Чем заменить ионистор?
Имеется видерегистратор IconBIT DVR FHD QX1. В последнее время постоянно сбивается дата и время. Разобрал, за сохранность даты и время отвечает ионистор XH414HG ( 3.3V 0.08F). В продаже нигде немогу найти (кроме китая). Чем можно заменить данный ионистор?
Комментарии 43
У меня такой же ргик, но texet. С ним беда, белый экран, на кнопки реагирует. Как вылечить не знаю.
Поставил пока батарейку с пк + диод.
В сотовом телефоне смотрели?
В старых видеомагнитофонах были такие ионисторы. Только на 5 В встречал, думаю, это не беда.
На сегодняшний день проще найти в Китае(правда долго ждать) чем у нас видик.))))
Как вариант, зайти в реммастерскую. За хлам денег много не возьмут.
Прикольно. Даже не знал что он так называется. Думал это тупо батарейка.
Так мне кажется надо поменять на конденсатор и не будет больше сбиваться, а на будущее заказать с али несколько ионисторов…
Ионистор это и есть конденсатор с большой ёмкостью.
литиевой батарейкой. или даже 2мя обычными батарейками
на Али полно. например D302-01 0.1F 5.5 В, 266 рублей за 20 штук
телефон старый разбери
Перебралася телефоны которые у меня были, в них нет.
А что в нём нет аккумулятора?
и сколько такой регик проработал? у меня точно такой же…
о-о, ну моему уже 2 года…
Любым ионистором, ёмкостью не менее этого и напряжением не ниже этого. Емкость можно взять в 2-5 раз больше.
Конденсатором. У нас в сервисе смартфонах такие ионисторы меняют на обычные smd конденсаторы и все нормально сохраняется.
0,08 Фарад — это 80000 мкФ.
купить другой акум как вот этот www.delta-n.ru/show.php?id=618242 или такой www.delta-n.ru/show.php?id=635196 цена в районе 90р-150р в любом магазине электронных компонентов
Литиевый аккумулятор. И забыть.
он банально больше и умрет через год.
На такого плана регистратор повесил аккумулятор от телефона Nokia.
Любой другой ионистор с напряжением не мене 3.3в и емкостью не гораздо менее указано,
можно запаять батарейку на 3в или акб, но надо быть уверенным, что требуется 3в а не 1.8.
И напоследок ионисторы довольно редко выходят из строя если нет физ повреждений, поэтому включие питание к прибору и замерьте напряжение на нем(может он просто не заряжется)
Места в регистраторе нет на другой.
напряжение подается на ионистор 2,88. Пробовал выпаять и подавал 3,0 вольта, после ионистор розряжается за 10 сек. до 0,40 вольт.
В выключенном состоянии какое сопротивление на площадках ионистора?
Мерял сопротивления нет
Места в регистраторе нет на другой.
напряжение подается на ионистор 2,88. Пробовал выпаять и подавал 3,0 вольта, после ионистор розряжается за 10 сек. до 0,40 вольт.
Надо больше времени для заряда и смотреть время разряда, если все ок(не разряжается без нагрузки), то возможно большая утечка в цепи самого регистратора. Если нет, то можно 2 маленькие батарейки по 1.5в(а лучше акб)
если акб то ничего дорабатывать ненужно? Если батарейку ставить то я понимаю нужно ставить диод шотки для предотвращения подачи питания на батарейку?
Ионисторы вместо стартерного свинцово-кислотного аккумулятора
Идея запуска ДВС от ионисторов (на западе их называют суперконденсаторы) не нова, в сети есть несколько публикаций и видео роликов. В тех, которые я смотрел, либо ничего не вышло, либо получилось слишком дорого. Получилось заводить двигатель только на ионисторах емкостью 3 тысячи фарад. На 500 и 700 фарадах двигатель ни у кого не завелся.
Теория
Набравшись опыта коллег по цеху, решил сначала провести эксперименты на виртуальной модели гибридного аккумулятора. Для этого взял замечательную программу Yenka. Нашел в сети, то что у вазовского стартера рабочий ток примерно 150-200 ампер. Ионисторов в Yenka не нашел. Использовал обычные конденсаторы только с большой емкостью. В результате виртуальных экспериментов ионисторы в 500 фарад крутили стартер аж 3.5 секунды, пока напряжение не упало ниже 8 В.
