Меню

Каким током заряжать ионистор



Ионистор — устройство, применение, технические параметры

Бывают ситуации, когда реализовать автономное питание на основе одной аккумуляторной батареи не представляется возможным из-за образования больших кратковременных токов. В этом случае совместно использовался высоковольтный конденсатор большой емкости, пока не стали применять ионистор вместо аккумулятора или одновременно с ним.

В работе этого класса приборов заложена технология, благодаря которой создается двойной электрический слой (EDLC), этим они выгодно отличаются от устройств, где для накопления заряда эксплуатируются химические реакции, как обратимые (аккумулятор), так и необратимые (батарея).

Несмотря на то, что ионисторы появились относительно недавно, их изготовление налажено многими производителями как в нашей стране, так и за рубежом, эти радиодетали выпускают такие компании, как: Palm, Epcos, Elna и т.д.

Ионисторы Maxwell

Ионисторы Maxwell

Внутренне устройство

Ионисторы тем отличаются от конденсаторов, что их конструкция не предполагает использование диэлектрика между электродами, при изготовлении последних подбираются вещества, с противоположным потенциалом заряда. Упрощенное устройство этих радиодеталей показано на рисунке.

Устройство классических ионисторов

Устройство классических ионисторов

Условные обозначения:

  • a, b – электроды;
  • с –сепаратор;
  • d – активированный уголь.

От того, какова площадь «обкладки» конденсатора, зависит его емкость, именно с этой целью в качестве электродов в устройствах используется активированный уголь или вспененный углерод, которые помещаются в электролит. Назначение сепаратора – не допустить короткое замыкание электродов.

В качестве электролита может выступать твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты. Заметим, что в современных изделиях данный тип электролита не используется из-за своей высокой токсичности.

На рисунке ниже в качестве примера изображена конструкция ионисторов серии EN, изготовленных компанией Panasonic.

Конструкция серии EN

Конструкция серии EN

На рисунке обозначены:

  • a – электроды (в качестве материала выступает активированный уголь);
  • b, e – верхняя и нижняя часть корпуса;
  • с – сепаратор;
  • d – уплотнительный изолятор.

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).

Положительные и отрицательные стороны

К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:

  • разрядка и заряд устройства не занимает много времени, что позволяет их использовать в тех случаях, когда аккумуляторы установить не представляется возможным из-за долгой подзарядки;
  • по сравнению с аккумуляторными батареями у ионисторов значительно больше циклов полного заряда-разряда устройства;
  • чтобы произвести подзарядку, не понадобится специальное зарядное оборудование, следовательно, упрощается обслуживание;
  • радиодетали этого типа гораздо легче аккумуляторов и меньше их по габаритам;
  • широкий диапазон рабочей температуры – от -40 до 70С°;
  • срок эксплуатации во много раз больше, чем его имеют силовые конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:

  • относительно высокая цена на ионисторы приводит к тому, что использование их в технике ведет к ее удорожанию. Как утверждают специалисты, в ближайшем будущем эта проблема будет решена, благодаря развитию новых технологий;
  • низкие параметры номинального напряжения устройств, решением может служить последовательное соединение нескольких элементов (принцип такой же, как при подключении нескольких батареек). В этом случае потребуется установить шунт в виде резистора на каждый компонент;
  • превышение температурного режима (нагрев более 70С°) становится причиной выхода из строя;
  • данный тип радиодеталей не позволяет накапливать достаточно энергии, помимо этого они обладают небольшой энергетической плотностью (то есть не столь мощные, как аккумуляторы), что несколько сужает сферу их применения. Параллельное подключение нескольких элементов позволяет частично справиться с этой проблемой.

Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.

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.

Видео: эффективность в применении ионистора

Делались и довольно экзотические эксперименты по применению суперконденсаторов, в частности, на их основе пытались создать гаусс оружие (электромагнитную пушку).

Типичная схема включения суперконденсаторов, как источников питания, показана на рисунке.

