Ионистор или Суперконденсатор.

Сегодня широко распространены высокомощные приборы, которые потребляют в короткий промежуток времени большой объем электроэнергии.

Для такой техники не всегда удобно использовать батареи или аккумуляторы, поэтому источником энергии для них могут выступать суперконденсаторы или ионисторы. Они также могут использоваться вместо либо в комплексе с аккумуляторными батареями.

ЧТО ТАКОЕ ИОНИСТОР – СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ

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.

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.

Параметры

Основные электрические характеристики ионисторов включают в себя:

емкость, для ее измерения используется единица Фарад (Ф);

внутреннее сопротивление (Ом);

максимальный ток разряда (А);

величина номинального напряжения (В)

параметры саморазряда и разряда, последний довольно важный параметр, поэтому приведем формулу, по которой можно произвести расчет времени разряда ионистора:  где:

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).

ВИДЫ УСТРОЙСТВ

Ультраконденсаторы производят нескольких видов:

1. Псевдоконденсаторы. Комплектуются твердым типом электродов.

2. Гибридные блоки. Это переходной вариант между батареями и традиционными конденсаторами. Накопление и отдача заряда происходит в двойном электрическом слое. В приборе ставят электроды из различных материалов, от этого зависит и механизм накопления электрозаряда.

 Катоды выполнены из графена, который представляет двумерную модификацию молекулы углерода с распределением атомов в один ряд. Данный материал отличается стойкостью к химическим реакциям.

3. Двухслойные модули. Состоят из электродов с пористой текстурой, которые разделены сепаратором. Электрозаряд определен емкостью двойного слоя. В модуле используется электролит.

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.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ:

Основные преимущества ультраконденсаторов:

1. В сравнении с аккумуляторами большее число циклов заряда/разряда.

2. Короткое время для заряда/разряда. Приборы устанавливаются там, где нет возможности использовать аккумулятор по причине длительного времени заряда.

3. Небольшая масса и габариты.

4. Для заряда не нужно применять специальное устройство, что упрощает эксплуатацию и обслуживание.

5. Период эксплуатации выше, чем батарей и конденсаторов.

6. Допустимый температурный режим при эксплуатации – от -40 до +70 градусов.

Основные недостатки ионистора:

1. Небольшая величина напряжения. Для увеличения номинального напряжения подсоединяют несколько приборов по последовательной схеме. Принцип соединения ультраконденсаторов идентичен с подключением гальванических элементов для повышения напряжения.

2. Высокая стоимость устройства. Данный недостаток скоро будет неактуальным, потому что техническое развитие не стоит на месте, разрабатываются новые материалы и технологии, что повлияет и на стоимость приборов.

3. Не накапливают энергии столько, сколько аккумуляторы, по причине небольшой энергетической плотности, что сказывается на ограниченности в применении.

4. Соблюдать полярность при подключении обязательно.

5. Не допускать короткого замыкания, которое выведет устройство из строя.

6. Применяются суперконденсаторы в цепи постоянного и пульсирующего тока, но при высокочастотном переменном токе устройство перегревается, что приводит к неисправности.

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. Для микроэлектроники разрабатывают компактные устройства.

В перспективе расширение сферы применения – автомобилестроение, мобильная техники, сфера связи.