ионистор что это такое и где применяется
Ионистор
Устройство, характеристики и применение ионисторов
Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.
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.
К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:
Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;
Количество циклов заряд/разряд – более 100000;
Не требуют обслуживания;
Небольшой вес и габариты;
Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;
Работает в широком диапазоне температур (-40…+70°C). При температуре больше +70°C ионистор, как правило, разрушается;
Длительный срок службы.
К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.
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.
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.
Где применяются ионисторы?
Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC’s), микросхем памяти (RAM’s), КМОП-микросхем (CMOS’s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.
При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в «ждущем» режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!
Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.
Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.
Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. Rн – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).
Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.
Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?
Ионистор — что это такое и где применяется
Человечество с каждым днём всё более нуждается в качественных источниках резервного питания. Аккумуляторы – довольно сложные в обслуживании приборы и ограниченные в объёме электрического заряда. Требовался мощный накопитель электроэнергии. Такой прибор был изобретён. Ионистор – что это такое? Это суперконденсатор (Supercapacitor), электролит которого может состоять, как из органических, так и неорганических веществ. По функциональным возможностям ионистор можно определить не только как конденсатор, но и как химический источник тока.
Концепция
Ионистор большой ёмкости – это конденсатор, объём которого может составлять несколько фарад напряжением от 2 до 10 вольт. Накопителем заряда является двойной электрический слой (ДЭС) на линии соприкосновения электрода и электролита. Если обычные ёмкости измеряются в микро,- и пикофарадах, то становится понятно, что эти ионисторы являются суперконденсаторами. Концепция ионистора построена на том, что за счёт тонкости ДЭС и большой поверхности пористых обкладок и электродов удаётся достичь колоссального объёма заряда.
История изобретения ионистора
Американской компанией Дженерал Электрик в 1957 году был запатентован простой ионистор с ДЭС, электроды которого были сделаны из активированного угля. Теоретически предполагалось накопление энергии в порах поверхности электродов.
Уже в 1966 году компанией Стандарт Ойл Огайо был получен патент на компонент, который обеспечивал накопление энергии в ДЭС. Потерпев убытки, связанные с низкой реализацией ёмких конденсаторов, фирма передала права на изготовление этих устройств компании Nec. Новый владелец лицензии сумел значительно увеличить спрос на свою продукцию под названием суперконденсатор (Supercapacitor). Устройство значительно понизило энергозависимость электронной памяти, что стимулировало развитие компьютерных технологий.
1978 год ознаменовался появлением на рынке электротехники Золотого конденсатора (Gold Cap) ведущей японской электрокомпании Панасоник. Это уже было устройство более высокого качества. Ионисторы нашли своё применение в системах питания электронной памяти.
В том же году первое упоминание о том, что такое ионисторы в СССР, было опубликовано в пятом номере журнала «Радио». В статье был описан первый советский ионистор КИ1-1. Его устройство предполагало предельный объём заряда до 50 фарад. Недостатком суперконденсатора было его высокое внутреннее сопротивление (ВС), что препятствовало полноценной отдаче электрической энергии.
Суперконденсаторы с малым ВС появились только в 1982 году. Новая конструкция была разработана специалистами компании PRI для особо мощных схем, где применяют ионистор «PRI Ultracapacitor».
Важно! Прогресс в совершенствовании суперконденсаторов приведёт к тому, что ионисторы полностью заменят традиционные аккумуляторы.
Разновидности суперконденсаторов
Ионисторы делятся на три вида:
Сравнение положительных и отрицательных сторон
Ионисторы стали использовать не только, как преобразователи параметров электрической цепи, но и как поставщики электроэнергии. Они стали широко применяться вместо одноразовых аккумуляторных элементов питания в электронных системах хранения информации.
Обратите внимание! Несмотря на превосходные технические характеристики ионисторов, ими ещё нельзя полноценно заменить аккумулятор на автомобиле.
По сравнению с гальваническими элементами и аккумуляторами, ионисторы имеют свои недостатки и преимущества.
Недостатки
Достоинства
Материалы изготовления
Электроды традиционно изготавливают из активированного угля. В некоторых случаях используют вспененный металл. Именно эти материалы обладают повышенной пористостью, что необходимо для получения больших площадей поверхности. Это особенность позволяет хранить энергию в больших объёмах.
Плотность энергии
Ионисторы не отличаются повышенной плотностью энергии. У ионистора весом 500 граммов плотность энергии равна 20 кДж/кг. Это почти в 8 раз меньше показателя обычного кислотного аккумулятора. Однако этот параметр суперконденсаторов в несколько десятков раз превышает показатель простых конденсаторов.
Практическое использование ионисторов
Современные модели суперконденсаторов стали использоваться в сферах транспорта и бытовой электроники.
Транспортные средства
С недавнего времени в схему питания электротранспорта всё чаще стали встраивать мощные ионистры.
