Суперконденсаторы — разные, чем другие (часть 2)

Всё про электричество для начинающего электрика: основы

Применение электричества приобрело по-настоящему глобальные масштабы. Это и осветительные приборы с люминесцентными, неоновыми и лампами накаливания. Бытовая техника, которая в основном работает за счёт электричества.

Информационные и средства связи, такие как, телефоны и компьютеры. Электронные музыкальные инструменты. Электрический ток используется в качестве движущей силы для составов метро, троллейбусов и трамваев. Без тока не обходится автомобильная электроника. Даже нервная система человека работает на слабых электрических импульсах.

Величины электрического тока:

• Сила тока (измеряется в амперах);
• Напряжение (измеряется в вольтах);
• Мощность (измеряется в ваттах);
• Частота (измеряется в герцах).

Не стоит забывать и о материалах, из которых изготовлены токонесущие элементы. Проводники – к этой группе относятся металлы (медь, алюминий и серебро), обладающие высокой электропроводимостью.

Диэлектрики – вещества, не проводящие электрический ток.

Принцип действия и характеристики

Типы существующих расходомеров: преимущества и недостатки

Ионисторы, как и аккумуляторы с конденсаторами, имеют несколько рабочих параметров. Все изготавливаемые ионисторы, характеристики которых не сильно отличаются, классифицируются по нескольким параметрам:

• емкость (измеряется в Фарадах);
• максимально допустимый ток заряда (измеряется в Амперах);
• номинальное напряжение (измеряется в Вольтах);
• внутреннее сопротивление (измеряется в Омах).

Во время протекания электрохимической реакции небольшое количество электронов отделяется от электродов, которые получают положительный заряд. Отрицательно заряженные ионы в электролите притягиваются электродами, которые образуют электрический слой. Заряд в элементе накапливается и хранится на границе контакта углеродного электрода и электролита.

Маркировка и область применения

Специальной маркировки ионисторовые конденсаторы на схеме или на корпусе не имеют. Определить, что конкретный элемент является ионистором, можно косвенным образом: большой заряд, небольшие размеры и малое рабочее напряжение являются отличительными признаками ионисторов. Если на корпусе или на схеме будет обозначен элемент с емкостью 1 Фарада и номинальным напряжением, например, 5 вольт, то нет сомнений, что это ионистор. Электролитических конденсаторов с такими параметрами не существует.

Первый советский образец этого элемента был разработан и запущен в производство в 1978 году с маркировкой К58−1. В дальнейшие годы его конструкция улучшалась и появились ионисторы с маркировкой К58−15 и К58−16.

Отраслей техники и науки, где применяют ионисторы, не так уж и много. Чаще всего их применяют в цифровой технике в роли автономного или резервного источника питания. Он запитывает микросхемы памяти, электронных часов, CMOS-чипы и микроконтроллеры различных устройств при отключении внешнего источника электропитания. Определенное время сохраняются все текущие настройки (дата, время, сохраненные частоты радиостанций и т. п. ) при выключении или замене батареек.

Есть данные, что планировалось применение ионистора и при создании так называемой гаусс-пушки, работа которой основана на нестандартном для вооружения физическом принципе — электромагнетизме. Насколько оказались удачными и были ли они реализованы, является неизвестным для широкой публики. Такая информация составляет или коммерческую, или государственную тайну.

Рекомендации по зарядке

Разные производители для своих ионисторов с аналогичными параметрами прилагают практически одинаковую инструкцию по их зарядке: используется исключительно источник постоянного тока для зарядного устройства, величина тока и напряжение которого зависит от конкретного образца элемента. В зависимости от его внутреннего сопротивления и на основе формул Q=C*U и Q=I*t (где Q — заряд, C — емкость, U — напряжение, I — сила тока и t — время) вычисляется напряжение, сила тока и время, необходимые для полной зарядки конкретного ионистора.

Достоинства и недостатки

Положительных качеств у ионисторов достаточно, чтобы они приобрели определенную популярность. Но и негативных качеств немало, поэтому элементы и не приобрели широкого применения в быту, на производстве и транспорте. Из плюсов можно отметить:

• меньший срок зарядки элемента по сравнению с аккумуляторами;
• больше количество циклов зарядки и разрядки без значительной потери номинальных характеристик;
• простое устройство зарядного устройства;
• сравнительно малый вес и габариты;
• диапазон рабочих температур от -40 градусов по Цельсию до +70 градусов по Цельсию.

Недостатков меньше, но они существенные:

• относительно высокая цена;
• малое номинальное напряжение (последовательное соединение нескольких элементов иногда помогает решить эту проблему);
• энергетическая плотность меньше, чем у аккумуляторов (при параллельном соединении в некоторых случаях удается решить эту проблему);
• выход из строя без возможности восстановления при превышении верхнего предела рабочей температуры.

Принцип работы ионистора

Как уже было сказано, ионистор сильно напоминает конденсатор, но в отличие от него он не имеет диэлектрического слоя вокруг себя. Обкладки представляют собой особые вещества, которые копят заряды противоположных знаков.

Известно, что емкостные характеристики конденсаторов, как и ионисторов, зависят от величины обкладок. Рассматриваемый элемент обладает обкладками из активированного угля или специально подготовленного вспененного углерода. Это обеспечивает повышенную площадь обкладок.

Вам это будет интересно Дифзащита трансформатора

Простая схема, демонстрирующая принцип работы

Ионистор обладает выводами, которые сепарированы разделителем, помещенным в электролиты. Нужно это для предотвращения вероятных коротких замыканий. Электролиты чаще всего представляют собой кислоты и щелочи в любом приемлемом агрегатном состоянии.

Обратите внимание! При использовании электролитического йода или серебра можно получить качественный ионистор со значительными емкостными характеристиками, способностью работать при низких температурах и малым саморазрядом. Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда

Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой

Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда. Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой.

Ионистор на плате магнитолы

Сам же заряд сосредотачивается на границах углеродных полюсов и электролитического вещества. Слой очень тонкий, всего 1-5 нанометров в толщину, а это значительно повышает емкость приспособления.

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.

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.

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов

В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах

Преимущества

• Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
• Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
• Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
• Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
• Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
• Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Будет интересно Что такое полярность конденсатора и как ее определить?

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.

Плоский ионистор

Применение

Уникальные характеристики ионисторов находят применение в различных областях техники..

Суперконденсаторы используются в следующих вариантах техники:

1. Общественный транспорт. В электробусах вместо аккумуляторов устанавливаются ионисторы. Они заряжаются во время высадки и посадки пассажиров. Подобный транспорт способен объезжать пробки и обрывы контактных линий.
2. Электромобили. Одна из проблем такого транспорта является длительное время зарядки. Суперконденсатор позволяет производить зарядку на кратковременных остановках.
3. Бытовая электроника. Устройства применяются в фотовспышках и другом оборудовании. Они обеспечивают быструю подзарядку.
4. Неполярные конденсаторы применяются в ветровых турбинах и кислотных батареях.
5. Ионисторы используются в системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в оборудовании запуска электродвигателей.
6. Суперконденсаторы необходимы в комплексах, в которых предусмотрены критические нагрузки. Для вышек мобильной связи, больничных учреждений и для портового оборудования.
7. Приборы применяются для источников резервного электроснабжения ПК, а также в микропроцессорах и мобильных телефонах.

Для улучшения работы автомагнитолы можно приобрести и поставить ионистор. Он позволяет сгладить колебания напряжения во время включения зажигания. В некоторых странах применяются автобусы без тяговых батарей, а все работы производятся ионисторами.

В ходе проведенных испытаний было выявлено, что подобные устройства превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах. Суперконденсаторы востребованы в системах бесперебойного питания, в которых необходимо обеспечить быструю передачу мощности.

В мире насчитывается примерно 66 крупнейших производителей ионисторов.

Слободянюк А.И. Физика 10/16.4

Предыдующая страница

16.4 Зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДС

Рассмотренный в предыдущем разделе процесс зарядки конденсатора посредством перенесения заряда с одной обкладки на другую имеет исключительно теоретический интерес, как метод расчета энергии конденсатора. Реально конденсаторы заряжают, подключая их к источнику ЭДС, например, к гальванической батарее.

Пусть конденсатор емкостью C подключен к источнику, ЭДС которого равна ε

(Рис. 145). Полное электрическое соединение цепи (включающее и внутренне сопротивление источника) обозначим R

. При замыкании ключа в цепи пойдет электрический ток, благодаря которому на зарядках конденсатора будет накапливаться электрический заряд. По закону Ома сумма напряжений на конденсаторе \(

U_C = \frac\) и резисторе \(U_R = IR\) равна ЭДС источника \(\varepsilon = U_C + U_R\), что приводит к уравнению

IR = \varepsilon — \frac\) . (1)

В этом уравнении заряд конденсатора и сила тока зависят от времени. Скорость изменения заряда конденсатора по определению равна силе тока в цепи \(

I = \frac\), что позволяет получить уравнение, описывающее изменение заряда конденсатора с течением времени

Можно также получить уравнение, непосредственно описывающее изменение силы тока в цепи с течением времени. Для этого на основании уравнения (1) запишем уравнения для малых изменений входящих величин

\Delta \varepsilon = \Delta (IR) + \Delta \left (\frac \right )\) .

Формально эту операцию можно описать следующим образом: уравнение (1) следует записать для двух моментов времени t

Сравнения

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и ряд недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

Недостатки

• Высокая цена ионисторов с большими разрядными токами, препятствующая их широкому применению.
• Напряжение напрямую зависит от степени заряженности.
• Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании для ионисторов большой ёмкости и с низким внутренним сопротивлением.
• Низкое рабочее напряжение по сравнению с большинством конденсаторов других типов. При последовательном соединении требуется балансировка, чтобы избежать перезаряда отдельных ячеек.
• Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В.
• Существенно меньшая скорость отдачи заряда по сравнению с обычными конденсаторами.

Преимущества

• Большие максимальные токи зарядки и разрядки.
• Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.
• Высокое внутреннее сопротивление у большинства ионисторов (препятствует быстрому саморазряду, а также перегреву и разрушению).
• Ионистор обладает длительным сроком службы (при 0,6 U_ном. около 40 000 часов с незначительным снижением емкости).
• Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости.
• Низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов).
• Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).
• Малая зависимость от окружающей температуры: могут работать как на морозе, так и на жаре.
• Большая механическая прочность: выносят многократные перегрузки.

Задачи на конденсаторы и электроемкость с решением

Если вы не знаете, как решать задачи с конденсаторами, сначала посмотрите теорию и вспомните про памятку по решению задач по физике и полезные формулы.

Задача №1 на электроемкость батареи конденсаторов

Условие

Плоский конденсатор емкостью 16 мкФ разрезают на 4 равные части вдоль плоскостей, перпендикулярных обкладкам. Полученные конденсаторы соединяют последовательно. Чему равна емкость батaреи конденсаторов?

Решение

Из условия следует, что площадь получившихся конденсаторов в 4 раза меньше, чем у исходного. Зная это, можно найти емкость каждого полученного конденсатора:

Соединяя 4 таких конденсатора последовательно, получаем:

Ответ: 1 мкФ.

Задача №2 на энергию плоского конденсатора

Условие

Плоский конденсатор заполнили диэлектриком с диэлектрической проницаемостью, равной 2. Энергия конденсатора без диэлектрика равна 20 мкДж. Чему равна энергия конденсатора после заполнения диэлектриком? Считать, что источник питания отключен от конденсатора.

Решение

Энергия конденсатора до заполнения диэлектриком равна:

После заполнения емкость конденсатора изменится:

Энергия конденсатора после заполнения:

Ответ: 40 мкФ.

Задача №3 на последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Условие

На рисунке изображена батарея конденсаторов. Каждый конденсатор имеет емкость 1 мкФ. Найдите емкость батареи.

Решение

Как видим, часть конденсаторов соединена параллельно, а часть последовательно. Это типичный пример смешанного соединения конденсаторов. Алгоритм решения задач при смешанном соединении конденсаторов сводится к тому, чтобы упростить схему и свести все только к параллельному или последовательному соединению.

Конденсаторы 3 и 4 соединены параллельно. Складывая их емкость, получаем в итоге последовательное соединение четырех конденсаторов: 1, 2, 5 и 3-4. Для параллельного соединения:

Для последовательного соединения:

Ответ: 0,285 мкФ.

Задача №4 на пролет частицы в конденсаторе

Заряд конденсатора равен 0,3 нКл, а емкость – 10 пФ. Какую скорость приобретет электрон, пролетая в конденсаторе от одной пластины к другой. Начальная скорость электрона равна нулю. 

Решение

По закону сохранения энергии, разность кинетических энергий электрона в начале и в конце пути будет равна работе поля по его перемещению. По условию, начальная кинетическая энергия электрона равна 0. Запишем:

С учетом этого, получим:

Ответ: 10^7 м/с.

Задача №5 на вычисление энергии электрического поля конденсатора

Условие

Конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения U=1 кВ. Емкость конденсатора равна 5 пФ. Как изменяться заряд на обкладках конденсатора и его энергия, если расстояние между обкладками уменьшить в три раза.

Решение

Заряд конденсатора равен:

Изменение заряда будет равно:

Изменение энергии:

Ответ: 5 мкДж.

Медленно изменяющие цвет RGB светодиоды и их применение для диайвая

Да-да, диайвая, сильно модное нынче слово в интернете. DIY или сделано руками по-нашему. Жизнь на муське, я смотрю, даже в новый год не затихает, ну и я решил тоже поделиться своим рукоблудием. Собственно, данные светодиоды я уже упоминал в своем обзоре гирлянд, но крайне удачно (как мне кажется) их применил, так что не грех написать и отдельный обзор. Сами светодиоды, собственно, ничего сверъестественного из себя не представляют — обычные на вид узконаправленные 5мм светодиоды в прозрачном корпусе. Но внутри там на самом деле три светодиода и микросхема управления, которая плавно их переключает, таким образом изменяя цвет свечения «по всей радуге»

видео как они работают тут:

Собственно, на этом обзор светодиодов закончен

После покупки 3д принтера я начал интересоваться готовыми моделями для печати. Ну и несомненно первым же делом нашел сайт thingiverse.com. А на нем, в частности, дивный ночник «Magic Mushrooms — a lighted decoration». Ну и в преддверии нового года — решил напечатать пару штук на подарочки. Несомненно, данного обзора бы не было, если б я не допилил слегонца ту модель. Точнее, я напечатал несколько новых деталей и одну взамен использовавшейся — а именно заднюю крышку.

К сожалению, в оригинальной модели крышка сделана как-то по-дурацки и мало того что неудобно закрывается, так еще и плохо держится, более того, в неё и держатель для батареек толком не поставить. А чтобы она не болталась и не проваливалась — я напечатал пару пластиночек 5х10х1мм которые приклеил дихлорэтаном изнутри корпуса чтобы крышка не проворачивалась. Кроме того, так как светодиоды у меня узконаправленные — я напечатал для них из прозрачного пластика колпачки, которые рассеивают свет.

Данные светодиоды можно питать и от 2 и от 3 АА/ААА батареек. Я, собственно, проверил оба варианта — всё работает, но при 2В уже тяжко. Но я не думаю, что данные светильники будут так часто включаться и подолгу работать, что это станет проблемой.

При разработке крышки я ориентировался на купленные в оффлайне держатели для 3*ААА батареек, ну и пришедшие из Китая по ошибке переключатели

Мои модели выложены тут: yadi.sk/d/KLTZkkDeN5xPpw

Ну и, собственно, приступаем к изготовлению ночника. Печатаем детали:

Пластинки уже вклеены в корпус, они видны в отверстии сверху и снизу. На них лежит крышка, они не дают ей провернуться на выступах которые вставлены в пазы. Крышка получилась забавная, «удивленный мальчик» называется

Колпачки для светодиодов:

По печати: не спрашивайте у меня о настройках принтера, я еще зеленый совсем.

Ножки грибов к пеньку клеим китайскими соплями термопистолетом (о правильном пистолете с клапаном я тоже писал), может потребоваться расточить отверстия и подобрать расположение, чтобы шляпки не сильно пересекались в пространстве. Предварительно можно фиксировать паяльником.

Далее паяем провода к светодиодам. Провода брать чем тоньше и мягче — тем лучше. Соблюдаем полярность, чтобы потом не путаться. Выводы светодиодов оставляем где-то 3-5мм, на один после пайки натягиваем термоусадку.

Для соединения всех проводов в кучу внутри пенька я использовал тонкую полоску 2-стороннего стеклотекстолита. на одну сторону припаиваем плюсы, на вторую минусы диодов, потом подключаем к батарее через выключатель. Выключатель, кстати, к крышке крепится путём расплавления штырьков.

На батарейки внимания не обращайте, для тестов воткнул что-то дешманское из фикспрайса.

Ну и результат:

Как видим, светодиоды не работают (да и не обязаны) работать строго синхронно, поэтому они через какое-то время рассинхронизируются, что идет только на пользу. Приятной особенностью является тот факт, что можно не заморачиваться качеством печати большинства деталей, потому что это только придает фактуру, которая тут весьма уместна. Теоретически можно добавить сенсорный выключатель, литиевый акум и зарядку от usb, но это уже каждый сам решает.

Лично я более чем доволен результатом. Рекомендую данные светодиоды для подобных поделок, ну и 3д принтер для подобных поделок