Схема подключения резервного питания

Схема подключения резервного питания

Обозначение на схеме:

U – подключение к основному источнику питания;

D1 – диод, не допускающий утечки заряда ионистора, когда отсутствует основное питание;

R1 – резистор, служит для двух целей:

  • ограничение тока зарядки;
  • исключает перегрузку основного источника питания во время включения напряжения;

C – резервный источник питания на базе ионистора;

Rn – сопротивление нагрузки.

Заметим, что без резистора (обозначение на схеме — R1) можно обойтись, если характеристики источника питания допускают кратковременное повышение тока нагрузки до 250 мА.

Помимо приведенного примера использования в быту, ионисторы могут применяться, чтобы подключить светодиод в маломощном фонарике, при этом зарядка может производиться от энергии солнечной батареи.

Приведем еще один распространенный пример использования данного устройства для запуска двигателя автомобиля. Схема подобной реализации показана на рисунке.

Пусковое устройство для двигателя автомобиля

Схема: пусковое устройство для двигателя автомобиля

Данная схема может быть реализована на любом легковом автомобиле, где напряжение бортовой сети 12V, обозначения на рисунке:

  • 1,2, 3 – клеммы подключения (1 к положительному контакту АКБ, 2 – к отрицательному, 3 соединяется с замком зажигания);
  • Кс – замок зажигания;
  • B1 – АКБ автомобиля;
  • K1, K1.1 – контактор и его управляющий ключ;
  • С — суперконденсатор;
  • Rc – резистор, ограничивающий ток зарядки ионистора С.

В схеме используется суперконденсатор (маркировка: 12ПП-15/0,002), у которого следующие характеристики:

  • максимальное номинальное напряжение – 15В;
  • емкость – 216Ф;
  • величина внутреннего сопротивления – 0,0015 Ом;
  • номинальный ток – 2кА.

Перечисленных выше характеристик будет достаточно для запуска двигателя мощностью до 150 л.с. Время зарядки ионистора — не более 5 секунд, после включения стартера в течение первых нескольких секунд основная токовая нагрузка будет идти на суперконденсатор, поскольку внутренне сопротивление у АКБ больше.

Подобное пусковое устройство, в котором используется ионистор, можно купить готовое, но сделать своими руками обойдется значительно дешевле.

Источник

Страница не найдена!

Страница не найдена!

Информация

  • IMAX B6 заряжает АА Ni-Zn
  • Ni-Zn ААА в слаботочной и низковольтной технике
  • Батарейки АА в часах или игрушках.
  • Гибридный аккумулятор для автомобиля из супер конденсаторов.
  • Единица ёмкости Фрарад (емкость SMD )
  • Зона покрытия рации на батарейках
  • Какой литий можно найти на Store-men.ru
  • НЕОДИМОВЫЕ МАГНИТЫ И ИХ ОСОБЕННОСТИ
  • Неодимовые магниты.
  • Солнечная энергия
  • Ток и напряжение аккумулятора АА /14500
  • Что значит ват/ час у аккумулятора?
  • Информация о доставке
  • Что могут ионисторы на 500F/
  • Что такое гальваника и что она изучает.
  • Политика Безопасности
  • Ионисторы в автомобиле
  • О заряде и энергии, хранимой в ионисторах
  • IMAX-B6 заряжает ионистор.
  • Высокотоковый литиевый аккумулятор
  • Емкость лития
  • Литиевые АА аккумуляторы на 1,5 V.
  • Ионистор от севшего аккумулятора питает электродвигатель.
  • Типы и виды АА аккумуляторов и их характеристики.
  • Ионистор за место аккумулятора в системе освещения
  • ПЕРЕДЕЛКА ШУРУПОВЕРТА НА ЛИТИЙ.
  • Энергия блока ионисторов
  • Саморазряд ионисторов
  • Чем же заряжать Ni-Zn аккумуляторы?
  • Какие аккумуляторы ААА лучше
  • Солнечная панель для зарядки телефона или планшета.
  • Лучшие аккумуляторы аа для фотоаппарата
  • Саморазряд Ni-Mh аккумуляторов АА
  • Радиатор охлаждения медь или аллюминий
  • самодельная светодиодная лампа для рабочего места
  • Сравнение литий-ионныых акб 18650 и 26650
  • Самодельный Power Bank
  • устройство аккумулятора аа
  • Вес аккумулятора для power bank на 50000 mah
  • Сколько служат Ni-Mh aa аккумуляторы
  • Что лучше Ni-Zn 2500 mW/h или Ni-Mh 1500 mah.
  • Как проверить ток и напряжение аккумуляторов АА.
  • Как хранить аккумуляторы АА
  • Домашняя станция зарядки на солнечных батареях.
  • Пайка smd компонентов
  • Обозначение SMD компонентов
  • Зарядка ионистора 500f от солнечных панелей различной мощности
  • Заряжаем 18650 на IMAX-B6
  • 32700 и 32650 LiFePo4
  • Монтаж и описание smd компонентов
  • Power bank на ионисторах.
  • Что такое SMD компоненты
  • Контроллеры заряда батарей.
  • Заряжаем 32700 на Imax-b6.
  • Какие акумуляторы AA выбрать для мышки.
  • Ток и напряжение аккумулятора ААА
  • Лучшие аккумуляторы для вспышки.
  • Платs зарядки для Power bank.
  • Как проверить 2,7 v ионистор.
  • Усиленные аккумуляторы для дрона.
  • Подключение солнечных элементов разной мощности
  • Какие аккумуляторы ААА щас в ходу?
  • Стандарты, ГОСТы и требования ТУ
  • Mosfeet и JFET
  • Плата понижающая для зарядки лития
  • Полупроводники.
  • Маркировка smd конденсаторов
  • Платы для зарядки лития dc dc .
  • Звуковые ( конденсаторы ) ионисторы.
  • SMD -описание и маркировка.
  • Параметры SMD компанентов.
  • Конденсаторы в 3 фазной сети
  • Индуктивность конденсаторов
  • Как проверить конденсатор?
  • Фотоаппараты на АА батарейках.
  • 10 фарад вместо аккумулятора.
  • Power bank на 1000F_2,7V
  • Неполярный конденсатор
  • IMAX-B6 для автомобильного аккумулятора.
  • ААА выбрать для радиотелефона.
Читайте также:  Крутые вещи для дома в тока бока

Служба поддержки

Дополнительно

  • Производители
  • Подарочные сертификаты
  • Партнёры
  • Товары со скидкой

Личный кабинет

  • Информация о доставке
  • Что могут ионисторы на 500F/
  • Что такое гальваника и что она изучает.
  • Ионисторы в автомобиле
  • О заряде и энергии, хранимой в ионисторах

Мы работаем для Вас
будни: 9:00 — 21:00
суббота: 10:00 — 16:00, воскресенье: выходной
+7 XXX XXX XX XX

Источник

Суперконденсатор – описание, расчет заряда, схема источника питания

в Справочник 0 2,500 Просмотров

Суперконденсаторы (ионисторы) — это больше, чем просто конденсаторы большой емкости. Они работают по тому же принципу — накопление заряда в электрическом поле, однако при их изготовлении используются немного другие технологии.

У суперконденсаторов металлические электроды покрыты активированным углем и погружены в электролит. Благодаря своей пористости они могут накапливать гораздо больше заряда. В отличие от обычных конденсаторов, заряд накапливается не только на самом электроде, но и на его угольном покрытии. Вот почему их еще часто называют двухслойными конденсаторами (EDLC).

Более того, толщина изолятора здесь также намного меньше чем в обычных конденсаторах и измеряется в нанометрах. В результате этого можно запасти гораздо больше заряда — вплоть до сотни фарад! К сожалению, это происходит за счет допустимого напряжения.

