 1 мА с ионистора в течении часа, мы его разрядим с 5,5 В до 2,5 В.
О скорости заряда прямым солнечным светом:
Ток, получаемый от солнечной батареи тем выше, чем лучше батарея освещена прямыми солнечными лучами. Соответственно скорость заряда ионистора увеличивается в разы.
Фото 4.
Из показаний мультиметра видно (0.192 В, начальные показания), через 2 минуты конденсатор зарядился до 1,161 В, через 5 минут до 3,132 В и еще через 10 минут 5,029 В. В течении 17 минут ионистор был заряжен на 90%. Нужно отметить, что освещение солнечной батареи было неравномерным в течении всего времени и происходило через двойное оконное стекло и защитную пленку батареи.
Технический отчет по Эксперименту №3
Технические характеристики макета:
— Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 40 мА (при полной засветке солнцем), (в тени пасмурной погоды 3,7 В и ток 1 мА с нагрузкой на ионистор).
— Ионисторы соединены параллельно, суммарная емкость 2 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, ток саморазряда 50 мкА;
— Диод Шотки с падением прямого напряжения 0,3 В, используется для развязки по питанию солнечную батарею и ионистор.
— Размеры макета 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA).
От данного макета удалось запитать:
Микроконтроллер с ЖК-дисплеем (ток потребления 500 мкА при 5,5 В, время работы без солнечной батареи, приблизительно 1,8 часа);
Датчик температуры, время работы световой день с солнечной батареей, потребление 6 мА в течении 2 секунд каждые 40 секунд;
Светодиод светился 60 сек при среднем токе 60 мА без солнечной батареи;
Так же был испробован DC\DC преобразователь напряжения (для стабильного питания), с которым удалось получить 60 мА и 4 В, в течении 60 секунд (при заряде ионистора до 5,5 В, без солнечной батареи).
Полученные данные говорят о том, что ионисторы в данной конструкции имеют приблизительную емкость 1 мА (без подпитки от солнечной батареи с разрядом до 2,5 В).
Выводы:
Данная конструкция позволяет накапливать энергию в конденсаторах для беспрерывного питания микропотребляющих устройств. Накопленная емкость 1 мА на 2 фарады емкости конденсатора должно хватить для обеспечения работоспособности микропроцессора с низким потреблением в темное время суток в течение 10 часов. При этом суммарный ток потерь и потребления нагрузкой не должен превышать 100 мкА. Днем ионистор подзаряжается от солнечной батареи даже в тени и способен питать нагрузку в импульсном режиме током до 100 мА.
Отвечаем на вопрос в заголовке статьи — Может ли ионистор заменить аккумулятор?
– может заменить, но пока со значительными ограничениями по току потребления и режиму работы нагрузки.
Фото 5.
С одной стороны платы располагаются солнечная батарея, с другой стороны сборка ионисторов и DC\DC преобразователь.
P. S. Если вы заметили опечатку, ошибку или неточность в расчетах — напишите нам личным сообщением, и мы оперативно все исправим.
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Ионисторы на замену аккумуляторным батареям
При проектировании электронной схемы с внутренним источником питания стоит задуматься о том, будет ли это классический аккумулятор или современный ионистор (другое название – суперконденсатор).
Движущей силой развития современной электроники являются источники энергии, без которых было бы невозможно эффективно миниатюризировать мобильные устройства, компьютеры или всевозможные носимые гаджеты. На первом этапе этой революции классические одноразовые батареи были заменены гораздо более удобными и экономичными АКБ. Но сейчас можно отметить другую тенденцию – суперконденсаторы – восходящая звезда в мире источников питания. Хотя вряд ли эти элементы вытеснят с рынка обычные электрохимические батареи в ближайшие несколько лет, их доля в отрасли с каждым годом будет значительнее.
Аккумуляторы – краткий обзор технологии
Сейчас на рынке электронных компонентов можно найти широкий ассортимент аккумуляторов, различающихся как технологией изготовления, так и размерами, способом монтажа, емкостью, напряжением, выходом по току или сопротивлению, условиям рабочей среды. Часто выбор источника питания для конкретного применения определяется не только основными техническими параметрами, но и соответствующими сертификатами безопасности, которые определяют использование батареи в данном устройстве – медицинские устройства будут здесь прекрасным примером. Далее сводка наиболее важной информации о типах аккумуляторов, которые в настоящее время используются в различных областях электроники.
