19 | 12 | 2018
Главное меню
Смотри
Статистика
Пользователи : 1
Статьи : 3770
Просмотры материалов : 9109104

Коллеги
Посетители
Рейтинг@Mail.ru
Советую
Online
  • [Bot]
Сейчас на сайте:
  • 21 гостей
  • 1 робот
Новые пользователи:
  • Administrator
Всего пользователей: 1
RSS
Подписка на новости
Достоинства ионисторов PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
26.04.2018 11:35

Достоинства ионисторов

• Очень высокая емкость.

• Низкое внутреннее сопротивление.

• Высокая проводимость.

• Быстрый разряд.

• Длительный срок эксплуатации.

• Практически неограниченное количество циклов разряда.

• Низкая стоимость.

• Простота зарядки.

При этом ионисторы имеют ряд характерных особенностей:

• обладают высокой удельной плотностью энергии (ресурс соизмерим с ресурсом АКБ, в комплекте с которыми используются суперконденсаторы);

• имеют высокий КПД;

• практически не имеют утечки;

• не реагируют на изменение температуры.

Все это делает возможным их перспективное использование в автономных электрических системах, работающих на основе солнечных батарей, использования энергии прилива, а также ветрогенераторов.

Потенциал таких устройств поистине безграничен. Запас энергии и мощность можно рассчитать по формулам:


E = CU2/2 (Дж) и P = U2/4R (Вт),


где С – емкость, Ф; U – напряжение на электродах, В; R – эффективное последовательное сопротивление, Ом.

Внутреннее омическое сопротивление при +25 °C имеет порядок величины 5-15 МОм.

Внутреннее сопротивление R ионистора может быть рассчитано по формуле:


Rвн= U/|кз,


где Rвн – в Омах; U – напряжение на ионисторе, В; Iкз – ток короткого замыкания, А.


К примеру, для ионистора К58-3 зарубежный аналог DC-2R4D225 – Rвн= 10-100 Ом.

Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле:


C = I tU,


где С – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, А; U – номинальное напряжение ионистора, В; t – время разрядки от Uном до нуля, с.

Или же по формуле:


C = S/d,


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

Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы.

Электрод ионистора – по определению – представляет собой совокупность сверхбольшого количества частиц активированного угля, он имеет и огромную площадь поверхности, до 3000 см2/г.

Габариты некоторых ионисторов показаны на рисунках 1.49 и 1.50. К примеру, ионистор 1 Ф на напряжение 5,5 В (модель 1905V) выглядит так, как показано на рисунке 1.49.


Рис. 1.49. Внешний вид зарубежного аналога ионистора К58-3 емкость 1 Ф на напряжение 5,5 В(модель 1905V)


Рис. 1.50. Ионистор К58-9а: внешний вид


Таким же будет и внешний вид ионистора К58-1В 1 Ф на напряжение 6,3 В.

Ионистор К58-9а представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами («+» маркирован черной точкой) – см. внешний вид на рисунке 1.49.

Ионисторы К58-96 и К58-9в (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.

Напряжение «разложения». Чтобы раскрыть это понятие, надо рассмотреть материал электролитов, который используется производителями ионисторов. А это прежде всего водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые) электролиты. Двойной электрический слой работает как изолирующий (диэлектрик) и при приложении внешнего постоянного напряжения не позволяет протекать «сквозному» току. Причем «органика» позволяет прикладывать к ячейке ионистора напряжение до 3 В, а «водорастворимый» – только до 1,5 В. И при определенном уровне напряжения за счет электрохимических» процессов начинает протекать ток. Именно величина этого напряжения называется «напряжением разложения» (или, если быть наиболее точным – «напряжением электрохимического распада электролита»).

Увеличение напряжения также ведет к более интенсивному разложению электролита, увеличивается ток, и ионистор выходит из строя (пробой). Поэтому ионисторы рассчитаны на столь малое (относительно оксидных конденсаторов) напряжение, ограничены «напряжением разложения» и нередки случаи, когда ионисторы соединяют последовательно.

В принципе ионистор – неполярный прибор. Вывод «+» указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.

Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице 1.1.


Таблица 1.1

Основные характеристики ионисторов отечественного производства


Рабочая температура инонисторов – в диапазоне от -25 до +70 °C; отклонения емкости от номинальной – от -20 до +80 %.