Суперконденсаторы, доступные на рынке, обычно имеют номинальное напряжение 2,7В (одинарные) и 5,4В (сдвоенные). Конечно, это можно «исправить» и получить более высокое напряжение, подключив последовательно несколько суперконденсаторов, но при этом пожертвовав емкостью.

Немного теории

О суперконденсаторах нужно знать несколько вещей. Наиболее важные из них касаются зарядки, разрядки и подключения: последовательного и параллельного.

Зарядка суперконденсатора

Начнем с постоянной времени RC-цепи:

t=R*C

За время t суперконденсатор емкостью С, подключенный последовательно с резистором R, зарядится примерно до 2/3 (точнее до 63,2%) напряжения питания. За время 5t суперконденсатор зарядится до значения очень близкое к напряжению питания (99,3%).

Эти интервалы обусловлены тем, что процесс зарядки конденсатора является не линейной функцией (экспоненциальной). Для определения его параметров можно использовать следующие формулы:

В приведенных выше формулах:

  • Q: мгновенный заряд, в момент t [Кл];
  • C: емкость конденсатора [Ф];
  • I: мгновенный зарядный ток [A];
  • V0: напряжение зарядки [В];
  • V: мгновенное напряжение на суперконденсаторе [В];
  • R: сопротивление, подключенное последовательно с суперконденсатором [Ом];
  • t: время [сек].

Обратите внимание, что:

  1. По мере зарядки заряд на пластинах суперконденсатора растет, как и его напряжение.
  2. По мере продолжения зарядки ток заряда уменьшается: от V0\R до почти нуля.
  3. Время зарядки суперконденсатора зависит от его емкости C и сопротивления R.

Практический пример: зарядка суперконденсатора емкостью 1Ф через резистор сопротивлением 50 Ом от источника напряжения 5 В (зафиксированного на осциллографе):

На рисунке видно, что суперконденсатор достиг заряда 63,2% (3,16 В) примерно за 47 секунд. Это согласуется (более менее) с постоянной времени:

t = 50 Ом * 1 Ф = 50 сек

Схема зарядки суперконденсатора

Схема зарядки суперконденсатора выглядит следующим образом:

В данном случае:

t = R * C = 10 Ом * 1 Ф = 10 сек

суперконденсатор будет заряжен до

3,3В через 10 секунд — и до 5 В примерно через 5 секунд.

зарядный ток будет равен:

I = U \ R = 5 В \ 10 Ом = 0,5 A

В чем проблема? В выделяемой мощности на резисторе:

P = U \ I = U * (U \ R) = 5 В * (5 В \ 10 Ом) = 2,5 Вт

Из этого следует, что на резисторе можно выделиться до 2,5 Вт мощности. Резисторы, которые мы обычно используем, имеют не более 0,25 Вт мощности, что в десять раз меньше. Установленный в такую ​​схему резистор мощностью 0,25 Вт просто перегорит.

Выход из данной ситуации — распределение напряжения и тока следующим образом:

Конечное сопротивление такой схемы по-прежнему составляет 10 Ом:

Rz = R1 * R2 \ (R1 + R2) = (10 Ом + 10 Ом) * (10 Ом + 10 Ом) \ ((10 Ом + 10 Ом) + (10 Ом + 10 Ом)) = 400 Ом / 40 Ом = 10 Ом

В данном случае ток в обеих ветвях будет по 250 мА. Напряжение на каждом из резисторов:

Ur = I \ R = 0,25 A \ 10 Ом = 2,5 В

отсюда мощность на каждом резисторе:

P = U \ I = 2,5 В \ 0,25 A = 0,625 Вт

…таким образом, можно использовать резисторы мощностью 1 Вт.

Практичный источник питания с суперконденсатором

В практических решениях широко используются суперконденсаторы, например, для питания часов реального времени.

