Применение ионисторов схемы: Читать 👀 онлайн 📲 Занимательная электроника. Нешаблонная энциклопедия полезных схем

ИОНИСТОР В КАРМАНЕ | МОДЕЛИСТ-КОНСТРУКТОР

Предлагается простой карманный радиоприемник с низким напряжением питания от ионистора. Приемник выполнен полностью на транзисторах, так как низкое напряжение питания не позволяет использовать существующие микросхемы (например, 174ХА10). Приемник — прямого усиления, что обеспечивает достаточную громкость радиовещательных станций в диапазоне средних волн и работоспособность в диапазоне питающих напряжений от 2 до 0,9 В.

Можно в качестве источника питания использовать 1,5-вольтовые батареи. При работе на динамик ток в режиме сигнала составляет около 10 мА, на стереотелефоны (2×35 Ом) — не более 3 мА При зарядке ионистора до 2 В приемник работает на телефоны около 10 часов, а на динамик — около 2,5 часа до разрядки его до 0,9 В.

Прежде чем перейти к непосредственному описанию схемы и работы предлагаемого вниманию читателей приемника, хотелось бы несколько слов посвятить ионисторам, применение которых в данном приборе является одним из принципиальных моментов.

Устройство ионисторов, история их создания широко освещены в нашей технической литературе. Хотелось бы обратить внимание читателей на работу Н.Кочетова «Ионисторы», опубликованную в № 2 за 2001 г. журнала «Моделист-конструктор». Наряду с описанием принципов работы и конструкции в статье приводится информация о наиболее распространенных на тот период отечественных ионисторах производства ГОО «Гелион» из Рязани. В настоящее время ассортимент этих изделий значительно расширен, в том числе и за счет продукции ОАО «НИИ «ГИРИКОНД» из Санкт-Петербурга (см. табл.). Достаточно полный обзор практического применения ионисторов и их характеристик представлен в работе И.Алиева и С.Калгановой «Конденсаторы сверхвысокой энергоемкости или молекулярные конденсаторы» — Справочник, Москва, 2005 г.

Одним из замечательных свойств ионисторов является их быстрая зарядка: за несколько минут, вместо часов, как с обычными аккумуляторами. Например, для 100-фарадного ионистора достаточно 2 минут. И не надо иметь дело с кислотами, щелочами, дистиллированной водой, ареометром. Отпадает забота о вентиляции помещения зарядной станции: все-таки вредное производство.

На рисунке 1 приведена разработанная автором электросхема зарядного устройства для ионисторов, питающих карманные радиоприемники. Такое устройство должно выдерживать при подключении сильный бросок тока, поэтому в предлагаемой схеме применена сильнотоковая электроника. Выпрямительный мост — на диодах Д232, транзистор — П210А, стабилитрон — Д815А. Трансформатор мощностью 50 ватт. Номинал R4 не указан, так как он напрямую связан с применяемым электроизмерительным прибором. В предлагаемой конструкции использованы магнитоэлектрический миллиамперметр М4202 с током полного отклонения стрелки 5 мА и резистор сопротивлением 1 К.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема зарядного устройства для ионисторов

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема карманного радиоприемника с низким напряжением питания от ионистора

А теперь, освежив свои знания об ионисторах и располагая зарядным устройством к ним, обратим свое внимание на вышеупомянутый карманный приемник. Его принципиальная электросхема представлена на рисунке 2. Прием ведется на магнитную антенну WА1, состоящую из антенной катушки L1 и катушки связи L2, размещенных на ферритовом стержне марки 400НН длиной 160 и диаметром 8 мм. Обе катушки намотаны проводом ПЭВТЛ-2 диаметром 0,18 мм. И имеет 75 витков, индуктивность 340 мкГн ±10%, 1.2— 7 витков. Эта антенна и подстроенный конденсатор С1 взяты от радиоприемника «Селга 404» (используется одна секция сдвоенного блока переменных конденсаторов). С катушки связи L2 сигнал поступает на вход трехкаскадного усилителя высокой частоты (УВЧ). В каждом каскаде УВЧ, выполненном на транзисторах VТ1 — VТ3, введена отрицательная обратная связь по напряжению подключением базовых резисторов R1, R3, R5 к коллекторам транзисторов. С нагрузки последнего каскада УВЧ резистора R6 через конденсатор С5 сигнал поступает на детекторный каскад по схеме удвоения на диодах VD1, VD2.

Конденсатор С6 служит для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала. С выхода детекторного каскада сигнал поступает на регулятор громкости R7, спаренный с выключателем питания SА1, а оттуда через конденсатор С7 — на первый каскад усиления низкой частоты (УНЧ), выполненный на транзисторе VТ4. Поскольку напряжение питания низкое, то второй двухтактный каскад УНЧ выполнен на составных транзисторах VТ5VТ7, VТ6VТ8. Динамическая головка ВА взята от приемника «Селга 404-0,25ГД10». На схеме показана возможность подключения миниатюрного головного телефона ТМ-4 (автор применил, как указано в начале статьи, стереотелефоны).

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (суперконденсаторы, ионисторы)

Питается приемник от сборки 10 ионисторов по 10 фарад каждый, рассчитанных на напряжение 2,3 В, подключенных параллельно. Итого — 100 фарад. В целях упрощения на схеме сборка ионисторов С9 показана как один ионистор. Зарядка такой сборки ионисторов занимает практически 2 минуты.

В рамке — полная надпись на корпусе одного ионистора.

Конденсаторы можно взять типа КМ, КЛС; резисторы — ОМЛТ-0,125; диоды — любые из серии Д9.

Налаживание приемника начинают с УНЧ. Подбором резистора R8 устанавливают на коллекторах транзисторов VT7, VТ8 напряжение, равное половине напряжения питания. Высокочастотные транзисторы можно взять любые и, подрабатывая величиной базовых резисторов R1, R3, R5, «вгонять» в режим каждый каскад УВЧ.

Монтаж размещен на двух стеклотекстолитовых платах: УВЧ с детекторным каскадом на одной и УНЧ — на другой в виде макросхем с возможностью замены той или другой или обеих на экономичные микросхемы, работающие от низких напряжений с появлением таковых. Корпус приемника взят от «Селги 402».

При разработке приемника был использован однолучевой осциллограф С1-49, высокочастотный генератор сигналов Г4-117.

С. ЛЕВЧЕНКО, г. Санкт-Петербург

Рекомендуем почитать

• ВЕРХОМ НА ВЕНТИЛЯТОРЕ
  Машины и аппараты на воздушной подушке (МВП и АВП) с каждым годом все больше привлекают внимание конструкторов всего мира. И это неудивительно. Использование заложенного в них принципа,…
• ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА
  Резка металла углекислотным лазером – это процесс, при котором материалы режутся с помощью сфокусированного, высокоэнергетического луча света, который генерируется углекислотным лазером. …

2.1.4. Ионисторы — особые конденсаторы. Электронные самоделки

2.1.4. Ионисторы — особые конденсаторы

Ионисторы — это оксидные конденсаторы большой общей емкости (в несколько десятков и сотен фарад, рассчитанные на рабочее напряжение 10…50 В). В современных усилителях применение ионисторов оправдано в качестве фильтрующих элементов по питанию. Эквивалент электрической схемы ионистора в последовательном соединении (в прямом направлении) кремниевого диода, ограничительного резистора, конденсатора большой емкости (отрицательная обкладка подключена к общему проводу) и параллельно ему R_напр. Как примеры ионисторов — распространенные приборы К58-3 и К58-9.

Третий элемент в обозначении конденсатора — порядковый номер разработки: (П — для работы в цепях постоянного и переменного тока, Ч — для работы в цепях переменного тока, У — для работы в цепях переменного тока и в импульсных режимах, И — для работы в импульсных режимах).

Из старых типов, которые еще можно встретить в отечественных усилителях выпуска 1980…1990 гг.

встречаются обозначения: КД — конденсаторы дисковые, КМ — конденсаторы керамические монолитные, КЛС — керамические литые секционные, КСО — конденсаторы слюдяные опрессованные, СГМ — слюдяные герметизированные малогабаритные, КБГИ — бумажные герметизированные изолированные, МБГЧ — металлобумажные герметизированные высокочастотные, КЭГ — электролитические герметизированные, ЭТО — электролитические танталовые объемно-пористые.

Типы (КД, КЛС, КСО, КГМ, КБГИ, МБГЧ, КЭГ) в усилителях желательно не применять по причине их иного предназначения и повышенным внутренним шумам.

Конденсаторы, как и постоянные резисторы, разделяются по группам допуска отклонения от номинальной емкости. Эти данные сведены в табл. П2.7. В табл. П2.8 представлены данные буквенного обозначения напряжения (маркировки) на конденсаторах.

Малогабаритные конденсаторы с малой величиной допуска (0,001…10 %), рекомендуемые к применению в высококачественных усилителях, маркируются шестью цветовыми кольцами на корпусе.

Первые три кольца — численная величина емкости в пикофарадах (пФ), четвертое кольцо — множитель, пятое — допуск, шестое — ТКЕ.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) характеризует относительное изменение емкости от номинального значения при изменении температуры окружающей среды. Буквенное обозначение ТКЕ может быть: М — отрицательное, П — положительное, МП — близким к нулю, Н — не нормируется. Следующие за буквой Н цифры определяют допустимые изменения емкости в интервале рабочих температур. У слюдяных конденсаторов ТКЕ обозначен первой буквой на корпусе, у керамических — каждой группе соответствует определенный цвет корпуса или цветовая точка на корпусе. В усилителях керамические конденсаторы группы «Н» по ТКЕ применяют в качестве шунтирующих, фильтровых элементов и для связи между каскадами на низкой частоте сигнала. Как и любые проводники, конденсаторы обладают некоторой индуктивностью. Чем больше емкость и размеры обкладок конденсаторов, тем больше паразитная индуктивность.

Зарубежные производители конденсаторов не имеют единой системы обозначения своих приборов. Конденсаторы малой емкости используются в усилительной технике в качестве разделительных между каскадами усилителя. Не желательно для этой цели применять лакопленочные, пленочные, металлопленочные и однослойные металлобумажные конденсаторы, т. к. при эксплуатации на малых (менее 1 В) напряжениях у данных типов наблюдается нестабильность сопротивления изоляции.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Батарея 12В/100А на суперконденсаторах

Суперконденсатор (он же ионистор) – это почти тот же конденсатор, только большой емкости, сравнимой с аккумулятором. Я сделал батарею 12 В из таких ионисторов, которою вполне можно использовать в различных устройствах. И будет она служить дольше в определенных режимах по сравнению с аккумуляторами любого типа, и вот почему суперконденсатор тут выигрывает:

• – не боится полного разряда «в ноль»;
  
• – в 100, а может 1000 раз больше выдерживает циклов «заряд/разряд»;
  
• – не боится критических перегрузок по току.

И это ещё не все. Продолжу после сборки батареи.

Понадобится

Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
Расходники: припой, флюс.

Изготовление батареи из ионисторов

Будем делать батарею из 8 ионисторов, включенных встречно-параллельно. А именно будет 4 пары из двух параллельно включенных конденсаторов, включенных последовательно.

Лакированную медную проволоку нужно выпрямить и очистить от лака. Сделать это можно с помощью канцелярского ножа.

Сгибаем проволоку в соединительные элементы.

Нужно сделать три квадрата и два полюса.

К полюсам, как на настоящей батареи, припаиваем гайки для подключения.

Лудим уголки квадратиков.

Собираем батарею, припаиваем соединители к ионисторам, не путая полярность.

Сначала собираем 4 группы.

А затем припаиваем полюса.

Заряжаем током 5 Ампер.

Через пять минут батарея полностью заряжена.

Проверяем лампой.

Замыкаем проволокой – раскалилось до красна.

Подключаем электродвигатель.

Где применить

А применить такую батарею можно там, где есть высокие и кратковременные нагрузки по току. Идеальный пример: накопительный конденсатор для сабвуфера в машину.
Также батарея пригодится там, где имеются частые циклы заряда и разряда: в виде аккумулятора для накопления энергии от солнечных батарей, и полной ее отдаче в ночное время фонарям.
Это лишь два варианта использования, но их гораздо больше.
Стоят они даже на Али Экспресс (ссылка) относительно не дорого, учитывая громадный срок их службы при использовании по назначению.

Смотрите видео

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы » что это такое, их устройство и работа.

Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) — это электрические устройства в которых накапливается заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред — электролитом и электродами. Вся энергия в данных устройствах имеется в виде статического электрозаряда. Накопление электроэнергии происходит за счёт приложения постоянного напряжения на его внешние выводы. Проще говоря — это простые конденсаторы, которые в отличие от обычных, имеют очень большую емкость (исчисляемую в фарадах).

Как Мы с Вами знаем, обычные конденсаторы имеют внутри обкладки из фольги, что разделены диэлектриком. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), это уже своеобразное объединение работы емкости с электрохимической батареей.

В ионисторе используется специальный электролит и обкладки. В основном увеличение общей ёмкости ионистора происходит за счёт использования материалов имеющих очень большую собственную поверхностную площадь.

У ионистора обкладки бывают следующих типов: на основе активированного угля, проводящих полимеров и оксидов металлов. Применение сверхпористых угольных материалов даёт возможность получить общую плотность емкости в пределах 10 Фарад/см3 и даже больше. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) на основе актив. угля получаются более экономичными при своём изготовлении. Их также называют ещё DLC-конденсаторами либо двухслойными, так как электрический заряд накапливается в двойном слое, что образуется на поверхности самой обкладки ионистора.

Что касается электролита ионисторов, он может быть водным или органическим. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), что содержат водный электролит, обладают довольно малым внутренним сопротивлением, но, есть также и значительный минус водного электролита, напряжение заряда для них ограничено до 1 Вольта.

Ионисторы на органическом электролите обладает наиболее большим сопротивлением, зато они способены к работе с напряжением заряда 2-3 В.

Поскольку для питания электронных схем используется обычно более высокие напряжения, чем у ионистора, то для получения нужного значения их соединяют последовательно. Как Мы знаем, что величина обычных емкостей конденсаторов измеряется в приделах от пикофарад до микрофарад. Емкость ионисторов (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) измеряется уже в фарадах (в одном фараде миллион микрофарад). В ионисторах возможно достичь плотности мощности на массу рабочего вещества от 1 до 10 Вт/кг. Это больше, чем у обычных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.

К основным недостаткам ионистора (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) можно отнести его постоянное линейное снижение напряжения в течение всего времени его работы до полного разряда (за один цикл заряда и разряда). Из-за этого ионисторы не способны удерживать полный заряд. Общая степень его заряда исчисляется в процентах и будет зависеть, в первую очередь, от того, какое напряжение к нему изначально будет приложено.

Если ионистор заряжен до напряжения 8 вольт, а схема нормально может работать с минимальным напряжением 4 вольта, то получается, что используемый заряд составляет всего 50%. Оставшаяся электроэнергия в ионисторе оказывается совершенно бесполезной. Для увеличения степени использования накопленной энергии в ионисторе применяют различные виды преобразователей, но и этот путь неидеален, поскольку ведёт к удорожанию всей системы на 10-15%. Плюс, значительно снижается КПД.

Применение ионисторам нашлось в электропитании микросхем памяти, использование в цепях фильтрации. Они также хорошо работают в паре с батареями с целью защиты их от внезапных перепадов электрического тока нагрузки: при малых токах электрической нагрузки батарея работает на подзарядку ионистора, а как только произойдёт скачек тока, ионистор выдаст накопленную электроэнергию, в итоге значительно снижается общая нагрузка на батарею.

Перечень преимуществ ионисторов:

• малое внутреннее сопротивление
• большой срок службы
• нет ограничений по количеству циклов заряд/разряд
• относительно малая стоимость
• довольно широкий диапазон рабочих температур: от -25 до +70 °С
• быстрый процесс заряда и разряда
• работа при любом напряжении, что не превышает номинального
• использование простых способов заряда
• отсутствие контроля за режимом заряда

Перечень недостатков ионисторов:

• довольно малая энергетическая плотность
• не может обеспечить достаточного накопления электроэнергии
• весьма низкое напряжение на одной единицы элемента
• высокая степень саморазряда

P. S. Данная разновидность электрических устройств находится между классом источников электропитания и элементов электрических схем, так как с одной стороны он ближайший родственник обычным конденсаторам, а с другой, обладает свойствами электроисточника.