При изменении рабочего (максимального) напряжения внешний вид ионисторов может существенно отличаться (по габаритам), даже если они имеют одинаковую емкость.

1.9.3. Зависимость условий эксплуатации и долговечности ионистора

Долговечность работы ионистора значительно зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением Uном при температуре окружающей среды +70 °C гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8 Uном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6Uном, а температура окружающей среды – +40 °C, то ионистор будет исправно работать не менее 40 000 часов.

1.9.4. Стандартная схема включения ионистора

Стандартная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рисунке 1.51.

Диод VD1 предотвращает разряд ионистора С1 при «нулевом» напряжении питания (Un=0). Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от кратковременной перегрузки при включении. Однако если применяемый в конкретном случае источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100–250 мА, такая защита не требуется.


Рис. 1.51. Электрическая схема включения ионистора


1.9.5. Практическое применение ионисторов в электронных схемах

Также и во многих других случаях ионистор эффективно заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания, что рассмотрено далее на конкретном примере.

Электронная сигнализация МТ9021 – современное охранное устройство, предназначенное для охраны квартир, офисов, гаражей, дач или складских помещений. Отличительной особенностью ЭОС МТ9021 является то, что устройство имеет встроенные датчики движения и температуры. При срабатывании датчика движения или при повышении температуры внутри охраняемого помещения до +65 °C прибор осуществляет рассылку sms сообщений по списку телефонных номеров, хранящихся в его памяти. В память МТ9021 можно записать до 5 телефонных номеров для оповещения о происходящих событиях, к примеру, свой номер телефона, номер телефона соседа или номер телефона службы охраны. Основным требованием является то, что в месте установки сигнализации должно быть покрытие оператора сотовой связи сети Мегафон.

Технические характеристики и инструкция пользователя устройства широко доступны, поэтому, чтобы не копировать их и не утомлять читателя лишними подробностями, опустим их. Скажу лишь, что с данной информацией можно ознакомиться самостоятельно на сайте производителя устройства – компании МастерКит, в разделе «сигнализации», задав в поиске номер модели МТ9021.

После подключения к прибору источника питания и включения устройство переходит в режим обучения на 5 минут. В это время имеется возможность получать входящие sms-сообщения для настройки. Затем прибор автоматически переходит в режим охраны.

1.9.6. Варианты усовершенствованиятак для качественной работы

Одним из существенных недостатков данной модели в части ее функционала является шлейф питания к основному блоку. От батарейного отсека идет двухжильный провод длиной 2,5 м, оканчивающийся разъемом BNC (штекер), который вставляется в гнездо того же форм-фактора на корпусе сигнализации.

На корпусе с боку имеется миниатюрный включатель питания. Таким образом, пока питание поступает на печатную плату во включенном режиме сигнализация работоспособна. Но если цепь питания разорвать, все предварительные приготовления по охране объекта теряют смысл. Разорвать цепь питания можно быстрым отключением на штатном включателе, обрывом (обрезанием) провода от батарейного отсека, ударом по батарейному отсеку, при котором нарушится контакт одной из элементов-батарей, включенных в последовательную электрическую цепь, и еще несколькими вариантами.

Практикой выявлена причина нестабильного срабатывания устройства в режиме «охрана». Это несоответствие установки устройства требованиям (по высоте и удаленности от стен, потолка и пола) предельных габаритов помещения-объекта; в небольшом помещении, таком, как автомобиль, где нет возможности, соблюдать эти требования (2 м от пола), срабатывание устройства не надежно. И есть реальная возможность отключения питания еще до посылки «тревожного» sms владельцу имущества.

Для того чтобы sms ушло (было передана по каналу сотовой связи), нужно как минимум 2–3 секунды. И если за это время оперативно разорвать шлейф питания устройства, его можно «обезопасить» для нарушителя.

Установлено, что устройство стабильно работает в диапазоне напряжений питания 3,3–4,7 В (с защитой от неправильной полярности).

Ток потребления в энергосберегающем режиме всего 100 мкА, что и обеспечивает длительную автономную работу устройства от одного комплекта элементов питания.