В подобных схемах необходимо использовать диод, который защитит цепь зарядки от «обратного тока» от самого суперконденсатора. Схема может выглядеть так:

Читайте также:  Что обозначают шины при переменном однофазном токе

Напряжение питания V0 может поступать, например, от Ардуино. Диод D1 защищает источник питания от «смещения» тока от суперконденсатора – чтобы на выход стабилизатора V0 не поступало напряжение с конденсатора.

Однако этот диод также влияет на напряжение зарядки суперконденсатора, которое в такой схеме ниже на величину падение напряжения на диоде. В зависимости от типа диода оно может составлять 0,6..0,8В.

Катод диода через резистор подключен к суперконденсатору C1. Сопротивление резистора определяется, как и выше, учитывая постоянную времени.

Примеры суперконденсаторов

При выборе суперконденсатора учитывайте:

  • Емкость, измеряемая в фарадах — чем больше емкость, тем больше заряда может накапливать суперконденсатор и, как следствие, дольше обеспечивать питание вашей системы,
  • Номинальное напряжение, измеряемое в вольтах — максимальное напряжение, которое конденсатор может обеспечить на выводах.

Некоторые примеры (фото) суперконденсаторов:

Емкость 1Ф, максимальное напряжение 5,5В (сдвоенный; на картинке слева — справа 4Ф):

Емкость 1Ф, максимальное напряжение 5,5В ФОТО

Максимальное напряжение 5,5 В, емкость 4Ф, высота 5 мм, диаметр 25 мм (сдвоенный):

Максимальное напряжение 5,5 В, емкость 4Ф, ФОТО

Максимальное напряжение 2,7 В, емкость: 100Ф (!), Высота и диаметр более 5 см:

Максимальное напряжение 2,7 В, емкость: 100Ф ФОТО

  • Каждый суперконденсатор имеет определенное максимальное напряжение — например, 2,7 или 5,5 В. Подача большего напряжения может привести к взрыву суперконденсатора.
  • Суперконденсаторы поляризованы: не перепутайте, какая ножка «-», а какая — «+»; обратная полярность может привести к взрыву суперконденсатора,
  • Суперонденсаторы могут выдерживать большое количество циклов заряда и разряда. В этом отношении они во много раз более устойчивы, чем, например, NiMH или LiPo батареи.
  • Если у вашего конденсатора слишком низкое напряжение или слишком малая емкость — вы можете подключать их последовательно или параллельно.

Источник

Подключение ионисторов к устройствам сбора энергии

Pierre Mars, CAP-XX Ltd, Австралия

Сфера применения миниатюрных беспроводных датчиков постоянно расширяется. Они используются для контроля состояния сооружений, управления производственными процессами, в системах безопасности и в устройствах радиочастотной идентификации. Намного удобнее и экономически эффективнее питать такие датчики автономно с помощью небольших устройств сбора энергии, не нуждающихся в дорогих кабелях или требующих периодической замены аккумуляторах.

Окружающая среда может служить источником бесконечного количества энергии самых разнообразных форм, включая пьезоэлектрическую, тепловую, фотогальваническую и энергию вибрации, однако мощность ее весьма мала и крайне далека от пиковой потребности передатчиков беспроводных сетей, таких как IEEE 802.15.4 (Zigbee), 802.11 (WLAN), или GSM/GPRS. Чтобы обеспечить датчик достаточной мощностью для каждого цикла измерений и передачи данных, энергию необходимо накапливать в буфере, в качестве которого удобнее всего использовать ионисторы. Такие устройства накопления энергии медленно заряжаются от маломощного источника и кратковременно отдают большую мощность, когда это необходимо.

Рисунок 1. Модель идеального ионистора: последовательное соединение конденсатора емкостью C и резистора с сопротивлением ESR.

Определение необходимой емкости ионистора

Типичное рабочее напряжение ионисторных элементов лежит в диапазоне от 2.3 до 2.8 В. Оптимальная стратегия, позволяющая эффективно и с минимальными издержками запасать необходимую для приложения энергию, реализуется ограничением напряжения заряда до уровня, несколько меньшего, чем допустимое напряжение ионистора.