Аккумуляторы NiCd (никель-кадмиевые) – одно из старых поколений аккумуляторов, обычно встречающиеся в виде ячеек R6 (AA) или R03 (AAA). В настоящее время использование этих батарей прекращается из-за токсичности кадмия и проблем с утилизацией.
NiMH аккумуляторы (никель-металлогидридные) – более эффективны, чем NiCd, и по-прежнему пользуются особой популярностью в сегменте небольших аккумуляторов типоразмеров (R03, R6, R14, R20, а также 6F22). В связи с популяризацией никель-металлгидридных элементов и корпусов и падением цен это решение, оно заменило никель-кадмиевые батареи. Хорошим примером выступают эффективные АКБ Eneloop, часто используемые в профессиональных устройствах (например при питании фотовспышек, требующих высокой емкости и эффективности по току, а также устойчивости к большим колебаниям окружающей температуры). NiMH аккумуляторы также доступны в миниатюрных версиях, а также различных типов корпусов (часто предназначенные для монтажа непосредственно на печатной плате). Во многих коммерческих устройствах можно найти использование небольших перезаряжаемых батарей этого типа в качестве источника питания для поддержания энергозависимой памяти и / или работы часов реального времени (RTC). Это решение имеет преимущество перед использованием литиевыъх батарей (например CR2032), поскольку оно устраняет необходимость периодической замены батареи каждые несколько лет работы устройства.
Аккумуляторы Li-Ion (литий-ионные) – наиболее распространенный сегодня тип аккумуляторов, особенно в мобильных устройствах, ноутбуках, радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, медицинских устройствах, фонариках и многом другом. Батареи этого типа отличаются большой емкостью, высоким выходом по току и высокой плотностью энергии, а также позволяют достаточно быстро перезаряжаться. В отличие от щелочных батарей, литий-ионные источники электроэнергии требуют строго контролируемых рабочих параметров, в частности процесса зарядки – хорошо известны самовоспламенение и взрывы литий-ионных аккумуляторов в результате производственных дефектов или неисправности зарядных устройств.
Аккумуляторы Li-Po (литий-полимерные) – также часто используемые в бытовой электронике (например, в планшетах или фитнес браслетах) и в авиамоделировании. Они более безопасные (хотя и требуют использования как встроенных, так и внешних устройств защиты) и легче, чем литий-ионные батареи, обеспечивают возможность очень быстрой зарядки и бывают разных размеров.
Аккумуляторы LiFePO4 (литий-железо-фосфатные) – еще одна подгруппа аккумуляторов с химической структурой на основе лития, набирающая все большую популярность в требовательных схемах электропитания электромобилей, электроинструментов и накопителей энергии. LiFePO4 обладает довольно высокой плотностью энергии (следовательно емкостью), высокой устойчивостью к суровым условиям эксплуатации (включая глубокий разряд) и длительным сроком службы. При этом у них нет эффекта памяти.
Необслуживаемые батареи – в эту группу входят свинцово-кислотные батареи нового поколения, в которых жидкий электролит (ранее требовавший периодического, ручного пополнения и контроля уровня) был заменен электролитом в виде геля (гелевые батареи) или закрываются в специальных отсеках из стекломата (аккумуляторы AGM). Продукты из этой группы обладают высокой емкостью, но при этом удельная энергия довольно низкая. Даже самые маленькие необслуживаемые батареи во много раз тяжелее, чем литий-ионные или никель-металлгидридные АКБ, аналогичные по емкости и напряжению. Преимуществом AGM и гелевых аккумуляторов является их невысокая цена, возможность работы в любом положении (без риска утечки электролита за пределы аккумуляторного отсека) и простота взаимодействия со схемами бесперебойного питания.
Конструкция и использование ионисторов
Суперконденсаторы по устройству и принципу работы отличаются от классических электролитических конденсаторов, хотя кажутся на них похожими. Основное отличие состоит в том, что суперконденсаторы имеют более сложную форму – их название, электрический двухслойный конденсатор (EDLC), указывает на двухслойную структуру. Облицовка конденсатора отделена от электролита «собственными» диэлектрическими слоями, что делает заменяющую модель такого конденсатора включающей в себя два последовательно соединенных конденсатора. Между облицовками имеется дополнительный слой ионопроницаемого сепаратора, предназначенный для предотвращения случайного замыкания электродов.
Схема суперконденсатора EDLC
Конструктивно похожие на EDLC конденсаторы представляют собой так называемые гибридные конденсаторы, в которых накопление электрического заряда происходит с помощью двух механизмов. Первый из них – типичный для конденсаторов, то есть за счет накопления электростатической энергии. Второй механизм основан на электрохимических явлениях, которые заставляют суперконденсатор вести себя как обычная батарея. Такой гибридный принцип работы делает характеристики заряда и разряда немного более сложными, чем у классических конденсаторов, но поведение суперконденсаторов в реальных схемах будет определяться в основном электростатической составляющей. Это означает почти линейное падение напряжения в зависимости от степени заряда, что является большой трудностью для разработчиков.
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.
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).
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.
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.
Примеры форм разрядных характеристик для популярных типов аккумуляторов
Суперконденсаторы вместо батареек
Принято считать, что ионисторы являются быстрой и эффективной заменой батарей и аккумуляторов практически в любом устройстве. Но стоит помнить, что из-за всех отличий, а также значительных ограничений этой технологии – прямая замена одного типа источника энергии на другой возможна только при определенных условиях и в строго определенных ситуациях. Ионисторы это не малогабаритные электронные устройства, а целые схемы большой мощности. Хотя в последнее время все чаще слышно о питании даже электромобилей с помощью суперконденсаторов.
Действительно, такое решение кажется очень привлекательным с точки зрения полезности – высокая удельная мощность может успешно использоваться во время разгона, значительно улучшая динамику движения. Замечательная скорость зарядки дарит надежду на то, что электромобиль будущего сможет заряжаться немного дольше, чем просто заправка обычного авто.
Другой пример – накопители энергии, используемые в современных распределенных системах электроэнергии. Подключение потребителей к электросети (которые помимо использования энергии могут и продавать излишки обратно в сеть), а также увеличение количества возобновляемых источников энергии означает, что иногда возникает необходимость хранить неиспользованную энергию низкой нагрузки на сеть. Это решение позволяет использовать его в периоды повышенного спроса, связанного с суточным циклом (например при работе предприятий). С другой стороны, использование накопителей энергии имеет решающее значение из-за включения в сеть энергоемких зарядных станций для электромобилей – обычная электросеть не сможет справиться с импульсным увеличением тока.
Схемы питания на основе суперконденсаторов
В некоторых схемах ценным преимуществом является возможность поддерживать питание процессора и ключевых компонентов, например, после сбоя электросети, чтобы должным образом завершить работу операционной системы, сохранить наиболее важные данные в памяти или восстановить информацию из энергозависимой памяти после того, как питание вернется в норму.
Не всегда необходимо и выгодно запитывать все устройство – обычно достаточно подать напряжение на процессор на короткий период времени вместе с любыми внешними запоминающими устройствами, необходимыми для завершения процедуры управляемого выключения. Из инженерной практики известно, что данные операционной системы хранятся на картах microSD миникомпьютеров (например Raspberry Pi), и повреждаются при внезапном отключении питания в неудачный момент.
В некоторых случаях можно эффективно использовать энергию запасенную в классических электролитических конденсаторах, фильтрующих источник питания. Но если для выполнения процедуры требуется большее количество энергии – стоит обратиться к суперконденсатору, работающему в режиме буферного питания.
Принцип работы системы резервного питания с использованием суперконденсаторов
Принцип работы системы резервного питания с использованием суперконденсаторов показан на рисунке выше. После отключения основного блока питания, последовательно включенные суперконденсаторы отправляют энергию на потребитель через преобразователь. Дополнительные резисторы – за счет снижения эффективности схемы из-за потерь энергии – уравновешивают напряжение, предотвращая поломку одного из конденсаторов.
Такая простая схема, хотя и хорошо известная из инженерной практики по применению свинцово-кислотных аккумуляторов, не будет работать в большинстве реальных проектных ситуаций – основная проблема будет заключаться в сильном импульсе тока, который появляется при зарядке суперконденсатора сразу после включение питания устройства. Поэтому должны быть предусмотрены соответствующие меры по исправлению положения.
Схема для устранения проблемы сильного импульса тока, возникающего при зарядке суперконденсатора
Одно из самых простых практических приложений для устранения этой проблемы показано на рисунке. Резистор R используется для ограничения зарядного тока.
Диод Шоттки защищает схему от обратных токов, благодаря чему зарядка конденсатора возможна только через резистор. Схема адаптирована для питания от источников постоянного напряжения с напряжением, превышающим как минимум на 0,3 В напряжение поддержки, необходимое для правильной работы процессора. Важным требованием является обеспечение высокого сопротивления источника после его выключения, иначе суперконденсатор будет разряжаться непосредственно на источник, что значительно сократит время поддержки.
Универсальное применение схемы резервного питания с использованием суперконденсаторов
Гораздо лучшим и более универсальным решением является схема питания, показанная на рисунке выше. Дополнительный диод Шоттки, подключенный последовательно с резистором R, предотвращает разряд ионистора от основного источника питания или других блоков устройства. Полевой транзистор позволяет программно выбрать источник напряжения – в состоянии проводимости он обеспечивает путь с низким сопротивлением, который соединяет выводы питания процессора с основным источником питания устройства, и отключение (после обнаружения падения напряжения) позволяет начать разрядку суперконденсатора после перевода микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления (STOP).
Стоит обратить внимание на то, что большой ошибкой может быть попытка использовать суперконденсатор вместо никель-металлгидридной аккумуляторной батареи для поддержания часов RTC и памяти RAM. Это решение будет работать только в тех устройствах, которые во время нормальной работы постоянно или большую часть времени подключены к другому источнику питания (например часы с питанием от сети). Следует помнить, что суперконденсаторы характеризуются относительно высокими токами саморазряда, а значит время поддержки ионистором RTC или RAM памяти будет во много раз меньше, чем в случае даже небольшой литиевой батареи или никель-металлогидридного АКБ.
Резервный БП с напряжением выше 5 В
Схемы буферного питания, представленные на рисунках, оправданы для маломощных микроконтроллеров и других схем, способных работать при напряжении питания около 1,8 – 3,3 В. При необходимости получить более высокое напряжения (например USB 5 В), можно выбрать один из четырех вариантов:
Выбор преобразователя для ионистора
Давайте подумаем о соответствующем выборе DC / DC преобразователя, который будет работать с суперконденсаторами. Среди всех важных параметров, особое внимание следует уделить трем из них:
Принципиальная схема MCP1640, способной работать при входном напряжении в диапазоне от 0,65 В
Диапазон входного напряжения – предполагая, что целью использования преобразователя является восстановление как можно большего количества энергии хранящейся в суперконденсаторе (а не только для повышения напряжения на короткое время, например, для сохранения данных в энергонезависимой памяти), важен подбор схемы с максимально широким диапазоном напряжений с минимально возможным пусковым напряжением.
На рынке существует множество миниатюрных преобразователей, отвечающих этому требованию – в качестве примера приведем семейство Microchip MCP1640, способные работать при стартовом входном напряжении в диапазоне от 0,65 В. Базовая схема показана на рисунке. Еще одним заслуживающим внимания примером является схема LM2621 – при токе питания 80 мкА она может обеспечивать питание выходного устройства с током до 1 А, что позволяет использовать её в устройствах, требующих большей мощности (в этом случае понадобится суперконденсатор большой емкости или батарея нескольких меньших, соединенных параллельно).
КПД – высокий коэффициент преобразователя позволяет максимально полно использовать относительно небольшое количество энергии, хранящейся в суперконденсаторе. Но стоит иметь в виду, что во многих приложениях – в частности, в сегменте сверхнизкого энергопотребления – значение тока источника питания, потребляемого самим преобразователем, оказывается гораздо более важным, поскольку именно этот параметр становится основной потерь энергии, вносимых преобразователем для схемы с низким энергопотреблением. Например MCP1640 для правильной работы требуется ток всего 19 мкА, поэтому ее можно успешно использовать в маломощных устройствах.
Контроль (линия EN / SHDN) – стоит обратить внимание на возможность отключения инвертора при нормальной работе устройства, что снизит общее энергопотребление и позволит быстрее заряжать суперконденсатор после того как накопленный в нем заряд использован. В настоящее время подавляющее большинство интегрированных контроллеров DC / DC имеют линию включения. Энергосбережение особенно полезно в устройствах, основным источником питания которых являются батареи или аккумулятор – например, контроллер MCP1640 потребляет всего 1 мкА в выключенном состоянии.
Встроенные контроллеры ионисторов
Использование стандартного встроенного контроллера заряда / разряда – хороший выбор для более требовательных приложений с суперконденсаторами. В настоящее время на рынке появляется все больше продуктов этого типа – каждый из них предлагает несколько иной набор функций и параметров, что позволяет адаптировать силовые цепи к конкретным требованиям приложения.
Схема применения контроллера MAX38888, действующего как «реверсивный» преобразователь постоянного тока
Рассмотрим микросхему MAX38888. Это обратимый преобразователь постоянного тока в постоянный, позволяющий просто реализовать функции управления потоком энергии между суперконденсатором и основным источником питания (батареями или аккумулятором). Схема позволяет заряжать суперконденсатор током до 500 мА, а после потери основного источника питания (после извлечения аккумулятора) позволяет запитывать системную часть (шину питания основного устройства) током до 2,5 А. Схема включения контроллера MAX38888 показана на рисунке.
Схема применения микросхемы LTC4041 с двумя суперконденсаторами
Другой пример специализированного контроллера суперконденсатора – микросхема LTC4041. Встроенный активный балансировщик обеспечивает прямое подключение двух последовательных суперконденсаторов к контроллеру. Один и тот же блок понижающего / повышающего преобразователя постоянного тока может работать в двух направлениях, поддерживая как зарядку суперконденсатора, так и разряд на нагрузку.
В схемах требующих более высоких рабочих напряжений, можно использовать расширенный контроллер серии LTC3350. Система обеспечивает последовательное соединение до четырех суперконденсаторов, предлагает функцию активного балансира, двунаправленный понижающий / повышающий преобразователь и ряд уникальных функций, в том числе 14-битный преобразователь АЦП для контроля напряжений, токов, емкости и так далее. Он также оснащен активными ограничителями перенапряжения и двойным транзисторным контроллером с «идеальным диодом» для передачи энергии на суперконденсаторы и обратно без потерь.
Схема применения расширенного контроллера серии LTC3350, разработанного для систем, требующих высоких рабочих напряжений
ON Semiconductor подготовила интересное предложение для разработчиков, работающих над фотовспышками и другими приборами, требующими подачи сильных импульсов тока (до 4 А) на мощные светодиоды. CAT3224 – это специализированный контроллер ионистора, который также предлагает два высокопроизводительных встроенных источника тока и активный балансировщик для подключения двух суперконденсаторов.
Схема на базе микросхемы CAT3224, которая позволяет подавать сильные импульсы тока на мощные светодиоды
Представленное решение является еще одним примером отличного взаимодействия между батареями (в данном случае рекомендуются литий-ионные) и суперконденсаторами.
Взаимодействие суперконденсаторов с АКБ
Обсуждая тему суперконденсаторов и аккумуляторов, заметим еще один важный пример сотрудничества между обоими типами источников энергии. С помощью компаратора, ОУ и LDO стабилизатора, можно построить схему активного напряжения компенсации падения на внутреннее сопротивление основного источника питания (батареи) – пример такой схемы показан на рисунке далее.
Активная компенсация падения напряжения на внутреннем сопротивлении основного источника питания
Конденсаторы заряжаются от источника тока на базе усилителя MAX406, взаимодействующего с шунтирующим резистором R6 (в дифференциальном режиме) и выходным транзистором P1. Компаратор MAX985 постоянно проверяет напряжение на конденсаторах и шине питания устройства, при необходимости открывая транзистор P2, так что суперконденсаторы подключаются параллельно к батарее, поддерживая ее работу и предотвращая переходное падение напряжения при приложении большой нагрузки.
Канал 1 – напряжение аккумулятора, канал 2 – выходное напряжение, канал 3 – напряжение на плюсовом выводе «верхнего» суперконденсатора
Эффекты работы системы показаны на рисунке (канал 1 – напряжение аккумулятора, канал 2 – выходное напряжение, канал 3 – напряжение на плюсовом выводе «верхнего» суперконденсатора).
Подведение итогов и перспективы
В обычной электронике обычно встречаются электрохимические источники энергии: батареи и аккумуляторы. Но стоит помнить, что ионисторы хотя еще не готовы к полной замене обычных источников питания с технологической точки зрения – идеально подходят для их поддержки в устройствах, требующих поддержания питания после сбоя энергии от основного источника, или в качестве дополнительных аккумуляторов, используемых для компенсации падений напряжения нагрузки. Пройдёт ещё несколько лет и ситуацию серьёзно изменится, так как активные разработки ведутся многими фирмами.