Доработка заключается в том, чтобы подключить к данному устройству автономное питание прямо в корпусе основного блока. Установленного на штатной позиции оксидного (электролитического) конденсатора С1 недостаточно для обеспечения уверенной работы устройства при отключении питания: он не обеспечит автономную работу в течение 3 секунд, даже если его емкость увеличить (хотя увеличение емкости такого конденсатора неминуемо приведет к увеличению габаритов, а мы в данном случае ограничены корпусом устройства). Поэтому в части усовершенствования промышленной конструкции я пошел двумя альтернативными путями.

Решение с помощью аккумуляторов: подключил параллельно разъему питания в корпусе устройства бывший в употреблении аккумулятор AP-Li-10B/12B с номинальным напряжением 3,7 (емкость 900 мА/ч) от старого фотоаппарата Olympus. Подключение представлено на рисунке 1.52.

Перед подключением данный аккумулятор был вынут из пластикового корпуса с отключением от платы контроллера заряда. Теперь при отключении внешнего питания (от выносного блока с тремя батареями) сигнализация сохраняет работоспособность.

Однако аккумулятор с таким подходящими габаритами и энергоемкостью найдется не у всех. Можно установить Li-Pol-аккумулятор типа LP401230 c тем же номинальным напряжением 3,7 B и энергоемкостью 100 мА/ч (см. рис. 1.53).


Рис. 1.52. Вид на подключенный АКБ AP-LM0B/12B


Энергоемкости 100 мА/ч в данном случае вполне достаточно для решения поставленной задачи. Литий полимерные аккумуляторы многих современных (особенно малофункциональных, простых) сотовых телефонов могут работать без подзарядки больше месяца.

Однако недостаток этого решения в том, что Li-Pol-аккумулятор быстро портится (теряет емкость) в условиях постоянного и продолжительного подключения к источнику питания (в данному случае – внешнему блоку). Хотя в данном случае на это можно не обращать внимания, поскольку «резервный» источник питания нужен только на несколько секунд, сразу после отключения основного (штатного) выносного блока питания.


Рис. 1.53. Вид на Li-Pol-аккумулятор типа LP401230 c тем же номинальным напряжением 3,7 В перед установкой и подключением к корпусу MT9021


Рис. 1.54. Ионистор DB-5R5D474T, подключенный параллельно контактам разъема питания


«Минус» аккумуляторного решения в том, что при постоянно замкнутой цепи включателя питания напряжение приложено к плате до тех пор, пока не разрядится аккумулятор, что прямо зависит от его энергоемкости. Следовательно, отсутствие возможности отключить устройство внешне приведет к тому, что сигнализация будет слать «тревожные» sms постоянно (один раз в 10 минут – в соответствии с программой, заложенной производителем), пока в зоне охраны (датчик движения) находится и перемещается какой-то объект. А этим объектом вполне может быть и хозяин автомобиля. Для этого случая мною предусмотрено простое решение.

Решение с помощью ионистора. Вместо аккумулятора в те же точки – с соблюдением полярности – подключается ионистор емкостью 0,47 Фарады и напряжением 5 В. Стоимость его едва превышает 60 рублей, поэтому такая замена вполне оправданна. Вид на подключенный ионистор марки DB-5R5D474T представлен на рисунке 1.54.

Также и во многих других случаях ионистор эффективно заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания, что рассмотрено далее на конкретном примере. При всех описанных возможностях ионисторы заряжаются и посредством электрического тока.

Ионисторы накапливают энергию в момент максимальной производительности устройств, генерирующих электрическую энергию. И в данном случае ионистор как нельзя лучше подходит для аккумулирования энергии и последующей ее отдачи в короткое время (впрочем, вполне достаточное для уверенного оповещения данной сигнализации посредством отправки sms).

Некритичность режима заряда, практически неограниченное число циклов заряда-разряда, нетребовательность в регламенте (обслуживании) делают ионистор весьма перспективным радиоэлементом в современных электронных устройствах различного назначения.

В данном случае не потребуется накрывать корпус сигнализации «чулком», чтобы ослепить ее электронный глаз, поскольку энергии, отдаваемой ионистором с такими характеристиками емкости (проверено практикой), достаточно только для питания устройства в течение 1–1,5 минут; затем напряжение на его выводах уменьшается ниже значения 3 В, и устройство отключается. Ионистор потом заряжается при подключении штатного выносного блока с элементами питания. А если ту (штатную) цепь питания никто не прерывает, то ионистор постоянно подключен к источнику питания и может работать так сколь угодно долго, беря на себя функцию резервного источника питания, активного в «тревожном» течении 1–1,5 минуты.