Тяжёлый и общественный транспорт
На улицах мегаполисов мира стали появляться электробусы. В Москве можно увидеть общественный транспорт, работающий на энергии бортовых ионисторов. Отечественные электрические автобусы вышли на городские маршруты столицы в мае нынешнего года.
На тяжёлых транспортных средствах суперконденсаторы используются как вспомогательный источник питания.
Автомобили
Ведущие производители электромобилей, такие как Тесла и Ниссан, пользуясь международными выставками, представляют каждый раз новые модели, системы питания которых построены на ионисторах. Российский опытный образец Ё-мобиль использует суперконденсатор как основной источник энергии.
Дополнительная информация. На автомобилях, работающих на жидком топливе, стали устанавливать ионисторы для обеспечения лёгкого пуска двигателя в условиях Крайнего Севера.
Автогонки
Для пропаганды и рекламы автомобилей, работающих на ионисторах, ведущие автоконцерны постоянно проводят автогонки на таких автомашинах. Зрители на таких мероприятиях проявляют большой интерес к перспективе развития электрического индивидуального транспорта.
Бытовая электроника
Суперконденсаторы стремительно ворвались в сферу бытовой электроники. Их можно заметить в блоках резервного питания ноутбуков, смартфонов. Ионисторы встроены в операционные блоки персональных компьютеров. Они предохраняют от потери данных во время аварийных отключений от постоянного источника электроэнергии.
Перспективы развития
Специалисты предсказывают повсеместную замену традиционного общественного транспорта на гибридные модели. Троллейбусы смогут преодолевать трудные участки дороги без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Учёные во всём мире ведут поиски новых материалов для изготовления сверхмощных суперконденсаторов.
Обозначение ионистора на схеме
Суперконденсаторы на схемах обозначают в виде прямоугольников или треугольников, в поле которых присутствуют две латинские литеры IC.
Ионистор своими руками
Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:
Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:
Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.
Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.
Видео
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
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
Условные обозначения:
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
На рисунке обозначены:
Параметры
Основные электрические характеристики ионисторов включают в себя:
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:
Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:
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
Типичная схема включения суперконденсаторов, как источников питания, показана на рисунке.
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:
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.
Данная схема может быть реализована на любом легковом автомобиле, где напряжение бортовой сети 12V, обозначения на рисунке:
В схеме используется суперконденсатор (маркировка: 12ПП-15/0,002), у которого следующие характеристики:
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.
Ионистор или суперконденсатор: применение и принцип работы
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
В отличие от стандартных конденсаторов ионистор не имеет диэлектрика, разделяющего электроды.
Электроды в комплексе с сепаратором и рабочей жидкостью (электролитом) установлены в герметично запакованном корпусе, к которому припаиваются точки вывода с указанием полярности. Форма и корпус ионистора может иметь разный размер и соответствовать параметрам обычных батареек. Такой модуль очень быстро теряет заряд и также быстро заряжается.
Применяют такие устройства в цифровых электронных приборах, в качестве дополнительного источника питания, что позволяет сохранить настройки аппаратуры при замене батареек.
Также суперконденсаторы применяют для работы таймеров на телевизоре, микроволновке и другой бытовой и аудиотехнике, а также медицинском оборудовании. Высокоемкостные ионисторы совместно с аккумуляторами способны питать электродвигатели.
Нередко ультраконденсаторы встраивают в микросхемы светодиодных фонарей. Заряжаться модуль может от солнечной энергии, накопленной в солнечных батарейках.
Как работает суперконденсатор
Принцип действия ультраконденсатора схож с обычным конденсатором, но комплектация внутреннего блока отличается материалами, из которых он изготовлен.
Контур делают из пористого материала, обладающего высокой электропроводимостью. Диэлектриком выступает электролит.
В электрохимическом конденсаторе электрозаряд накапливается при помощи формирования двойного слоя напряжения на электроде в момент адсорбции ионов из рабочей жидкости (электролита).
В основу функционирования ионистора заложен принцип разложения разной полярности потенциалов – на катоде создаются ионы с отрицательным зарядом, а на аноде – с положительным.
Когда электролит проходит сквозь сепаратор, который разделяет полярность ионов, предотвращается замыкание. Напряжение сохраняется в устройстве статистическим методом.
В течение небольшого временного отрезка суперконденсаторы способны накопить большой объем электроэнергии, что снижает время для их подзарядки.
Отдают устройства до 90% энергии, в отличие от аккумуляторов, которые способны отдать не больше 60%.
Электрический модуль изготавливают с охлаждением нескольких видов:
Виды устройств
Ультраконденсаторы производят нескольких видов:
Катоды выполнены из графена, который представляет двумерную модификацию молекулы углерода с распределением атомов в один ряд. Данный материал отличается стойкостью к химическим реакциям.
Преимущества и недостатки
Основные преимущества ультраконденсаторов:
Основные недостатки ионистора:
Ионисторы являются автономными источниками электропитания. Для микроэлектроники разрабатывают компактные устройства. В перспективе расширение сферы применения – автомобилестроение, мобильная техники, сфера связи.