Все о конденсаторах

Конденсатор — двухполюсник с постоянным или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S – площадь пластин в квадратных метрах, d – расстояние между пластинами в метрах, C – емкость в фарадах, ε – диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или электрического кабеля. Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод–лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC – цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки – тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Электролитический конденсатор

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают электролитические конденсаторы. Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда – разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор – ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый ионистор. По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе – изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока.

Ранее ЭлектроВести писали, что в новом исследовании ученые создали микропленочный ультратонкий конденсатор для накопления энергии, который может приклеиваться к поверхности как стикер. Батарея прикрепляется с помощью ультракоротких лазерных импульсов, которые частично расплавляют ее, позволяя удерживаться почти на любой поверхности.

По материалам: electrik.info.

сантифарад [сФ] в мегафарад [МФ] • Электрическая емкость • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Сенсорный экран этого планшета выполнен с использованием проекционно-емкостной технологии.

Общие сведения

Измерение емкости конденсатора номинальной емкостью 10 мкФ с помощью осциллографа-мультиметра

Электрическая емкость — это величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд, равная отношению электрического заряда к разности потенциалов между проводниками:

C = Q/∆φ

Здесь Q — электрический заряд, измеряется в кулонах (Кл), — разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (Ф). Данная единица измерения названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

Фарад является очень большой емкостью для изолированного проводника. Так, металлический уединенный шар радиусом в 13 радиусов Солнца имел бы емкость равную 1 фарад. А емкость металлического шара размером с Землю была бы примерно 710 микрофарад (мкФ).

Так как 1 фарад — очень большая емкость, поэтому используются меньшие значения, такие как: микрофарад (мкФ), равный одной миллионной фарада; нанофарад (нФ), равный одной миллиардной; пикофарад (пФ), равный одной триллионной фарада.

В системе СГСЭ основной единицей емкости является сантиметр (см). 1 сантиметр емкости — это электрическая емкость шара с радиусом 1 сантиметр, помещенного в вакуум. СГСЭ — это расширенная система СГС для электродинамики, то есть, система единиц в которой сантиметр, грам, и секунда приняты за базовые единицы для вычисления длины, массы и времени соответственно. В расширенных СГС, включая СГСЭ, некоторые физические константы приняты за единицу, чтобы упростить формулы и облегчить вычисления.

Использование емкости

Конденсаторы — устройства для накопления заряда в электронном оборудовании

Условные обозначения конденсаторов на принципиальных схемах

Понятие электрической емкости относится не только к проводнику, но и к конденсатору. Конденсатор — система двух проводников, разделенных диэлектриком или вакуумом. В простейшем варианте конструкция конденсатора состоит из двух электродов в виде пластин (обкладок). Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухэлектродный прибор для накопления заряда и энергии электромагнитного поля, в простейшем случае представляет собой два проводника, разделённые каким-либо изолятором. Например, иногда радиолюбители при отсутствии готовых деталей изготавливают подстроечные конденсаторы для своих схем из отрезков проводов разного диаметра, изолированных лаковым покрытием, при этом более тонкий провод наматывается на более толстый. Регулируя число витков, радиолюбители точно настраивают контура аппаратуры на нужную частоту. Примеры изображения конденсаторов на электрических схемах приведены на рисунке.

Параллельная RLC-цепь, состоящая из резистора, конденсатора и катушки индуктивности

Историческая справка

Еще 275 лет назад были известны принципы создания конденсаторов. Так, в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку» — в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, а обкладками служили вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Такая «банка» позволяла накапливать заряд порядка микрокулона (мкКл). После того, как ее изобрели, с ней часто проводили эксперименты и публичные представления. Для этого банку сначала заряжали статическим электричеством, натирая ее. После этого один из участников прикасался к банке рукой, и получал небольшой удар током. Известно, что 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, с ужасом вскрикнули.

В Россию «лейденская банка» пришла благодаря русскому царю Петру I, который познакомился с Мушенбруком во время путешествий по Европе, и подробнее узнал об экспериментах с «лейденской банкой». Петр I учредил в России Академию наук, и заказал Мушенбруку разнообразные приборы для Академии наук.

В дальнейшем конденсаторы усовершенствовались и становились меньше, а их емкость — больше. Конденсаторы широко применяются в электронике. Например, конденсатор и катушка индуктивности образуют колебательный контур, который может быть использован для настройки приемника на нужную частоту.

Существует несколько типов конденсаторов, отличающихся постоянной или переменной емкостью и материалом диэлектрика.

Примеры конденсаторов

Оксидные конденсаторы в блоке питания сервера.

Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.

Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам. Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.

Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение. Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.

Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.

Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ). Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.

В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).

Маркировка конденсаторов

Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.

Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.

Оксидный конденсатор собран из двух алюминиевых лент и бумажной прокладки с электролитом. Одна из алюминиевых лент покрыта слоем оксида алюминия и служит анодом. Катодом служит вторая алюминиевая лента и бумажная лента с электролитом. На алюминиевых лентах видны следы электрохимического травления, позволяющего увеличить их площадь поверхности, а значит и емкость конденсатора.

Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.

Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия. Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.

Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.

Трехсекционный воздушный конденсатор переменной емкости

Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.

Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.

Имеются и другие типы конденсаторов.

Ионисторы

В наши дни популярность набирают ионисторы. Ионистор (суперконденсатор) — это гибрид конденсатора и химического источника тока, заряд которого накапливается на границе раздела двух сред — электрода и электролита. Начало созданию ионисторов было положено в 1957 году, когда был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах. Двойной слой, а также пористый материал помогли увеличить емкость такого конденсатора за счет увеличения площади поверхности. В дальнейшем эта технология дополнялась и улучшалась. На рынок ионисторы вышли в начале восьмидесятых годов прошлого века.

С появлением ионисторов появилась возможность использовать их в электрических цепях в качестве источников напряжения. Такие суперконденсаторы имеют долгий срок службы, малый вес, высокие скорости зарядки-разрядки. В перспективе данный вид конденсаторов может заменить обычные аккумуляторы. Основными недостатками ионисторов является меньшая, чем у электрохимических аккумуляторов удельная энергия (энергия на единицу веса), низкое рабочее напряжение и значительный саморазряд.

Ионисторы применяются в автомобилях Формулы-1. В системах рекуперации энергии, при торможении вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в маховике, аккумуляторах или ионисторах для дальнейшего использования.

Электромобиль А2В Университета Торонто. Общий вид

В бытовой электронике ионисторы применяются для стабилизации основного питания и в качестве резервного источника питания таких приборов как плееры, фонари, в автоматических коммунальных счетчиках и в других устройствах с батарейным питанием и изменяющейся нагрузкой, обеспечивая питание при повышенной нагрузке.

В общественном транспорте применение ионисторов особенно перспективно для троллейбусов, так как становится возможна реализация автономного хода и увеличения маневренности; также ионисторы используются в некоторых автобусах и электромобилях.

Электромобиль А2В Университета Торонто. Под капотом

Электрические автомобили в настоящем времени выпускают многие компании, например: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Университет Торонто совместно с компанией Toronto Electric разработали полностью канадский электромобиль A2B. В нем используются ионисторы вместе с химическими источниками питания, так называемое гибридное электрическое хранение энергии. Двигатели данного автомобиля питаются от аккумуляторов весом 380 килограмм. Также для подзарядки используются солнечные батареи, установленные на крыше электромобиля.

Емкостные сенсорные экраны

В современных устройствах все чаще применяются сенсорные экраны, которые позволяют управлять устройствами путем прикосновения к панелям с индикаторами или экранам. Сенсорные экраны бывают разных типов: резистивные, емкостные и другие. Они могут реагировать на одно или несколько одновременных касаний. Принцип работы емкостных экранов основывается на том, что предмет большой емкости проводит переменный ток. В данном случае этим предметом является тело человека.

Поверхностно-емкостные экраны

Cенсорный экран iPhone выполнен по проекционно-емкостной технологии.

Таким образом, поверхностно-емкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом. В качестве резистивного материала обычно применяется имеющий высокую прозрачность и малое поверхностное сопротивление сплав оксида индия и оксида олова. Электроды, подающие на проводящий слой небольшое переменное напряжение, располагаются по углам экрана. При касании к такому экрану пальцем появляется утечка тока, которая регистрируется в четырех углах датчиками и передается в контроллер, который определяет координаты точки касания.

Преимущество таких экранов заключается в долговечности (около 6,5 лет нажатий с промежутком в одну секунду или порядка 200 млн. нажатий). Они обладают высокой прозрачностью (примерно 90%). Благодаря этим преимуществам, емкостные экраны уже с 2009 года активно начали вытеснять резистивные экраны.

Недостаток емкостных экранов заключается в том, что они плохо работают при отрицательных температурах, есть трудности с использованием таких экранов в перчатках. Если проводящее покрытие расположено на внешней поверхности, то экран является достаточно уязвимым, поэтому емкостные экраны применяются лишь в тех устройствах, которые защищены от непогоды.

Проекционно-емкостные экраны

Помимо поверхностно-емкостных экранов, существуют проекционно-емкостные экраны. Их отличие заключается в том, что на внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод, к которому прикасаются, вместе с телом человека образует конденсатор. Благодаря сетке, можно получить точные координаты касания. Проекционно-емкостный экран реагирует на касания в тонких перчатках.

Проекционно-емкостные экраны также обладают высокой прозрачностью (около 90%). Они долговечны и достаточно прочные, поэтому их широко применяют не только в персональной электронике, но и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Автор статьи: Sergey Akishkin, Tatiana Kondratieva

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Фирма Mazda разработала гибрид с двигателем Ванкеля — ДРАЙВ

Новый патент открывает путь для возвращения двигателя Ванкеля (цифра 3 на схеме) в качестве основного, но не гарантирует, что это непременно случится.

Компания Mazda запатентовала в Японии необычную схему полноприводного гибрида, использующего роторно-поршневой двигатель Ванкеля (РПД). Размещён ДВС спереди продольно, со смещением вглубь колёсной базы. К валу ДВС присоединён 48-вольтовый основной тяговый электромотор мощностью 25 кВт (34 л.с.) и с максимальным крутящим моментом в 200 Н•м. Сообща они передают тягу на трансмиссионный вал, который завершается сцеплением, некоей ступенчатой коробкой передач (её тип не уточнён), дифференциалом и полуосями. Основные ведущие колёса в большинстве ситуаций — задние.

На этой схеме ДВС показан под номером 3, основной электромотор — 5, трансмиссионный вал — 4а, сцепление — 4b, коробка передач — 4c. Дифференциал и задние полуоси не отражены.

В качестве главного накопителя энергии применена 48-вольтовая литиево-ионная батарея с относительно скромной вместимостью в 3,5 кВт•ч. Она расположена под днищем в центре машины (цифра 6 на схеме). В передние же колёса встроены 17-киловаттные (23 л.с.) вспомогательные 120-вольтовые электромоторы (номер 10) с крутящим моментом 200 Н•м каждый. Одна из главных идей всего проекта — комбинированное применение литиево-ионного аккумулятора и блока суперконденсаторов (CAP или цифра 7 на схеме вверху). Ионисторы не обладают большим запасом энергии на единицу веса, зато у них очень высокая мощность. Они питают передние электромоторы, когда возникает необходимость, например, при динамичной езде на больших скоростях.

Поскольку блок суперконденсаторов расположен под капотом как можно ближе к передним электромоторам (на рисунке), уменьшается длина и вес высоковольтной проводки, отмечают разработчики.

Кратковременно от суперконденсаторов может запитываться и основной электродвигатель. Они же берут на себя рекуперацию энергии, поскольку и принимаемая от внешних источников мощность у них тоже велика. А вот после зарядки суперконденсаторов те понемногу могут подпитывать и литиевую батарею, а она отдавать ток в нагрузку по мере необходимости. Вся эта комбинация узлов обладает низкой массой, в сравнении с другими гибридными системами, обеспечивающими полный привод, уверяют японцы.

По замыслу разработчиков, описанная гибридная схема может работать и с обычным поршневым ДВС (рядным или V-обраным) вместо двигателя Ванкеля. При этом ионисторы ставятся в развал блока. Однако в патенте сделано уточнение, что РПД предпочтительнее из-за малого веса и небольших размеров.

Добавим, что Mazda уже патентовала оригинальную схему использования маленького РПД в качестве бортового генератора (не связанного с колёсами) и неофициальные источники предсказывают внедрение такого «расширителя дальности хода» на электрокаре MX-30. О возможном воплощении в жизнь новой гибридной схемы пока ничего не слышно. Однако, памятуя о продольной компоновке нового гибрида, стоит вспомнить, что Mazda разработала заднеприводную платформу с продольным расположением ДВС.

Суперконденсаторы: основы и применение | Основы для начинающих

Энергетический кризис и загрязнение окружающей среды послужили толчком к развитию систем хранения чистой и возобновляемой энергии. Суперконденсаторы, также называемые ультраконденсаторами или электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC), обеспечивают очень высокую емкость в небольшом корпусе. Он накапливает электрическую энергию в виде электрического поля между двумя проводящими пластинами и может выполнять на сотни тысяч циклов заряда-разряда больше, чем батареи, потому что они не подвержены износу, связанному с химической реакцией.По этой причине и его более широкое использование в электроприводах, ИБП, активных фильтрах, тяговых и автомобильных приводах привлекло внимание, чтобы узнать его особенности.

Конструкция суперконденсатора

Прежде чем мы перейдем к работе суперконденсаторов, давайте сначала разберемся со структурой суперконденсатора.

Рис. 1. Сечение суперконденсатора

Он не состоит из диэлектрического материала, как керамические конденсаторы или электролитические конденсаторы.Как показано на рисунке 1, суперконденсаторы состоят из двух пористых электродов, электролита, сепаратора и токосъемников. Давайте посмотрим на каждый из них.

Токосъемник:

Токосъемники изготавливаются из металлической фольги, как правило, из алюминия, так как она дешевле титана, платины и т. Д. Они покрыты электродным материалом.

Электроды:

Значение емкости пропорционально площади поверхности электрода. Обычно в качестве электродного материала используют высокопористый активный углерод с порошковым покрытием или углеродные нанотрубки.Пористая природа материала позволяет хранить гораздо больше носителей заряда (ионов или радикалов из электролита) в заданном объеме. Это увеличивает значение емкости суперконденсаторов. Электроды нанесены на токосъемник и погружены в электролит.

Электролит:

Электролит является ключевым фактором при определении внутреннего сопротивления (ESR). Раствор электролита должен быть водным или неводным по своей природе. Наиболее предпочтительны неводные электролиты, поскольку они обеспечивают высокое напряжение на клеммах V.Неводный раствор состоит из проводящих солей, растворенных в растворителях. Наиболее предпочтительными растворителями являются ацетонитрил или пропиленкарбонат. В качестве растворенных веществ можно использовать ионы тетраалкиламмония или лития.

Разделитель:

Разделитель находится между электродами и изготовлен из прозрачного для ионов материала, но является изолятором для прямого контакта между пористыми электродами во избежание короткого замыкания.

Конструкция суперконденсатора уникальна и поэтому отличается от обычных батарей и конденсаторов.Использование активированного угля увеличивает площадь поверхности и, следовательно, увеличивает значение емкости. Электролит с низким внутренним сопротивлением увеличивает удельную мощность. Оба эти фактора вместе обеспечивают способность суперконденсаторов быстро накапливать и выделять энергию. Мощность суперконденсатора [Вт] дается выражением,

P = V ² / 4R
, где V [Вольт] – рабочее напряжение, а R [Ом] – внутреннее сопротивление.

Накопление энергии в суперконденсаторах

При подаче напряжения начинается зарядка, это означает, что электрическое поле начинает развиваться.Давайте разберемся в процессе зарядки, используя рисунки 2 и 3.

Процесс начисления выглядит следующим образом:

При подаче напряжения каждый коллектор притягивает ионы противоположного заряда.
Ионы электролита собираются на поверхности двух токосъемников.
Заряд создается на каждом токоприемнике.
Как мы видим на рисунке 3, были сформированы два отдельных слоя заряда, поэтому суперконденсатор также называется двухслойным электрическим конденсатором (EDLC).

Теперь мы сможем понять процесс разрядки, снова обратившись к рисунку 3 и рисунку 4.

Процесс выписки следующий:

• Ионы больше не притягиваются к токосъемникам.
• Ионы распределяются через электролит.
• Уменьшается заряд на обоих токоприемниках.

Преимущества суперконденсаторов

• Использование активированного угля увеличивает значение емкости, поэтому суперконденсаторы имеют большую емкость хранения энергии по сравнению с электролитными конденсаторами и батареями.
• Длительный срок хранения по сравнению с батареями. В батареях энергия накапливается и высвобождается в результате химической реакции внутри материала электрода, которая вызывает деградацию.
• Суперконденсаторы могут заряжаться за короткое время и обеспечивать высокие и частые пики потребления энергии.
• Суперконденсаторы обладают высокой плотностью мощности и могут обеспечивать значительный всплеск мощности в течение короткого времени.

Применение суперконденсаторов

Благодаря уникальной емкости суперконденсаторов, он широко используется в различных приложениях, таких как электроприводы, ИБП, тяга, электромобили, твердотельные накопители, светодиодные фонарики и т. Д.Обсудим некоторые из них.

Гибридные автобусы

Транспорт – крупнейший рынок суперконденсаторов. В Индии в конце месяца, в октябре 2017 года, компания BEST (Brihan Electric Supply and Transport) представила безэмиссионные электрические автобусы. Ранее в этом документе мы обсуждали, что суперконденсаторы быстро заряжаются. Батареям нужно время, чтобы зарядиться. При торможении двигателями вырабатывается обратная ЭДС. Эта обратная ЭДС в качестве регенеративной энергии используется для зарядки суперконденсаторов.Суперконденсаторы как комбинированное решение с аккумулятором увеличивают срок службы аккумулятора, уменьшают размер аккумулятора.

Суперконденсаторы

: свойства и применение – ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.est.2018.03.012Получить права и контент

Основные характеристики

•

Суперконденсаторы обладают интересными свойствами в отношении хранения электроэнергии, так как альтернатива батареям.

•

Суперконденсаторы могут выдерживать очень высокие токи.

•

Суперконденсаторы имеют низкую удельную энергию по отношению к единице веса и объема.

•

Цена за единицу энергии (кВтч) чрезвычайно высока.

Реферат

Накопление и хранение энергии – одна из важнейших тем в наше время. В данной статье представлена ​​тема суперконденсаторов (СК) как накопителей энергии. Суперконденсаторы представляют собой альтернативу обычным электрохимическим батареям, в основном широко распространенным литий-ионным батареям.По физическому механизму и принципу действия суперконденсаторы ближе к батареям, чем к конденсаторам. Их свойства находятся где-то между батареями и конденсаторами. Они способны быстро поглощать большое количество энергии (меньшее, чем в случае батарей – меньшая плотность энергии с точки зрения веса и объема), и их реакция на зарядку медленнее, чем в случае керамических конденсаторов. Наиболее распространенным типом суперконденсаторов является конденсатор с двойным электрическим слоем (EDLC). Другими типами суперконденсаторов являются литий-ионные гибридные суперконденсаторы и псевдо-суперконденсаторы.Тип EDLC использует диэлектрический слой на границе раздела электрод – электролит для хранения энергии. Он использует электростатический механизм хранения энергии. Два других типа суперконденсаторов работают с электрохимическими окислительно-восстановительными реакциями, а энергия накапливается в химических связях химических материалов. Эта статья представляет собой краткое введение в область знаний о суперконденсаторах.

Ключевые слова

Суперконденсатор

Энергия

Накопитель

Псевдо-суперконденсатор

Гибридный суперконденсатор

Литий

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Просмотреть полный текст

© 2018 Else Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Выбор подходящего суперконденсатора для вашего приложения

Батареи и суперконденсаторы часто сравнивают по их энергии и мощности . Батареи имеют более высокую плотность (что означает, что они могут хранить больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (что означает, что они могут высвобождать энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы лучшими для более быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются мастерами для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Суперконденсаторы

имеют гораздо более высокие значения емкости по сравнению с другими конденсаторами (но более низкие пределы напряжения), поэтому они, по сути, являются мостом между конденсаторами и батареями. Они могут хранить намного больше энергии на единицу массы по сравнению с конденсаторами. Благодаря тому, что они работают электростатически, их можно заряжать и разряжать любое количество раз. Поскольку они имеют низкое внутреннее сопротивление по сравнению с батареями, они работают с эффективностью около 98%.

Лучше всего подходят суперконденсаторы для резервных устройств для отключения питания микрокомпьютеров и RAM, интеллектуальных счетчиков, сетевых устройств POE, систем сигнализации, насосов нагревателя и т. Д.В зависимости от резервного тока источника питания суперконденсаторы имеют разное время поддержки. На картинке ниже показано основное приложение.

Решение KEMET

Перед выбором конденсатора необходимо определить следующие параметры.

• необходимое время поддержки
• требуется резервный ток
• минимальное и максимальное рабочее напряжение
• рабочая температура
• необходимые размеры
• тип монтажа (поверхностный или сквозной)

Пример проекта

Заказчику потребуется суперконденсатор, способный выдержать 150 часов резервного питания при следующих условиях:

➢ 𝑽𝒎𝒊𝒏 = 2.5 В
➢ 𝑽𝒎𝒂𝒙 = 5,5 В
➢ 𝑰𝒃𝒂𝒄𝒌𝒖𝒑 = 540𝑛𝐴
➢ требуемое время поддержки T> 150 часов,
➢ Температура окружающей среды 85 ° C + дополнительная система охлаждения (-15 ° C) ➢ Требуется суперконденсатор SMD

Раствор:

Основное уравнение для требуемой емкости:

После расчета всех остальных параметров заказчику, похоже, понадобится суперконденсатор с емкостью около 0,1Ф.
Kemet предлагает суперконденсаторы следующей серии:

Поскольку наша серия FC – единственная серия с монтажом SMD, нам придется выбрать эту серию.

Согласно нашему каталогу, максимальное рабочее напряжение для этой серии составляет 5,5 В постоянного тока, что соответствует максимальному рабочему напряжению.
Поскольку серия FC имеет температуру до 70 ° C, необходимо будет применить дополнительное охлаждение к системе.

Наиболее логично выбрать FC0h204ZFTBR24 с разрядным конденсатором 0,1Ф.

НО !!

Есть дополнительные параметры, которые необходимо учитывать при выборе правильного суперконденсатора.

➢ Падение напряжения

Падение напряжения суперконденсатора определяется сопротивлением постоянному току и резервным током.Значения сопротивления постоянному току для каждого номера детали приведены в наших таблицах данных.

Приблизительное падение напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

Где 𝑹𝑫𝑪 – сопротивление суперконденсатора постоянному току [Ом], 𝑰𝒃𝒂𝒄𝒌𝒖𝒑 – резервный ток [𝑨]

Когда резервный ток составляет 1 мА и ниже, нет потенциального падения напряжения, это означает, что мы можем пренебречь падением напряжения в этом случае, поскольку резервный ток составляет всего 540 нА.

Ток утечки

Рабочая температура должна быть фактором, который больше всего влияет на срок службы суперконденсаторов.Как показано на приведенном ниже графике (графики доступны для всех частей), ток утечки значительно возрастает с увеличением рабочей температуры.

Поскольку ток утечки является дополнительным потребляемым током, вам нужно будет взять сумму резервного тока и тока утечки при вычислении времени поддержки.

Поскольку в приложении возможно охлаждение, мы будем считать, что рабочая температура будет 70 ° C. Мы видим, что ток утечки в этом случае составляет 4 мкА.

Затем вы можете рассчитать, как долго хватит энергии, используя расчет ниже:

Теперь, принимая во внимание ток утечки, мы видим, что вместо требуемых 150 часов время поддержки будет значительно сокращено до 18 часов.При этом необходимо будет выбрать конденсатор с более высоким значением емкости (почти в 10 раз выше).
Выбрав FC0h205ZFTBR44, значение емкости разряда которого составляет 1Ф, мы можем пересчитать время поддержки:

Время поддержки в этом случае составляет 183 часа, что больше запрошенных 150 часов. Даже если рассчитать запас в 15% по емкости, мы получаем почти 155 часов автономной работы.

Не стоит также забывать об «оценке срока службы» суперконденсаторов. Срок службы суперконденсатора определяется как точка, в которой емкость снижается до 70% от начального значения, как показано на графике ниже:

Заключение

Требуемая необходимая емкость суперконденсатора должна быть рассчитана с помощью приведенного ниже уравнения с учетом падения напряжения, тока утечки и 15% допуска емкости.

Суперконденсаторы и приложения для ультраконденсаторов

Характеристики

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле, а не в химическом состоянии, как в батареях.

Никаких химических воздействий, что означает, что возможен очень долгий жизненный цикл.

Нет ограничений на напряжение элемента, налагаемых «химическим составом элемента», как в случае гальванических элементов.

Напряжение на клеммах прямо пропорционально состоянию заряда (SOC), что несколько ограничивает диапазон применимости.

Конденсаторы малой мощности

Конденсаторы

, вероятно, являются наиболее распространенной формой нехимического накопления энергии и широко используются в приложениях с низким энергопотреблением.

Типичные характеристики: от 20 мкФ до 2 Фарад от 5,5 до 6,3 В

Суперконденсаторы , Суперконденсаторы или EDLC (электрические двухслойные конденсаторы) , как их еще называют, очень похожи на батареи. Они имеют двухслойную конструкцию, состоящую из двух угольных электродов, погруженных в органический электролит.См. Ниже

Во время зарядки электрически заряженные ионы в электролите перемещаются к электродам противоположной полярности из-за электрического поля между заряженными электродами, создаваемого приложенным напряжением. Таким образом образуются два отдельных заряженных слоя. Конденсатор с двойным слоем, хотя и похож на батарею, зависит от электростатического воздействия.Поскольку не происходит никакого химического воздействия, эффект легко обратим, и типичный срок службы составляет сотни тысяч циклов.

Они имеют низкую плотность энергии менее 15 Втч / кг, но возможны очень высокая плотность мощности 4000 Вт / кг и значения емкости в тысячи Фарад. Несмотря на то, что плотность мощности очень высока, напряжение элемента ограничено примерно 2,3 В, чтобы избежать электролиза электролита с последующим выделением газа.

Выравнивание напряжения для равномерного распределения имеющегося заряда между конденсаторами в последовательной цепи также может потребоваться для многих приложений.

Типовая спецификация конденсаторных батарей для автомобильных приложений: от 10 до 200 Фарад 100 Вольт

Преимущества

Напряжение элемента определяется схемой применения, не ограничивается химическим составом элемента.

Возможно очень высокое напряжение ячейки (но есть компромисс с емкостью)

Доступна высокая мощность.

Высокая удельная мощность.

Простые способы зарядки. Никаких специальных схем зарядки или определения напряжения не требуется.

Очень быстрая зарядка и разрядка. Заряжается и разряжается за секунды.Намного быстрее, чем батарейки.

Без химического воздействия.

Не подлежит завышению.

Длительный срок службы более 500 000 циклов при 100% -ном разряде.

Длинный календарный срок от 10 до 20 лет

Низкое сопротивление

Недостатки

Линейная характеристика напряжения разряда предотвращает использование всей доступной энергии в некоторых приложениях.

Мощность доступна только на очень короткое время.

Малая вместимость.

Низкая плотность энергии. (6 Втч / кг)

Для последовательных цепей требуется балансировка ячеек.

Высокая скорость саморазряда. Намного выше, чем у батарей.

Приложения

Приложения, требующие кратковременного повышения мощности.

Низкое энергопотребление

Конденсаторы широко используются в качестве резервного источника питания для функций памяти в широком спектре потребительских товаров, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и радиотюнеры.

Используется в импульсных приложениях для распределения нагрузки и обеспечения пиковой мощности для уменьшения рабочего цикла батареи, чтобы продлить срок службы батареи в продуктах или устройствах, использующих механические приводы, такие как цифровые камеры.См. Также разделение нагрузки.

Также используется для накопления энергии для солнечных панелей и пускателей двигателей.

Высокая мощность

Вышеупомянутые недостатки делают суперконденсаторы непригодными в качестве первичного источника питания для электромобилей и сверхвысокого напряжения, однако их преимущества делают их идеальными для временного накопления энергии для сбора и хранения энергии от рекуперативного торможения и для обеспечения дополнительной зарядки в ответ на внезапные потребности в мощности.

Поскольку в этих приложениях конденсатор обычно подключается параллельно с аккумулятором, его можно заряжать только до верхнего уровня напряжения аккумулятора и его можно разряжать только до нижнего уровня разряда аккумулятора, оставляя значительный неиспользуемый заряд в конденсаторе. тем самым ограничивая его эффективную или полезную емкость хранения энергии.

Использование суперконденсаторов в электромобилях и электромобилях для облегчения рекуперативного торможения может увеличить запас хода автомобиля на 15–25%.

В то же время суперконденсаторы могут обеспечивать эффективное кратковременное повышение пиковой мощности, позволяя уменьшить размер основной батареи.

Следует отметить, однако, что, хотя суперконденсаторы могут использоваться для обеспечения увеличенного диапазона и кратковременной мощности, это происходит за счет значительного увеличения веса и объема системы, и это следует сопоставить с преимуществами использования более высокой емкости. батареи.

Суперконденсаторы

также используются для обеспечения быстрого кратковременного резервного питания ИБП. Комбинируя конденсатор с системой бесперебойного питания на батарейках, можно продлить срок службы батарей. Батареи обеспечивают питание только во время более длительных перерывов в работе, снижая пиковую нагрузку на батарею и позволяя использовать батареи меньшего размера.

Усовершенствованные суперконденсаторы на углеродных нанотрубках

Последние разработки в Массачусетском технологическом институте показали, что характеристики суперконденсаторов могут быть значительно улучшены за счет использования наноматериалов.Способность конденсатора накапливать энергию прямо пропорциональна его емкости, которая, в свою очередь, пропорциональна площади пластин или электродов. Точно так же пропускная способность по току прямо пропорциональна площади электродов. Используя вертикально ориентированные одностенные углеродные нанотрубки, ширина которых составляет всего несколько атомных диаметров, вместо обычно используемого пористого аморфного углерода, можно значительно увеличить эффективную площадь электродов. Хотя достижимая плотность энергии 60 Вт / кг все еще не может соответствовать уровню, достигаемому в литий-ионных батареях (120 Вт / кг), достигаемая плотность мощности 100 кВт / кг на три порядка выше, чем у батарей.

Коммерческих продуктов пока нет, но скоро они появятся.

Подобные успехи обещает использование новых диэлектриков с очень высокой диэлектрической проницаемостью, таких как титанат бария.

Более подробная информация о конденсаторах представлена ​​на странице «Альтернативные методы хранения энергии».

См. Также История (электролитические конденсаторы)

Стоимость

Немного больше, чем у литиевых элементов, в основном из-за меньшего объема производства.

Основные функции и применение суперконденсатора

(Фото: основные функции и применение суперконденсатора)

С развитием технологий и с каждым днем ​​мы стремимся сделать мир лучше.Электричество всегда было важнейшим компонентом помощи в этом стремлении. Благодаря использованию ископаемого топлива и отопления домов мы увеличили бремя изменения климата. Однако в конце туннеля может быть свет, в котором мы переключаемся только на электроэнергию.

Пытаться использовать все возможности электричества было нелегко, особенно из-за того, что одним из недостатков является то, что его трудно хранить в спешке. Например, если вы используете батарейки для вашего контроллера и разрядились, вам нужно будет их зарядить.Однако они заряжаются долго.

Переход к суперконденсаторам может быть тем ответом, который мы все искали. Здесь мы рассмотрим основную функцию и применение суперконденсатора.

Что такое конденсатор?

Чтобы понять суперконденсатор, нужно понимать, что такое обычный конденсатор. Согласно supercaptech.com, конденсатор похож на аккумулятор, который заряжается почти мгновенно.

Недостатком конденсатора является то, что он может накапливать лишь небольшое количество энергии до того, как потребуется перезарядка.

Что такое суперконденсатор?

Это как конденсатор на стероидах. Он способен быстро накапливать и выделять большое количество электроэнергии.

Суперконденсатор состоит только из двух основных компонентов:

– Два электрода

– Один электролит

Когда электричество проходит через суперконденсатор, на его поверхности образуются два отдельных слоя заряда.

Использование суперконденсаторов

Основное применение суперконденсаторов – накопление большого количества энергии за короткий промежуток времени, обычно в течение нескольких секунд или нескольких минут.

По сей день в некоторых транспортных средствах и приложениях уже используются суперконденсаторы, например:

– Легковые автомобили

– Автобусы

– Поезда

– Ветряные турбины

– Двигатели

– Стартер для прыжков

Вы также можете подключить суперконденсатор к батарее, чтобы он мог регулировать мощность.

Изящный способ воздействия суперконденсатора на автомобили состоит в том, если автомобиль является гибридом, что означает, что он работает на электричестве и ископаемом топливе.

Когда автомобиль является гибридным и использует суперконденсатор, он будет накапливать энергию при полной остановке. Обычно с обычными автомобилями, когда вы останавливаетесь, вы все равно тратите силы. Однако, когда гибридный автомобиль останавливается, сэкономленная энергия будет снова использована, когда он снова начнет движение.

Кроме того, этот суперконденсатор используется во многих электронных или автомобильных продуктах, например, в пусковых устройствах Supercapcitor в качестве альтернативы литий-ионным пусковым устройствам. И многие марки пусковых устройств суперконденсаторов, доступные на рынке, такие как autowit, Schumacher DSR108 или REZERVO.

Суперконденсаторы будущего

Все больше и больше производителей оборудования отказываются от старых методов и обращаются к суперконденсаторам, и однажды в будущем они смогут заменить аккумуляторные батареи.

По мере того, как все больше компаний переходят на полностью электрические источники энергии, такие как автомобили Tesla, потребность во внедрении суперконденсаторов будет только расти.

Хотя этого не произойдет ни сегодня, ни завтра, мы берем на себя инициативу сделать мир еще более удивительным.

Базовая электроника

– Суперконденсаторы, конструкция, работа и применение

В предыдущих уроках мы обсуждали работу с конденсатором, характеристики конденсатора, различные типы конденсаторов и выбор конденсатора для данной схемы. Как мы узнали, типичные коммерческие конденсаторы имеют емкость в пикофарадах, нанофарадах или микрофарадах. Максимальная емкость, которую могут обеспечить эти конденсаторы, составляет 1 Фарад. Если требуется более высокая емкость, конденсаторы должны быть достаточно большими, которые могут или не могут подходить к типичным электронным схемам.

Введите суперконденсатор. Эти конденсаторы электрохимического типа имеют небольшие размеры и могут иметь емкость в десятки, сотни или даже тысячи Фарад. Они не только хранят большой заряд, но и могут пройти несколько тысяч циклов заряда-разряда без какого-либо износа. Вот почему эти конденсаторы, также известные как ультраконденсаторы, используются во многих новых технологиях, таких как гибридные автомобили, активные фильтры, возобновляемые источники энергии, ИБП, смартфоны и портативные электронные устройства.

Что они делают
Суперконденсаторы используются для хранения большого количества заряда в виде электростатического поля. Как и электролитические конденсаторы, в этих конденсаторах также используются жидкие или твердые электролиты. Однако способ хранения заряда совершенно другой. В типичных конденсаторах заряд сохраняется из-за поляризации диэлектрического материала. В суперконденсаторах электролит не является диэлектриком. Он только подает носители заряда на электроды. Вместо этого заряд сохраняется за счет накопления противоположных носителей заряда на электродах.

Электроды этих конденсаторов состоят из пористого активированного угля или углеродных нанотрубок, которые способны притягивать к себе огромное количество заряда. Минимальное расстояние между электродами и разделителем между ними, чтобы избежать короткого замыкания между пористыми электродами. Использование активированного угля в качестве электродов и минимальное расстояние между электродами позволяет этим конденсаторам накапливать большое количество заряда при небольшом размере.

Конструкция
Суперконденсаторы сконструированы как электролитические конденсаторы.У них есть два электрода, которые состоят из пористого активного углеродного покрытия или углеродных нанотрубок. Покрытие наносится на металлическую фольгу (обычно алюминий), которая служит токоприемником. Токосъемники с электродами погружены в электролит.

Схематическое изображение суперконденсатора (Изображение: Википедия)

Электролит может быть жидким или твердым. В большинстве ультраконденсаторов предпочтительны твердые электролиты из-за более высокого напряжения на клеммах. Твердый электролит обычно представляет собой растворитель, смешанный с проводящими солями.Обычно в качестве растворителя используют ацетонитрил или пропиленкарбонат, а в качестве растворенных веществ – соли тетраалкиламмония или лития. Токосъемники с электродным покрытием разделены разделителем (бумажной мембраной), который прозрачен для носителей заряда, но позволяет избежать прямого короткого замыкания между электродами. Из-за двустороннего электродного покрытия токосъемников эти конденсаторы также называются электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC).

Высокопористая природа электродного материала позволяет этим конденсаторам притягивать большое количество носителей заряда из электролита.За счет использования активированного угля эффективная площадь поверхности между токосъемниками многократно увеличивается. Внутреннее сопротивление (ESR) конденсатора зависит от электролита. Чем ниже сопротивление электролита, тем больше удельная мощность конденсатора.

Суперконденсаторы

обычно имеют очень низкое номинальное напряжение, которое может находиться в диапазоне от 1 В до 3 В. Следующее уравнение дает электрическую мощность, запасаемую суперконденсатором:

P = В ² / 4R
Где
P – это мощность, накопленная суперконденсатором,
В – приложенное напряжение (или номинальное напряжение),
R – внутреннее сопротивление (ESR) конденсатора

Как они работают
Когда на выводы суперконденсатора подается разность потенциалов, электроды начинают притягивать противоположные носители заряда из электролита.Положительные ионы накапливаются в отрицательном соединении, а отрицательные ионы накапливаются в положительном соединении. Носители заряда хранятся на пластинах токоприемника. Из-за накопления противоположных зарядов на токоприемниках между ними создается электростатическое поле. Зарядный ток протекает через конденсатор до тех пор, пока электростатическое поле между токосъемниками не станет равным приложенному напряжению или противоположно ему. Носители заряда удерживаются токосъемниками до тех пор, пока подаваемое напряжение не уменьшится или не изменится полярность.

Когда приложенное напряжение уменьшается, пропорциональное количество носителей заряда возвращается в электролит от токоприемников. Во время этого процесса эквивалентный ток течет через конденсатор в обратном направлении. При изменении полярности суперконденсатор проходит аналогичный цикл зарядки и разрядки.

Вы видите, что суперконденсатор, несмотря на его электрохимическую конструкцию, по-прежнему сохраняет заряд в виде электростатического поля.Он работает так же, как и любой другой конденсатор. Вот почему, несмотря на аккумуляторную конструкцию, суперконденсаторы классифицируются как конденсаторы, а не как батареи. По сравнению с батареями суперконденсаторы могут пройти несколько тысяч циклов заряда-разряда. Следовательно, они могут служить отличным источником заряда или резервного питания в цепях с батарейным питанием.

Практические суперконденсаторы
Ячейки суперконденсатора имеют очень низкое номинальное напряжение на клеммах, которое может варьироваться от 1 В до 3 В.При последовательном соединении ячеек суперконденсатора их номинальное напряжение может быть увеличено. Точно так же параллельное соединение ячеек суперконденсатора увеличивает эффективную емкость. В результате суперконденсаторы обычно используются в качестве матрицы ячеек, где они соединены последовательно по строкам и параллельно по столбцам. Следующее уравнение дает окончательное номинальное напряжение блока:

В = Н * В _Ячейка
Где
В – эффективное напряжение на клеммах блока
N – количество строк или количество ячеек суперконденсатора, соединенных последовательно в каждом столбце
В _Ячейка – это напряжение на клеммах индивидуальные суперконденсаторные ячейки

Следующее уравнение дает эффективную емкость батареи:

C = (M / N) * C _Cell
Где
C – эффективная емкость
M – количество столбцов или количество ячеек суперконденсатора, соединенных параллельно в каждой строке
N – количество строк или количество Ячейки суперконденсатора, соединенные последовательно в каждом столбце
C _Ячейка – емкость отдельных ячеек суперконденсатора

Преимущества
Суперконденсаторы имеют следующие заметные преимущества перед другими конденсаторами и батареями:

• Способен накапливать большое количество энергии в виде электростатического поля.
• Высокая плотность мощности и компактный размер, что делает их пригодными для использования в качестве накопителя заряда для типичных электронных схем.
• Способность заряжаться и разряжаться за короткое время, может использоваться для удовлетворения частых пиков энергопотребления и может обеспечивать большие всплески мощности на короткие промежутки времени.
• Не требует электрохимических реакций и, следовательно, не имеет эксплуатационного износа и увеличивает срок службы. Их можно использовать сотни тысяч раз без необходимости замены.

Приложения
Благодаря своей емкости для хранения заряда, небольшому размеру и быстрой зарядке и перезарядке суперконденсаторы нашли применение во многих новых технологиях. Одна из основных областей, в которой суперконденсаторы в конечном итоге зарезервировали место, – это транспортная промышленность. В электромобилях суперконденсаторы используются в тормозных системах для накопления обратной ЭДС, создаваемой двигателями постоянного тока. Заряд, накопленный суперконденсаторами, можно использовать для питания электрических систем автомобиля и перезарядки аккумуляторов.В электромобилях суперконденсаторы также могут служить резервным источником питания для батарей, поэтому в них необходимо устанавливать батареи меньшего размера. Гибридные автомобили (которые полностью выключают двигатель при остановке) используют суперконденсаторы для перезапуска двигателя после каждой остановки.

Суперконденсатор CAP-XX GW134T Thinline, изображенный с SD-картой, центом США и кредитной картой. (Изображение: CAP-XX)

Еще одно полезное применение суперконденсаторов – тяговые машины. Тяговые машины проходят несколько фаз разгона, крейсерского движения и замедления.Суперконденсаторы могут использоваться в таких транспортных средствах для защиты от колебаний напряжения и эксплуатационных потерь мощности.

Сегодня суперконденсаторы обычно используются вместе с дисплеями смартфонов, ноутбуков и компьютеров для быстрого включения экрана. Они также используются в устройствах памяти и резервных источниках питания.

Суперконденсаторы теперь используются во многих других областях, где требуется срочное резервное питание или немедленные всплески питания. Комбинация суперконденсаторов с батареями позволяет создавать более компактные и компактные источники электроэнергии.

В следующем уроке мы обсудим индукторы.

---

В рубрике: Дополнительные подборки редакторов, учебные пособия
С тегами: capxx, maxwell

---

Применение суперконденсатора в интеллектуальной сети

Сегодняшнее общество предъявляет все более высокие требования к качеству, безопасности и надежности энергоснабжения и электроснабжения. Традиционный метод электроснабжения большой сети не может удовлетворить это требование из-за своих собственных дефектов. Новый тип энергосистемы, способный интегрировать распределенную генерацию электроэнергии – микросеть, появляется в соответствии с требованиями времени.Он может сэкономить инвестиции, снизить потребление энергии, повысить безопасность и гибкость системы и является направлением будущего развития. Емкость играет важную роль как незаменимая система хранения энергии в микросети. Как новый тип накопителя энергии, суперконденсатор стал одним из предпочтительных устройств для накопления энергии в микросетях с его незаменимым превосходством. Микросеть состоит из источников питания, нагрузок, накопителей энергии и энергоменеджеров. Форма накопления энергии в микросети: подключена к шине постоянного тока микропитания, к фидеру, содержащему важную нагрузку, или к шине переменного тока микросети.Среди них первые два можно назвать распределенным накопителем энергии, а последний – центральным накопителем энергии. При подключении к сети колебания мощности в микросети уравновешиваются большой сетью, и накопитель энергии находится в состоянии ожидания зарядки. Когда микросеть переключается из режима подключения к сети в режим изолированной сети, центральное хранилище энергии немедленно активируется, чтобы восполнить нехватку электроэнергии. Колебания нагрузки во время работы микросети или колебания микропитания могут быть уравновешены центральным накопителем энергии или распределенным накопителем энергии.Среди них есть два способа уравновесить колебания мощности микропитания, а распределенный накопитель энергии и микропитание, которому требуется накопление энергии, подключаются к определенной линии питания, или накопитель энергии напрямую подключается к постоянному току. шина микропитания.

1) Обеспечение краткосрочного электроснабжения

Существует два типичных режима работы в микросети: при нормальных обстоятельствах микросеть и обычная распределительная сеть подключены к сети, которая называется сетью. подключенный режим работы; при обнаружении неисправности сети или несоблюдении качества электроэнергии микросеть будет своевременно. Сеть отключается и работает независимо, это называется изолированным режимом.Микросетям часто требуется поглощать часть активной мощности от обычной распределительной сети. Следовательно, когда микросеть переключается из режима подключения к сети в изолированный режим, возникает нехватка электроэнергии. Установка накопителя энергии поможет плавному переходу между двумя режимами.

2) Используется в качестве буфера энергии

Из-за небольшого размера микросети инерция системы невелика, а сеть и нагрузка часто очень сильно колеблются, что влияет на стабильность работа всей микросети.Мы всегда ожидаем, что высокоэффективные генераторы (например, топливные элементы) в микросети всегда будут работать с номинальной мощностью. Однако нагрузка на микросеть не остается постоянной в течение дня. Вместо этого он колеблется при изменении погоды. Для обеспечения пиковой нагрузки необходимо регулирование пиковой нагрузки с использованием топливно-газовой пиковой электростанции. Из-за высокой стоимости топлива эксплуатационные расходы этого метода слишком высоки. Система накопления энергии суперконденсатора может эффективно решить эту проблему.Он может накапливать избыточную мощность источника питания при низкой нагрузке и передавать обратно в микросеть, чтобы регулировать потребность в мощности при высокой нагрузке. Высокая плотность мощности и высокая плотность энергии суперконденсатора делают его лучшим выбором для работы с пиковыми нагрузками, а использование суперконденсаторов требует только накопления энергии, эквивалентной пиковой нагрузке.

3) Повышение качества электроэнергии в микросети

Система накопления энергии играет важную роль в улучшении качества электроэнергии в микросети.С помощью блока управления инвертором можно регулировать реактивную мощность и активную мощность, обеспечиваемую системой накопления энергии суперконденсатора для пользователя и сети, тем самым достигая цели повышения качества электроэнергии. Поскольку суперконденсаторы могут быстро поглощать и высвобождать электрическую энергию большой мощности, они очень подходят для применения в устройстве регулировки качества электроэнергии микросети для решения некоторых переходных проблем в системе, таких как мгновенный сбой питания и скачок напряжения, вызванный системная ошибка.Проблемы, такие как провалы напряжения и т. Д. В настоящее время суперконденсаторы используются для обеспечения быстрой буферизации мощности, поглощения или дополнения электрической энергии и обеспечения поддержки активной мощности для компенсации активной или реактивной мощности для стабилизации и сглаживания колебаний напряжения сети.

4) Суперконденсатор интеллектуальной распределенной сетевой системы необходим

С точки зрения будущего развития интеллектуальных сетей, интеллектуальные распределенные сетевые системы станут основным направлением будущих сетевых систем.Чтобы реализовать построение интеллектуальной распределенной системы электросети, необходимо иметь буферное устройство, такое как распределенное устройство хранения энергии и центральное устройство хранения энергии. В случае нестабильных процессов производства энергии необходим буфер для хранения энергии. В случае, когда процесс выработки энергии является стабильным, а спрос постоянно меняется, также необходимо использовать устройство хранения энергии.