Работа с солнечной батареей. При всех описанных возможностях ионисторы заряжаются и посредством электрического тока, получаемого даже от солнечной батареи.

Ионисторы накапливают энергию в момент максимальной производительности устройств, генерирующих электрическую энергию. Чем это удобно в «связке» с солнечной батареей?

По определению, солнечная батарея имеет максимальную производительность при освещенности ее поверхности и при нагреве самой батареи всего лишь до 25–30 °C. Во время ее эксплуатации летом в солнечную погоду (когда солнечные батареи работают с наибольшей отдачей) неизбежен нагрев всей поверхности модуля. И при температуре выше 60 °C производительность солнечной батареи значительно снижается.

В данном случае блоки из батарей ионисторов как нельзя лучше подходят для аккумулирования энергии в момент максимальной эффективности солнечной батареи.

В условиях пиковой нагрузки (в частности, на транспорте) имеется возможность делать запас энергии в период ее минимального потребления и расходовать при увеличении спроса на нее.

Стоимость в розницу К58-10 емкостью 1 Ф на рабочее напряжение 6,3 В – около 200 рублей, 0,47 Ф на напряжение 5,5 В – всего 50 руб.

1.9.7. Особенности заряда и саморазряд

Особенности заряда и саморазряд влияют на общую продолжительность работы прибора.

На процесс саморазряда время заряда не оказывает определяющего влияния (процесс заряда ионистора малым током оптимален при времени заряда 24 часа и более), поскольку внутреннее сопротивление ионистора в данном случае изменяется лишь за счет сопротивления электрическому току перераспределенных ионов. Отсюда чем ниже температура ионистора, тем больше времени уйдет на саморазряд и тем более высоким в долгосрочной перспективе будет срок службы ионистора.

Если взять за время полезной работы ионистора (Tback-up) срок его реальной службы, то он может быть заранее рассчитан по формуле:


Tback-upCV/i = C х (V0-ixR – V1)/(I + IL),


где C – емкость ионисторра, Ф; i – ток в течение периода Tback_up, А; IL – ток утечки, А; R – внутреннее сопротивление ионистора (Ом в расчете на 1 кГц); V1 – напряжение (В), до которого разрядится ионистор; V0 – приложенное напряжение, В.

Итак, если взять, к примеру, конкретный ионистор 1905V фирмы Panasonic с параметрами емкости 1 Ф (в расчете 1 Ф – 20 % (допуск) = 0,8 Ф) на напряжение 5,5 В с разрядным током 10 мкА, в условиях: полный заряд при U = 5 В, температура при разряде 40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, – 2 В, то расчет покажет время, в течение которого такой новый ионистор будет эффективно работать при конкретных приведенных условиях как резервный источник питания (между циклами заряда и разряда), – 55 часов.

С ионисторами б/у время это будет меньше и может доходить до половины приведенного в вышеописанном расчете – за счет потери емкости и изменения внутреннего сопротивления – при прочих равных условиях тока зарядки, приложенного напряжения и температуры окружающей среды.

Еще один важный «штрих» по теме – возможное изменение емкости от тока разряда, приложенного напряжения и температуры окружающей среды фактически, проявляется при старении ионистора (эксплуатации свыше 1000 часов) в непрерывных циклах (заряд/разряд).

Сегодня ионисторы нашли широкое применение в электронике. Они используются в сотовых телефонах, серверах и отдельных ПК, в робототехнике, автоэлектронике, струйных принтерах и во многих других современных электронных устройствах. Как элементы они идеально подходят для разработки электрических схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Ионисторы с небольшими токами используются в устройствах резервного питания, схем и электронных узлов памяти, цифровых устройствах.

Ионисторы с относительно большими токами (к примеру, HW-серия) – в электрических схемах управления электродвигателями в автомобильной электронике и во многих других случаях.

Задача для перспективы и будущих разработок: для использования в автономных электрических сетях нужны устройства с аналогичным принципом действия, но более масштабные.

 
Для тебя
Читай
Товарищи
Друзья