Простой способ определения необходимой емкости ионистора заключается в том, чтобы рассчитать количество энергии, необходимое для обеспечения устройства достаточной мощностью P в периоды максимального потребления, и приравнять его к выражению

C – емкость ионистора (в фарадах),
VINITIAL – напряжение на ионисторе непосредственно перед началом периода пикового потребления,
VFINAL – напряжение на ионисторе в конце этого периода.

Однако последнее выражение не учитывает потерь, обусловленных наличием паразитного внутреннего сопротивления ионистора – ESR (equivalent series resistance), снижающего напряжение на нагрузке:

ILOAD – ток нагрузки.

Поскольку напряжение на нагрузке уменьшается, ток нагрузки для поддержания расчетного уровня мощности увеличивается. Руководствуясь Рисунком 1, разработчики могут описать разряд ионистора следующими выражениями:

VSCAP – напряжение на ионисторе.

Из приведенных выражений вытекает уравнение для тока нагрузки:

Затем разряд ионистора может быть легко смоделирован в Excel на основании формул

Этот расчет исключительно важен, особенно, если произведение тока нагрузки на ESR достаточно велико в сравнении с напряжением на ионисторе в конце цикла разряда. В этом случае простая оценка энергетического баланса может показать, что емкость ионистора слишком мала, причем с понижением рабочей температуры нехватка емкости будет проявляться сильнее, так как при низких температурах ESR становится в два-три раза больше, чем при комнатной температуре.

Необходимо также помнить, что емкость и ESR ионистора изменяются со временем вследствие старения. Емкость постепенно падает, а внутреннее сопротивление возрастает. Скорость старения зависит от напряжения на элементе и температуры. Разработчикам следует учитывать это, выбирая ионистор с запасом по обоим параметрам, исходя из расчетного срока службы датчика.

Зарядка ионистора

Для источника энергии разряженный ионистор представляет собой короткозамкнутую нагрузку. К счастью, многие устройства сбора энергии, такие, например, как фотогальванические элементы и микрогенераторы, могут работать на нулевое сопротивление, а значит, способны заряжать ионистор с нуля. Если же источником энергии служит пезо- или термоэлектрический преобразователь, способностью выдерживать короткое замыкание по выходу должна обладать микросхема, стоящая между источником и ионистором.

Промышленность создала множество контроллеров MPPT (Maximum Power Point Tracking – слежение за точкой максимальной мощности), обеспечивающих максимально эффективное использование устройств сбора энергии. Но все они, являясь, по сути, специализированными DC/DC преобразователями, рассчитаны на заряд аккумуляторов постоянным напряжением [1].

Рисунок 2. Эту простую и эффективную схему заряда можно применять в тех случаях, когда напряжение холостого хода солнечной батареи не превышает допустимого напряжения ионистора.

Однако, в отличие от аккумулятора, ионистор наиболее эффективно заряжается не постоянным напряжением, а током, причем максимальным, т.е. всем, который только в состоянии отдать источник. На Рисунке 2 приведена схема простого и эффективного зарядного устройства, применимого в тех случаях, когда напряжение холостого хода солнечной батареи не выходит за границы, допустимые для ионистора. Диод предохраняет ионистор от разряда через солнечную батарею в темное время суток. Если напряжение холостого хода источника энергии превышает рабочее напряжение ионистора, для его защиты потребуется шунтовой регулятор напряжения (Рисунок 3). Шунтовой (параллельный) регулятор – самый простой и дешевый способ защиты ионистора от перегрузки по току. После того, как ионистор зарядится, энергия источника становится ненужной, и регулятор просто рассеивает ее в виде тепла.

Рисунок 3. Если напряжение холостого хода источника энергии превышает допустимое напряжение ионистора, для его защиты потребуется параллельный регулятор напряжения.