Падение напряжения при виртуальном «прокручивании» стартера от сборки из 6 ионисторов по 500Ф
Эксперимент в программе показывает, что можно завестись от сборки из шести 500 фарадников. Но на практике у коллег не получилось. Возможные причины:
я напутал в схеме в программе;
на самом деле ток стартера выше;
на практике были поддельные ионисторы.
Изначально, мне сильно не понравились клеммы на 500 фарадных ионисторах, они меньше чем на UPS-ных аккумуляторах. А если посмотреть на клеммы авто аккумуляторов и толщину провода к стартеру, то можно предположить, что из-за малого сечения клемм ионисторов было сильное падение напряжения на них и тока не достаточно чтобы провернуть стартер.
У конденсаторов, в отличии от аккумуляторов, под нагрузкой нет стабильного напряжения. То есть, если подключаем стартер к заряженной до 14 вольт батареи ионисторов, то через 2 секунды работы напряжение упадет до 11 вольт, еще через 2 секунды до 7 вольт. Чтобы напряжение снова поднялось, нужно заряжать конденсаторы. Поэтому время работы стартера сильно зависит от начального напряжения. Так как максимальное напряжение одного ионистора 2.7 вольт, а генератор в машине может выдавать до 14.5 вольт в сборе нужны минимум 6 ионисторов, тогда максимальное напряжение составит 16.2 вольт. Было бы разумно использовать весь потенциал ионисторов и заряжать их до 16 вольт. Не нашел достоверной информации о том не сгорит ли стартер от 16 вольт. Но в характеристиках других электроприборов в машине русским по белому сказано: «до 15 вольт». Решил рискнуть стартером и собрать гибридный аккумулятор, где будет 6 банок ионисторов на 16.2 В, подключенные только к стартеру, балансировочная плата, обычный аккумулятор на 12 вольт для питания всего остального и заряжаемый от генератора. И повышающий преобразователь чтобы повысить напряжение от 12 до 16 вольт.
Закупка
Нашел в китайском магазине ионисторы на 350 фарад. Забил емкость в Yenk-у, оказалось, что их хватит на 2.5 секунды работы стартера. Заказал их, а также балансировочную плату.
Аккумулятор взял обычный от UPS на 7 Ач.
Сборка
В качестве корпуса будет коробка от старого свинцового аккумулятора. Крышку срезал так, чтобы клеммы остались на месте. Иначе клеммы будут на крышке и соединять их нужно будет соплями гибкими проводами. А я хочу все силовые соединения сделать жесткие, резьбовые. Полностью перегородки вырезать не стал, ширина одной “банки” как раз подошла под диаметр одного ионистора, оставил куски перегородок как изоляторы и для крепления преобразователя.
Между собой соединил алюминиевой полосой сечением 30х1 мм, сделанной из обрезка тавра, купленного в магазине крепежа.
зажим плашечный ПА-2-2 ВК
Внутри аккумуляторные клеммы проводились к пластинам свинцовым стержнем 12 мм. Для соединения с ним взял “зажим плашечный ПА-2-2 ВК” и отпилил от него кусок, нужного размера. К болту зажима прикрутил алюминиевую полосу, идущую к ионистору. Балансировочную плату соединил с перемычками тонкими проводами с клеммами на винты. Точно так же как и преобразователь и аккумулятор.
Общий “плюс” на 12В вывел через стенку корпуса болтом 6 мм. Точно так же вывел минус включения преобразователя.
Эксперименты
Сейчас, зимой, сдох аккумулятор от UPS, либо он просто не предназначен для работы на морозе, либо мне его изначально дали еле живой. Его не хватает даже на втягивающее стартера, но ионисторы заряжает. Заказал 4 LiFePO4 аккумуляторы и балансир.
ИОНИСТОР ВМЕСТО АККУМУЛЯТОРА
Предлагаем неплохой вариант конструкции вечного перезаряжаемого аккумулятора, снабженной регулятором выходного напряжения. Вся схема основана на суперконденсаторах (ионисторах).
