Занимательная электроника. Нешаблонная энциклопедия полезных схем - Кашкаров Андрей Петрович
Какие же это случаи? Во-первых, задачи реализации автономного питания, когда речь идет о больших, но кратковременных начальных токах. Примером может послужить электроинструмент малой и средней мощности с аккумуляторным (автономным) питанием. Если в этом случае использовать – логичную на взгляд автора – комбинацию АКБ и оксидного (электролитического) конденсатора большой емкости на соответствующее условиям задачи рабочее напряжение, тогда АКБ обеспечивает относительно долговременное питание устройству, а конденсатор – кратковременный ток в нагрузке. Тот же частный случай представляет собой батарею из нескольких аккумуляторов с конденсатором большой емкости.
На этом примере удобно доказать нужность непосредственно ионистора как относительно нового, отдельного и безусловно полезного класса электронных элементов.
Под воздействием разности потенциалов, возникающей при включении ионистора в электрическую цепь постоянного тока в двойном электрическом слое, находящемся на границе электролита и электрода, накапливается электрический заряд. Это поясняет образование «двойного электрического слоя» в ионисторах. В то время как обычный конденсатор представляет собой два элемента, изготовленные из металлической фольги и разделенные между собой слоем диэлектрика, ионистор – принципиально другое устройство, представляющее собой комбинацию обычного конденсатора с химическим аккумулятором. Обкладки разделены между собой слоем электролита. Для изготовления обкладок используется не фольга, а специально подобранные материалы, выбор которых во многом определяет свойства ионистора. В частности, для их изготовления могут использоваться токопроводящие полимеры, оксиды металлов и даже активированный уголь (его применение позволяет не только снизить их себестоимость, но и повысить их электрическую емкость).
1.9.1. Отличия ионистора от АКБ и «классических» конденсаторов
В отличие от «классических» АКБ в ионисторе не используются необратимые и обратимые химические реакции, и он более универсален, даже безопасен. Кроме того, ионистор может применяться в устройствах с более широким температурным режимом (диапазоном). Низкий ток утечки ионистора предполагает высокое сопротивление изоляции (в том числе обкладок), большую емкость в несколько Фарад (к слову, общая емкость земного шара, по оценкам некоторых ученых, составляет всего 6 Ф). В плюсы также можно записать длительный срок службы, отсутствие необходимости контроля процесса зарядки и десятки тысяч циклов заряд/разряд при наработке до отказа.
Электролиты для ионисторов также используются различные. Они могут быть органическими или водными. Применение органического электролита позволяет получить высокое напряжение заряда, но при этом возникает повышенное внутреннее сопротивление ионистора. При использовании водного электролита напряжение заряда не превышает 1 В, но и внутреннее сопротивление ионистора при этом невелико.
С другой стороны, один из недостатков ионистора – появление в нем лавинных токов утечки при напряжении, превышающем его рабочее напряжение, как правило, 2,5, 5,5 или 6,3 В). Это приводит не только к саморазряду ионистора, но и может стать источником опасности при эксплуатации.
Для получения высоких значений напряжения, необходимых для работы автономной электрической сети, ионисторы можно включить в систему последовательно. При этом общее полученное напряжение будет равно сумме значений напряжения, используемых для этого устройства.
Ионистор не имеет диэлектрического слоя (в отличие от электролитических конденсаторов, где в качестве диэлектрика между обкладками применяется оксид алюминия, а в танталовом – пленка из оксида тантала – за это такие «емкости» и называют «оксидными»). Вместо этого процесс зарядки/разрядке в ионисторе происходит непосредственно в слое ионов, на поверхностях соответственно положительного и отрицательного электродов – физический механизм двойного электрического слоя. Так, под воздействием напряжения на выводах ионистора заряженные частицы (анионы и катионы) движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности. Вместе с зарядом самого электрода это образует «двойной электрический слой».
Скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приведет к его отрицательному заряду, что неизменно вызовет скопление (у его поверхности) положительно заряженных катионов.
Поскольку ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, то электроды получаются окруженными двойным облаком ионов, имеющих противоположные заряды. Поэтому получается необычный плоский, но емкий конденсатор, расстояние между обкладками которого равно лишь радиусу иона. К примеру, для получения электрического поля напряженностью 1 000 000 В на обкладках такого конденсатора достаточно иметь разность потенциалов, равную 1 В.
Для предотвращения проникновения ионов между электродами расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет защитить прибор от внутреннего короткого замыкания.
Таким образом, широко известная сегодня аббревиатура EDLS (electric doublelayer capacitor) и обозначает ионистор как «конденсатор с двойным электрическим слоем.
1.9.2. Достоинства ионисторов
• Очень высокая емкость.
• Низкое внутреннее сопротивление.
• Высокая проводимость.
• Быстрый разряд.
• Длительный срок эксплуатации.
• Практически неограниченное количество циклов разряда.
• Низкая стоимость.
• Простота зарядки.
При этом ионисторы имеют ряд характерных особенностей:
• обладают высокой удельной плотностью энергии (ресурс соизмерим с ресурсом АКБ, в комплекте с которыми используются суперконденсаторы);
• имеют высокий КПД;
• практически не имеют утечки;
• не реагируют на изменение температуры.
Все это делает возможным их перспективное использование в автономных электрических системах, работающих на основе солнечных батарей, использования энергии прилива, а также ветрогенераторов.
Потенциал таких устройств поистине безграничен. Запас энергии и мощность можно рассчитать по формулам:
E = CU2/2 (Дж) и P = U2/4R (Вт),
где С – емкость, Ф; U – напряжение на электродах, В; R – эффективное последовательное сопротивление, Ом.
Внутреннее омическое сопротивление при +25 °C имеет порядок величины 5-15 МОм.
Внутреннее сопротивление R ионистора может быть рассчитано по формуле:
Rвн= U/|кз,
где Rвн – в Омах; U – напряжение на ионисторе, В; Iкз – ток короткого замыкания, А.
К примеру, для ионистора К58-3 зарубежный аналог DC-2R4D225 – Rвн= 10-100 Ом.
Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле:
C = I t / U,
где С – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, А; U – номинальное напряжение ионистора, В; t – время разрядки от Uном до нуля, с.
Или же по формуле:
C = S/d,
где d – толщина двойного электрического слоя (нм, обычно 5-10), а S – общая площадь поверхности электрода, состоящего из активированного угля.
Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы.
Электрод ионистора – по определению – представляет собой совокупность сверхбольшого количества частиц активированного угля, он имеет и огромную площадь поверхности, до 3000 см2/г.
Габариты некоторых ионисторов показаны на рисунках 1.49 и 1.50. К примеру, ионистор 1 Ф на напряжение 5,5 В (модель 1905V) выглядит так, как показано на рисунке 1.49.