Устройство сбора энергии подобно шлангу с бесконечным источником воды, через который заполняется бочка, являющаяся аналогом ионистора. Если шланг не вынуть из бочки после ее заполнения, вода просто начнет переливаться через край. Это сравнение иллюстрирует еще одно принципиальное отличие ионистора от аккумулятора, энергетическая емкость которого ограничена, что требует точного управления зарядкой с помощью последовательного регулятора напряжения.

Читайте также:  Реактивная мощность увеличение тока

В изображенной на Рисунке 2 схеме в начальный момент напряжение на ионисторе равно 0 В, вследствие чего солнечная батарея закорочена. По мере заряда ионистора ток уменьшается в соответствии с вольтамперной характеристикой фотогальванического элемента. Ионистор всегда заряжается до максимально возможного уровня, так как забирает самый большой ток, который только способен отдать источник. В схеме на Рисунке 3 использована микросхема TLV3011, в которой помимо компаратора содержится источник опорного напряжения. Микросхема исключительно экономична, так как потребляет порядка 3 мкА и имеет открытый сток на выходе, при выключенном регуляторе представляющий собой обрыв. Диод Шоттки BAT54 выбран из-за низкого прямого падения напряжения при малых токах. Если прямой ток не превышает 10 мкА, напряжение на диоде не выйдет за пределы 0.1 В.

Рисунок 4. Вольтамперная характеристика микрогенератора очень похожа на характеристику фотогальванического элемента.

Микрогенераторы идеально подходят для промышленных приложений, в особенности таких, как контроль уровня вибраций вращающихся механизмов, которые, по определению, не могут не вибрировать при работе. На Рисунке 4 показана вольтамперная характеристика микрогенератора, весьма напоминающая характеристику фотогальванического элемента. Микрогенератор содержит диодный мост, не позволяющий ионистору разряжаться через генератор, что позволяет сделать схему заряда очень простой (Рисунок 5).

Рисунок 5. Микрогенератор содержит диодный мост, не позволяющий ионистору разряжаться через генератор, что позволяет сделать схему заряда очень простой.

Напряжение холостого хода 8.5 В заставило выбрать двухэлементные ионисторы HZ202 с рабочим напряжением 5.5 В. Шунтовой регулятор защищает ионистор от перенапряжения и, одновременно, выполняет функцию слаботочной схемы активной балансировки, гарантирующей равное распределение токов между элементами. Специально для заряда ионисторов в схемах сбора энергии Linear Technology выпускает микросхемы LT3652, LTC3108 и LTC3625, а Texas Instruments – BQ25504.

Ток утечки

Некоторые устройства сбора энергии выдают ток, измеряемый единицами микроампер, поэтому нельзя не принимать во внимание утечки ионисторов. Рисунок 6 показывает, что ионисторы могут иметь ток утечки менее 1 мкА, что позволяет использовать их в схемах извлечения энергии.

Рисунок 6. В установившемся режиме ток утечки ионисторов CAP-XX подчиняется эмпирическому правилу, согласно которому при комнатной температуре он составляет 1 мкА/Ф.

После зарядки ионистора ток утечки постепенно, по мере того, как ионы диффундируют в поры угольного электрода, снижается, стремясь к равновесному значению, зависящему от емкости, напряжения и времени. Ток утечки пропорционален емкости элемента и в установившемся режиме подчиняется эмпирическому правилу, согласно которому при комнатной температуре он составляет 1 мкА/Ф. Так, из Рисунка 6 мы видим, что ионисторы емкостью 150 мФ по истечении 160 часов имеют ток утечки 0.2 и 0.3 мкА. С ростом температуры ток утечки экспоненциально увеличивается. Время установления равновесного состояния при увеличении температуры уменьшается вследствие роста активности ионов. Таким образом, совершенно очевидно, что для возможности начала зарядки полностью разряженных ионисторов требуется определенный минимальный ток в диапазоне от 5 до 50 мкА. При выборе ионистора для устройства сбора энергии разработчики не должны забывать про этот очень важный параметр.

Балансировка элементов

Если в какой-то схеме напряжение превышает допустимое для ионисторной ячейки, составляя, скажем, 5 или 12 В, несколько элементов придется соединять в последовательную батарею. В этом случае потребуется схема балансировки ионисторных ячеек, без которой напряжения на элементах батареи будут различаться из-за некоторого разброса токов утечки и неодинакового характера их зависимости от напряжения. При последовательном включении токи утечки элементов должны быть одинаковыми, для чего ячейки стремятся соответствующим образом перераспределять заряды между собой. При этом напряжение на какой-то из них может выходить за разрешенные границы. Проблема будет усугубляться различиями в температуре и возрасте элементов. Простейшая схема балансировки получается при включении резистора, параллельно каждому элементу. В зависимости от тока утечки ионистора, типичное сопротивление этого резистора может быть от 1 до 50 кОм. Однако для большинства устройств сбора энергии ток, протекающий через резисторы балансировки, окажется недопустимо большим. Гораздо лучше подходит для таких приложений изображенная на Рисунке 7 слаботочная схема активной балансировки.

Рисунок 7. Такая слаботочная схема активной балансировки может использоваться в приложениях сбора энергии.

Для работы изображенного на схеме операционного усилителя MAX4470 с rail-to-rail входами и выходом требуется ток порядка 750 нА. Резистор R3 ограничивает выходной ток в случае короткого замыкания одной из ячеек. После 160 часов балансировки ионисторов HW207 вся схема потребляет от 2 до 3 мкА.

Температурные характеристики

Важнейшим преимуществом ионисторов в приложениях для сбора энергии является их широкий диапазон рабочих температур. Например, ионисторы могут использоваться с вибропреобразователями при отрицательных температурах или c солнечными панелями в ясный зимний день. В типичном случае ESR ионисторов при –30°C увеличивается в два-три раза по сравнению с ESR при комнатной температуре. Для сравнения, внутреннее сопротивление аккумуляторов при таких температурах может достигать нескольких килоом.

Подключение дополнительных аккумуляторов

В одних приложениях ионисторы могут служить альтернативой аккумуляторам, в других – средством их поддержки. В некоторых ситуациях ионистор не сможет запасать достаточное количество энергии, и потребуется использовать аккумулятор. Например, если источником энергии является солнце, необходимо устройство накопления, способное не только обеспечивать передатчик пиковой мощностью, но и поддерживать работу всей системы продолжительное время в течение ночи. Если требуемая пиковая мощность превышает максимальную мощность, которую в состоянии отдать аккумулятор, что типично, скажем, для вызовов GSM или для маломощных передатчиков, работающих при низкой температуре, решить проблему можно с помощью ионистора, заряжаемого от аккумулятора. Этим не только решается проблема энергетического баланса, но и увеличивается ресурс аккумулятора, степень разряда которого никогда не будет глубокой. Энергия запасается в ионисторах за счет физического накопления заряда, в отличие от аккумуляторов, работа которых основана на химических реакциях, поэтому количество циклов перезаряда ионисторов практически неограниченно.

Когда заряжаемый от аккумулятора ионистор используется как источник импульсной мощности, очень важно правильно оценивать и учитывать величину интервалов между пиками потребления тока. Если интервалы относительно малы, энергетически эффективнее держать ионистор в режиме постоянного заряда. При более редкой периодичности пиков целесообразнее заряжать ионистор непосредственно перед началом разряда. Этот интервал зависит от ряда факторов, включая величину заряда, накапливаемого ионистором до установления равновесного уровня тока утечки, характеристику саморазряда и пиковое потребление схемы. Но все это имеет смысл лишь в том случае, когда моменты максимального потребления тока известны заранее. Если же они наступают вследствие непредсказуемых событий, такие как отказ аккумулятора или внешнее воздействие, оптимизировать режим использования ионистора невозможно.

Ссылки

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник