Занимательная электроника. Нешаблонная энциклопедия полезных схем
Шрифт:
Скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приведет к его отрицательному заряду, что неизменно вызовет скопление (у его поверхности) положительно заряженных катионов.
Поскольку ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, то электроды получаются окруженными двойным облаком ионов, имеющих противоположные заряды. Поэтому получается необычный плоский, но емкий конденсатор, расстояние между обкладками которого равно лишь радиусу иона. К примеру, для получения электрического поля напряженностью 1 000 000 В на обкладках такого конденсатора достаточно иметь разность потенциалов,
Для предотвращения проникновения ионов между электродами расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет защитить прибор от внутреннего короткого замыкания.
Таким образом, широко известная сегодня аббревиатура EDLS (electric doublelayer capacitor) и обозначает ионистор как «конденсатор с двойным электрическим слоем.
1.9.2. Достоинства ионисторов
• Очень высокая емкость.
• Низкое внутреннее сопротивление.
• Высокая проводимость.
• Быстрый разряд.
• Длительный срок эксплуатации.
• Практически неограниченное количество циклов разряда.
• Низкая стоимость.
• Простота зарядки.
При этом ионисторы имеют ряд характерных особенностей:
• обладают высокой удельной плотностью энергии (ресурс соизмерим с ресурсом АКБ, в комплекте с которыми используются суперконденсаторы);
• имеют высокий КПД;
• практически не имеют утечки;
• не реагируют на изменение температуры.
Все это делает возможным их перспективное использование в автономных электрических системах, работающих на основе солнечных батарей, использования энергии прилива, а также ветрогенераторов.
Потенциал таких устройств поистине безграничен. Запас энергии и мощность можно рассчитать по формулам:
E = CU2/2 (Дж) и P = U2/4R (Вт),
где С – емкость, Ф; U – напряжение на электродах, В; R – эффективное последовательное сопротивление, Ом.
Внутреннее омическое сопротивление при +25 °C имеет порядок величины 5-15 МОм.
Внутреннее сопротивление R ионистора может быть рассчитано по формуле:
Rвн= U/|кз,
где Rвн – в Омах; U – напряжение на ионисторе, В; Iкз – ток короткого замыкания, А.
К примеру, для ионистора К58-3 зарубежный аналог DC-2R4D225 – Rвн= 10-100 Ом.
Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле:
C = I t / U,
где С – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, А; U – номинальное напряжение ионистора, В; t – время разрядки от Uном до нуля, с.
Или же по формуле:
C = S/d,
где d – толщина двойного электрического слоя (нм, обычно 5-10), а S – общая площадь поверхности электрода, состоящего из активированного угля.
Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы.
Электрод ионистора – по определению – представляет собой совокупность сверхбольшого количества частиц активированного угля, он имеет и огромную площадь поверхности, до 3000 см2/г.
Габариты некоторых ионисторов показаны на рисунках 1.49 и 1.50. К примеру, ионистор 1 Ф на напряжение 5,5 В (модель 1905V) выглядит так, как показано на рисунке 1.49.
Рис. 1.49. Внешний вид зарубежного аналога ионистора К58-3 емкость 1 Ф на напряжение 5,5 В(модель 1905V)
Рис. 1.50. Ионистор К58-9а: внешний вид
Таким же будет и внешний вид ионистора К58-1В 1 Ф на напряжение 6,3 В.
Ионистор К58-9а представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами («+» маркирован черной точкой) – см. внешний вид на рисунке 1.49.
Ионисторы К58-96 и К58-9в (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.
Напряжение «разложения». Чтобы раскрыть это понятие, надо рассмотреть материал электролитов, который используется производителями ионисторов. А это прежде всего водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые) электролиты. Двойной электрический слой работает как изолирующий (диэлектрик) и при приложении внешнего постоянного напряжения не позволяет протекать «сквозному» току. Причем «органика» позволяет прикладывать к ячейке ионистора напряжение до 3 В, а «водорастворимый» – только до 1,5 В. И при определенном уровне напряжения за счет электрохимических» процессов начинает протекать ток. Именно величина этого напряжения называется «напряжением разложения» (или, если быть наиболее точным – «напряжением электрохимического распада электролита»).
Увеличение напряжения также ведет к более интенсивному разложению электролита, увеличивается ток, и ионистор выходит из строя (пробой). Поэтому ионисторы рассчитаны на столь малое (относительно оксидных конденсаторов) напряжение, ограничены «напряжением разложения» и нередки случаи, когда ионисторы соединяют последовательно.
В принципе ионистор – неполярный прибор. Вывод «+» указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.
Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице 1.1.