Хотя стоимость создания такой батареи довольно значительна, вложения быстро окупятся, если рассчитать затраты сэкономленные на покупке батареек для различных типов устройств. Кроме того, такую батарею можно заряжать разными способами (например от сетевого источника питания или от солнечных элементов), и время зарядки во многих случаях составляет всего несколько минут. Аккумулятор также можно использовать в «аварийных» ситуациях, например, для зарядки мобильного телефона на улице или для резервного питания освещения.
В представленной конструкции можно выбрать любое выходное напряжение в диапазоне от 3 до 33 В благодаря использованию преобразователя постоянного тока.
Схема аккумулятора на ионисторе
Схема зарядки суперконденсаторов в данном случае очень проста и построена на основе LM317. Резисторы ограничивают выходное напряжение до 1,25 В. В качестве ограничителя напряжения использовались резисторы 2,2 Ом / 5 Вт, чтобы избежать возможности перегорания LM317. Ограничитель тока можно отключить с помощью перемычки. Защитой от обратного напряжения с заряженных конденсаторов являются два параллельных диода 1N4001.
В качестве преобразователя постоянного тока служит готовое устройство с напряжением питания не менее 3,4 В и диапазоном выходных напряжений до 33 В. Используемый инвертор имеет очень маленький размер, позволяет выдавать максимальное значение тока до 3 А и непрерывный до 2 А. Используемый преобразователь имеет мощность 15 Вт и эффективность 90%.
По желанию можно использовать модульный индикатор напряжения или просто стрелочный вольтметр. В этом решении установлен вольтметр 0-20 В с LED дисплеем. Далее принципиальная схема всей батареи.
Из определения емкости конденсатора следует, что 200F / 5,5 В разряжаются на 1 В (до 4,5 В), давая ток 1 А в течение 200 секунд. Таким образом, в этом конкретном случае инвертор будет работать в течение 7 минут, потребляя 1 А от конденсаторов.
Возможные улучшения и изменения, которые могут быть сделаны при повторении, включают создание сборок конденсаторов с большей емкостью и разработку более совершенной схемы управления зарядкой наряду с дополнительными функциями безопасности.
Суперконденсаторы, подобно обычным конденсаторам, сохраняют заряд в несколько раз дольше, чем химические элементы питания. Они также не боятся подзарядки, зарядный ток ограничен только внутренним сопротивлением. В общем либо для нас важно количество циклов, либо плотность энергии.
Сегодня эти конденсаторы можно купить всего за пару долларов за штуку. Кроме того это идеальное решение, например, в качестве буфера у солнечных элементах или ветротурбине, или в качестве источника энергии для сварочного аппарата.
Суперконденсаторы не являются чем-то новым (они используются в автомобильной аудиотехнике в течение уже долгого времени), но процесс производства электродов постоянно совершенствуется. Поскольку они сделаны из углеродного аэрогеля, этот материал чрезвычайно пористый и большая поверхность такого электрода равно большая емкость.
Что касается промышленного применения ионисторов, к примеру есть отвертка с таким источником питания. Можно работать несколько минут на один заряд. Это имеет большое преимущество перед всеми перезаряжаемыми батареями, так как время зарядки всего 50 секунд. Технология называется Flashcell.
Параметры отвертки на ионисторе
Зарядное устройство:
Отвертка:
Форум по обсуждению материала ИОНИСТОР ВМЕСТО АККУМУЛЯТОРА
Изучим разные типы датчиков приближения и объекты, которые они могут обнаруживать.
Схема самодельного датчика индекса ультрафиолетового света, на базе GUVA-S12SD и SGM8521.
Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.
Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера.
Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.
Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!
Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор — 86 400 Дж — в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.
Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.
Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.
Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов — ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.
По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.
На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них — десяти фарад!
Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.
При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой — с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.
Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)
В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.
Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.
При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.
Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)
Подробности для любознательных
При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)
Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор — это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы — кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.
Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес — почти втрое больше обычного — в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.
Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?
И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.
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.
