Ионистор: что это такое, где применять и как использовать в качестве источника питания постоянного тока

Обновлено: 28.03.2024

Ионистор представляет собой конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред: электрода и электролита. Накопленная энергия хранится в ионисторе в виде статического заряда, при этом накопление заряда происходит, если к его обкладкам приложить постоянное напряжение.

Для ионисторов характерны большое число циклов заряда-разряда, длительный срок службы, большая плотность энергии, возможность работы при любом положении в пространстве.

По плотности энергии и скорости доступа к запасенной энергии ионисторы занимают промежуточное положение между электролитическими конденсаторами большой емкости и небольшими аккумуляторами, но имеют отличный от них принцип действия.

В аккумуляторах энергия накапливается в результате обратимых химических реакций. В конденсаторах с органическим или неорганическим диэлектриком накопление энергии происходит вследствие поляризации диэлектрика в электрическом поле. Ионисторы накапливают энергию за счет перераспределения зарядов в электролите и их концентрации на границе между электродом и электролитом.

Конструктивно ионистор состоит из двух специальных обкладок, пропитанных электролитом, — электродов. Обкладки выполняются из следующих материалов:

  • • активированный уголь (обкладки большой площади);
  • • оксиды металлов;
  • • проводящие полимеры.

Электроды, изолированные друг от друга сепаратором, размещаются в герметичном корпусе.

Применение высокопористых угольных материалов позволяет достигать плотности емкости порядка 10 Ф/см 3 и выше. Ионисторы на основе активированного угля наиболее экономичны в производстве.

Номинальное напряжение ионистора зависит от вида используемого в нем электролита, который может быть водным или органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают малым внутренним сопротивлением, но напряжение их заряда ограничивается значением 1 В. Ионисторы на основе органических электролитов имеют более высокое внутреннее сопротивление и обеспечивают напряжение заряда 2. 3 В.

Выпускаются ионисторы в цилиндрических, пуговичных и других корпусах.

Основными параметрами ионисторов являются: номинальное (рабочее) напряжение, емкость, внутреннее сопротивление, ток утечки, долговечность.

Для питания электронных схем требуются более высокие напряжения, для чего используются ионисторы, соединенные последовательно. При этом необходимо выравнивать напряжения на отдельных приборах, т. е. выполнять балансировку ионисторов. Для выравнивания напряжения параллельно каждому ионистору включают резисторы (такая цепь называется ячейкой), ток через которые должен превышать ток утечки. Например, если средний ток утечки ячейки равен (10 ± 3) мкА, то для выравнивания напряжения следует использовать резистор, через который может протекать ток 100 мкА. Суммарный ток в этом случае составит (110 ± 4) мкА. Введение резистора снижает изменение тока утечки с 30 до 3,6 %. При равенстве параллельно включенных резисторов ячейки с более высоким напряжением будут разряжаться в большей степени, чем ячейки с более низким напряжением, что обеспечит выравнивание напряжения на последовательно соединенных ионисторах.

Параллельное включение резисторов увеличивает ток утечки ионисторов, поэтому необходимо согласование времени их балансировки и значения тока утечки. При соотношении тока, протекающего через резистор, и тока утечки 10:1 время балансировки ионистора составит несколько суток, а при соотношении этих токов 100:1 балансировка займет несколько часов.

Электрическая емкость ионистора зависит от активной поверхности электродов и от проникающей способности электролита.

Емкость ионисторов очень велика, измеряется в фарадах (Ф) и рассчитывается по формуле

где I — сила постоянного тока разряда, A; t — время разряда от UH0M до нуля, с; UHом — номинальное напряжение на ионисторе, В.

Внутреннее сопротивление ионисторов находится в диапазоне от единиц миллиом до сотен ом. Ионисторы с малым внутренним сопротивлением, способные отдавать в нагрузку большие токи, применяются в источниках питания мобильной аппаратуры совместно с аккумуляторами. Ионисторы с большим внутренним сопротивлением используются, главным образом, в различных интеллектуальных приборах для поддержки памяти при смене элементов питания или отказе источника питания.

Внутреннее сопротивление ионистора гвн рассчитывается по формуле

где U — напряжение на ионисторе, В; /к, — ток короткого замыкания, А.

Важнейшим параметром ионистора является ток утечки, особенно при использовании ионистора в качестве резервного источника питания. В процессе заряда ионистора существуют два тока: зарядный ток и ток утечки. В начале заряда зарядный ток значительно превышает ток утечки, который затем по мере выполнения заряда уменьшается во времени по логарифмическому закону. После многих десятков часов заряда зарядный ток становится небольшим, а ток утечки, зависящий от емкости прибора, значительно повышается. Например, ток утечки ионистора емкостью 10 Ф в пять раз превышает ток утечки ионистора емкостью 1 Ф. При этом токи утечки имеют небольшое значение. Например, для ионистров емкостью 1 Ф ток утечки составляет несколько десятков микроампер. Обычно нормируется максимальное значение тока утечки по истечении заданного промежутка времени.

Ионисторы — это полярные приборы. При их обратном включении резко возрастает ток утечки, происходят необратимое снижение емкости, рост внутреннего сопротивления и последующий отказ прибора.

Схема включения ионистора в качестве резервного источника питания, приведенная на рис. 1.10, работает следующим образом.

Диод VD предотвращает разряд ионистора С1 при Unm = 0. Резистор /?1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении, необходимость в котором отпадает, если источник питания выдерживает кратковременную перегрузку током 100. 250 мА.

Для выбора ионистора необходимо знать следующие параметры:

  • • максимальное рабочее напряжение;
  • • минимальное допустимое рабочее напряжение;
  • • мощность или ток;
  • • длительность разряда (мощность, необходимую для каждого цикла разряда);
  • • цикличность (частоту повторения разрядов).

Цикличность разрядов определяет тепловой режим ионисто- ров, их долговечность и доступный диапазон изменения напряжения.

Ионисторы можно быстро разряжать. Их максимальный ток ограничивается внутренним сопротивлением. Ионисторы не боятся коротких замыканий. Реальные ограничения зависят от размеров прибора. На согласованную нагрузку даже небольшой ионис- тор способен выдавать ток до 10 А, а прибор больших размеров — до 1 000 А.

Единственным ограничением для ионисторов является тепловой режим. Высокая частота повторения разрядов приводит к повышению температуры ионистора, а следовательно, к его разрушению.

Чаще всего ионисторы применяются в качестве резервных источников питания микросхем памяти или основных подзаряжаемых источников питания (в часах, калькуляторах).

На основании сказанного в данной главе можно сделать следующие выводы.

1. Внутреннее сопротивление источника питания ограничивает ток, производимый этим источником.

Рис. 1.10. Схема включения ионистора в качестве резервного источника питания

Внутреннее сопротивление углецинковых элементов сравнительно велико, поэтому они могут вырабатывать только небольшие токи — несколько сот миллиампер.

Свинцовые, никель-кадмиевые и никель-металлгидридные источники питания обладают невысоким внутренним сопротивлением и вырабатывают очень большие токи. Если замкнуть электроды таких ИП, то предмет, которым будет произведено замыкание (провод, монета, отвертка, металлическая полоска), нагреется.

Ток, возникающий при замыкании электродов заряженного автомобильного аккумулятора гаечным ключом, так велик, что ключ может расплавиться. Если же по неосторожности замкнуть электроды никель-кадмиевого аккумулятора ноутбука, он может загореться.

Литиевые аккумуляторы при замыкании не воспламеняются.

  • 2. Практически во всех подзаряжаемых гальванических источниках питания при чрезмерном подзаряде из-за электролиза вырабатывается водород. В герметичных ИП, используемых в персональных компьютерах и сотовых телефонах, возможность воспламенения и взрыва водорода сведена к минимуму, но все же это возможно. Поэтому во всех аккумуляторах данного типа предусмотрены вентиляционные клапаны, открывающиеся под сильным давлением, возникающим в результате электролиза. Опасно допускать закупорку этих отверстий, так как при этом давление в источнике питания будет повышаться, что приведет к его взрыву даже без загорания газа.
  • 3. Ни один аккумулятор не разряжается полностью. Это возможно только при коротком замыкании электродов. Некоторые гальванические элементы при разряде их больше нормы, могут поменять свою полярность. Следовательно, если индикатор какого-либо электронного устройства показывает, что аккумулятор разрядился и выключается, не следует пытаться продолжать разряжать его.
  • 4. Многие подзаряжаемые элементы, в особенности никель- кадмиевые, лучше всего хранить в разряженном состоянии.
  • 5. Чтобы нейтрализовать эффект памяти, никель-кадмиевые источники питания лучше использовать для работы до полного разряда или разряжать их полностью перед зарядом, т. е. использовать зарядное устройство с функцией разряда.

Литий-ионные элементы в отличие от никель-кадмиевых не обладают эффектом памяти и, так как они выдерживают меньшее число циклов разряда-заряда, их лучше подзаряжать без предварительного специального разряда.

6. Большинство материалов, используемых в химических источниках питания (цинк, кадмий, никель, свинец, марганец), являются тяжелыми металлами, и поэтому во многих странах они подлежат сбору и специальной утилизации.

  • 1. Назовите основные химические пары, используемые в гальванических источниках питания.
  • 2. Чем является щелочной первичный источник питания Duracell с напряжением 1,5 В: элементом или батареей?
  • 3. Чем является углецинковый источник питания «Крона» с напряжением 9 В: элементом или батареей?
  • 4. Что представляет собой никель-кадмиевый источник питания напряжением 3 В: элемент или батарею?
  • 5. Что представляет собой литий-ионовый источник питания напряжением 3,6 В: элемент или батарею?
  • 6. Каково минимальное число элементов батареи?
  • 7. Как для создания батареи соединяются химические элементы (последовательно или параллельно) и какой параметр ИП при этом изменяется?
  • 8. Каковы основной недостаток и достоинства углецинковых источников питания?
  • 9. Какие параметры характерны для одноразовых источников питания?
  • 10. Какие параметры характерны для аккумуляторных источников питания?
  • 11. Какие параметры одинаковые у одноразовых и многоразовых элементов (или батарей)?
  • 12. Какова связь между емкостью элемента с одной химической парой и его размерами?
  • 13. Какая из схем контроля напряжения химического ИП, показанных на рис. 1.11, правильная?

Рис. 1.11. Две схемы (а, б) контроля напряжения химического источника питания

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.

Устройство ионистора (суперконденсатора)

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;

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!

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?

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
Недостатки
  • Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов 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 микроконтроллера, 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.

Читайте также: