Последовательное подключение ионисторов: ИОНИСТОР ВМЕСТО АККУМУЛЯТОРА

Содержание

Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Устройство, характеристики и применение ионисторов

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

Устройство ионистора.

Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных "обкладок". Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg4I5) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H2SO4. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

Устройство ионистора (суперконденсатора)

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

  • Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;

  • Количество циклов заряд/разряд – более 100000;

  • Не требуют обслуживания;

  • Небольшой вес и габариты;

  • Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

  • Работает в широком диапазоне температур (-40…+700C). При температуре больше +700

    С ионистор, как правило, разрушается;

  • Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор – это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Ω. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом – десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: "А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?"

Обозначение ионистора на принципиальной схеме

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то тут сразу станет понятно, что это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые Обозначение ионистора на принципиальной схеме. Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC's), микросхем памяти (RAM's), КМОП-микросхем (CMOS's) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в "ждущем" режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Схема резервирования питания на ионисторе

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. Rн – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Ионистор: устройство, применение и характеристики

Ионистор впервые появился еще в 20 веке.  Изобрел это устройство американец Райтмаер, химик по образованию. В различных источниках и научной литературе этот прибор называется по-разному – суперконденсатор или ультраконденсатор. По своему внешнему виду ионистор похож на электролитический конденсатор, единственное и существенное отличие – это его емкость, она намного превышает обычные значение для этих радиодеталей.

В странах ЕС и США они обозначаются аббревиатурой EDLC, что переводится как конденсатор с двойным слоем. В данной статье будет разобрано строение, структура, применение ионисторов, где они используются. В качестве дополнения статья содержит в себе скачиваемые материал с точными техническими характеристиками и два видеоролика.

Что такое ионистор

Ионистор (или суперконденсатор) – это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред – электрода и электролита. Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение).

Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Структура ионистора

Структура ионистора

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор – это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. В нем применяются специальные обкладки и электролит.

В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры. Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см3 и больше.

Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

Что такое ионистор?

Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.

Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. 3-4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины.

Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах, нанофарадах и микрофарадах, в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) на самом деле огромна и измеряется в фарадах (Ф). В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор

Ионистор

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

  1. Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
  2. Максимальный ток. (А).
  3. Номинальное напряжение (В).
  4. Емкость (Ф).
  5. Параметры саморазряда.

В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами. Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах. По сравнению с литий – ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.

Параметры отечественных ионисторов

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии. Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор.

При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

Связка из шести ионисторов

Связка из шести ионисторов

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов. В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах.

Преимущества

  • Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
  • Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
  • Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
  • Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
  • Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
  • Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

  • Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
  • Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
  • Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
  • Необходимость соблюдения полярности при подключении.
  • Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
  • Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.
Плоский ионистор

Плоский ионистор

Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания микроконтроллера, микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

Что такое ионистор?

В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему.

Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек. Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием. В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

Перспективы использования

Ионисторы с каждым годом становятся все совершенней. Важным параметром, которому ученые уделяют особое внимание – является увеличение удельной емкости. Через какое – то время планируется подобными приборами заменить аккумуляторы. Такие элементы позволяют заменить батареи в различных технических сферах. Специалисты возлагают большие надежды на разработку графеновых устройств. Применение инновационного материала поможет уже в ближайшее время создать изделия с высокими показателями запасаемой удельной энергии.

Ионистор нового образца в несколько раз превосходит альтернативные варианты. Данные элементы имеют в своей основе пористую структуру. Применяется графен, на котором распределяются частицы рутения. Преимуществом графеновой пены является способность удержания частиц оксидов переходных металлов. Подобные суперконденсаторы работают на водном электролите, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации.

Интересно почитать: что такое электрический ток.

В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик. В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.

Батарея из суперконденсаторов

Батарея из суперконденсаторов

В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:

  1. Пусковое устройство  подсоединяется параллельно стартерным батареям. Применяется для повышения эксплуатационного срока и улучшения пусковых характеристик двигателя.
  2. Для стабильного питания акустических систем большой мощности в автомобиле.
  3. Буферные батареи подходят для применения в гибридном транспорте. Они характеризуются небольшой емкостью и значительной выходной мощностью.
  4. Тяговые батареи актуальны при использовании в качестве основного источника питания.

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество. Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов.

При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки. Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о том, что такое ионистор, рассказано в статье Ионистор в автономной электрической цепи Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.na-dostupnom.ru

www.ultracapacitor.ru

www.electrik.info

www.powerinfo.ru

Предыдущая

КонденсаторыФормула расчёта сопротивления конденсатора

Последовательное включение полупроводниковых приборов

Как правило, диоды и тиристоры и прочие полупроводниковые элементы подбираются по номинальным напряжениям и токам. Но иногда возникают ситуации когда выбранных номиналов не достаточно для нормальной работы устройств. В таком случае иногда используют параллельное или последовательное соединение вентилей. Последовательное – для повышения напряжения, проводимого элементами, а параллельное для увеличения тока устройства. Мы рассмотрим такие включения на примере диодов и тиристоров.

Последовательное включение вентилей как правило применяют в высоковольтных установках. Такой способ включения позволяет сэкономить на согласующих трансформаторах (а они как правило дорогие), а также убрать из цепи еще одно звено преобразования энергии (понижающий и повышающий трансформаторы).

Но эта система не так проста как кажется на первый взгляд. Поскольку каждый из вентилей имеет свою вольт – амперную характеристику и не всегда они совпадают. Схема включения таких элементов показана ниже:

Последовательное включение тиристоров

Поскольку вентили включены последовательно, то согласно закону Кирхгофа, обратное  напряжение, приложенное к тиристорам  поделится на количество тиристоров включенных в цепь. В нашем случае на два.

Но как упоминалось выше, каждый тиристор имеет свою вольт – амперную характеристику, она приведена ниже:

Вольт-амперная характеристика

Как мы можем видеть из характеристики, при протекании одного и того же обратного тока через вентили, напряжения UR1 и  UR2  будут различны. В нашем случае UR1> UR2. Это нужно учитывать, так как UR1 может быть больше допустимого значения, что может привести к выходу из строя устройства.

В еще более тяжелом состоянии оказывается тиристор с меньшим временем восстановления запирающих свойств в динамических режимах. К нему будет прикладываться  суммарное напряжение всей системы UR , что может привести к самопроизвольному открытию тиристора или пробоя его структуры.

Поэтому перед включением тиристоров в последовательную цепь  проводят их подборку по свойствам восстановления их запирающих свойств с помощью специального устройства или проверка проводится заводом изготовителем по предварительному согласованию.

Так как идеально подобрать все вентили не удается,  то применяют различные схемы для защиты их от неравномерного распределения напряжения.

В целях выравнивания напряжения на отдельных приборах применяют шунтирующий резистор Rш, примерное сопротивление которого считается по формуле:

Расчет шунтирующего тиристор резистора

Где: n – число приборов, которые включены последовательно; U – максимально допустимое напряжение прибора, В; Um – максимальное напряжение ветви с устройствами, В; IRm – максимальный обратный ток  (в закрытом состоянии) в амплитудных значениях, А.

Мощность данного резистора мы можем рассчитать из известных каталожных данных URSM  и полученного сопротивления шунтирующего резистора:

Расчет мощности шунтирующего тиристор резистора

Для выравнивания напряжения в переходных режимах параллельно к тиристору подключают конденсатор, где его емкость рассчитывается по формуле:

Расчет емкости шунтирующего тиристор конденсатора

Где: n – число приборов, которые включены последовательно; ∆QRR – наибольшая разность зарядов восстановления устройств, Кл; максимально допустимое напряжение прибора, В; Ек – максимальное напряжение, приложенное к цепи с включенными приборами, В.

Параллельно включенный конденсатор эффективно выравнивает напряжение в переходных режимах, но при этом увеличивается ток на интервале отпирания. Чтоб ограничить этот ток применяют демпфирующий резистор RД. Методика расчета этого резистора не приводится в данной статье, но как правило сопротивление этого резистора не превышает несколько десятков Ом. Схема показана ниже:

Последовательное включение тиристоров с шунтирующим резистором и RC цепью

Чтоб ограничить скорость нарастания потенциала в закрытом состоянии, которое может вызывать самопроизвольное включение тиристора, параллельно к демпфирующим резисторам RД подключают диоды ДД, они имеют возможно меньшее время восстановления:

Последовательное включение тиристоров с шунтирующим резистором и RC цепью и демпфирующим диодом

Также выравнивание потенциалов могут осуществлять с помощью лавинных диодов или стабилитронов, которые подключают параллельно. Максимальное значения напряжения диодов или стабилитронов должно быть либо немного меньше или равно напряжению переключения тиристора. Также данные устройства должны иметь минимальный разброс по пробою:

Лавинный диод защита от перенапряжений

Если выравниванию подлежит и прямое и обратное напряжение, то применяют такую схему:

Прямое и обратное выравнивание напряжения тиристора

Если не предъявляют жестких требований к разбросу, то может использоваться такой вариант:

Выравнивание напряжения при не очень жестких требованиях на тиристоре

Также данные схемы требуют постоянного контроля за работой каждого тиристора, так как при выходе из строя одного, возрастет потенциал на других элементах, что может привести к выходу из строя целого плеча элемента.

Идея включения последовательно не очень хороша и имеет свои изъяны. Поэтому следует при использовании приведенных выше схем оценить их экономическую и техническую целесообразность.

Параллельное и последовательное соединение источников питания Nextys
соединение источников питания Nextys

03.05.2017

1.Параллельное соединение источников питания.

Современные способы применения импульсных источников питания (ИП) могут потребовать использования нескольких ИП в параллельной конфигурации.

Параллельное соединение ИП может быть применено в следующих случаях:

  1. Для увеличения требуемой мощности нагрузки, путём использования одинаковых ИП

  2. Для создания системы резервирования

Параллельное соединение ИП для увеличения требуемой мощности может быть использовано там, где:

     a) Есть вероятность превышения номинальной нагрузки установленного ИП
     б) Требуется увеличить мощность нагрузки там, где нет возможности повысить мощность ИП

PR используется там, где ответственная нагрузка не допускает потери питания.

1.1 Параллельное соединение ИП для увеличения мощности (РР)

Теоретически, в режиме увеличения мощности могут использоваться любые типы ИП, но на практике такой результат не всегда бывает удовлетворительным. Многие поставщики говорят о том, что их ИП допускают параллельное соединение, независимо от вариантов применения. Это не всегда справедливо. Идеально, для параллельного соединения различных ИП, они должны иметь идентичные выходные импедансы и максимально одинаковые выходные напряжения. Это не гарантируется с течением времени из-за нормального разброса выходных параметров и естественного старения. Кроме того, во время переходных режимов (например, запуск, перегрузка, короткое замыкание и т. п.), поведение системы может стать нестабильной.

Несбалансированные токи могут привести к преждевременному старению наиболее напряженных элементов, что отрицательно отразится на надежности всей системы.

Для того чтобы свести к минимуму паразитные токи между ИП, которые соединены параллельно, предлагаются следующие технические решения:

  1. Специализированная шина распределения нагрузки (LSB). Это решение использует коммуникационную шину, соединяющую параллельно-включённые ИП. В основном, это решение используется для мощных и «продвинутых» ИП, таких как, например, NPS2400.

  2. Специфические алгоритмы регулирования (SRA). Это решение, относительно дешевое, не нуждается в какой-либо коммуникационной шине и позволяет достичь хорошего естественного баланса тока между различными ИП. Это решение присутствует в большинстве ИП Nextys, например в NPSM121 /241/481 и NPST501 /721/961.

  3. Использование внешнего активного модуля резервирования (ARM) например, как OR20 или OR50 от NEXTYS. В этом случае ARM играет роль балансировочного устройства выходного импеданса для двух питающих ИП. В этой конфигурации может использоваться любой ИП, но рекомендуется провести тест.

1.jpg
Рис.1. Рекомендуемая схема для параллельного соединения ИП

  1. Необходимо учесть, что реальная мощность системы не будет простой суммой мощностей ИП. Максимальная мощность не будет превышать 80% от суммы мощностей ИП. Неидеальное решение!
  2. Используйте, по-возможности, одинаковые ИП и лучше всего из одной партии
  3. Избегайте использования ИП с ограничениями по току, предпочтительнее использовать ИП в режиме с постоянным током (Constant Current).
  4. Используйте не более 4-х ИП
  5. Разместите блоки таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную одинаковую рабочую температуру для каждого ИП
  6. Перед параллельным соединением установите выходные напряжения максимально одинаковые для всех ИП при нагрузке примерно 10% от номинальной
  7. Используйте одинаковые длины и сечения проводов от каждого блока к нагрузке. Выводы должны сходиться на нагрузке, а не на ИП. Это улучшает симметрию. НЕ ВКЛЮЧИТЕ ВЫХОДЫ ИП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО!
  8. Проконтролируйте распределение тока через 30 мин после включения и снова отрегулируйте выходные напряжения, чтобы уравновесить токи
1.2 Параллельное соединение ИП для резервирования (РR)

Резервирование необходимо для повышения надёжности системы питания. Идея концепции резервирования заключается в том, чтобы обеспечить необходимое питание системы в случае аварии, то есть номинальный ток всей системы должен оставаться доступным в любой ситуации. Это означает, что суммарный ток должен быть обеспечен несколькими ИП.

В дополнение к необходимым ИП, по крайней мере, еще один прибор должен будет использоваться, как резервное устройство, которое должно быть доступно в случае отказа одного из ИП (избыточность n + 1, где n – количество необходимых ИП). Чем больше количество используемых дополнительных ИП, тем выше отказоустойчивость системы (n + m избыточность, m = количество дополнительных ИП).

Для реализации надежной системы резервирования, выходы всех источников питания должны быть подключенных параллельно и развязаны с помощью диодов или МОП-транзисторов (ORing резервирование). Это необходимо, чтобы отказ одного из устройств не привёл к возникновению неисправности или короткого замыкания для других устройств. ORing схемы могут быть размещены в самих ИП или обеспечены внешними модулями резервирования, например такими, как OR20 или OR50 от NEXTYS.

В качестве совершенно уникальной функции, большинство моделей ИП от NEXTYS, имеющих опцию «P», предоставляют версию, включающую внутреннюю схему резервирования ORing, которая позволяет строить PR-систему без использования внешних модулей, резко снижая стоимость и размер систем PR.

2.jpg
3.jpg
Рис.2 PR схема резервирования с ORing диодами (могут быть интегрированы в ИП) Рис.3 PR схема резервирования с внешним ORing модулем

Основные правила реализации PR схем резервирования, изображённых на рис. 2, 3:

 
  1. Определите параметр «m», чтобы достичь требуемой избыточности.
  2. Обратите внимание на номинал тока и напряжения, предполагая, что один ИП может принять на себя всю нагрузку.
  3. Используйте всегда одинаковые ИП, лучше всего ИП из одной партии.
  4. При правильной подстройке выходного напряжения попытайтесь сбалансировать токи на всех устройствах, чтобы поддерживать все ИП в рабочем состоянии («горячий» резерв). Использование всех ИП в рабочем состоянии увеличивает срок службы системы.
  5. Разместите блоки таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную рабочую температуру для каждого ИП.
  6. Используйте одинаковую длину и толщину проводов от каждого ИП к нагрузке. Это улучшает симметрию системы.

2. Последовательное соединение ИП.

Для различных приложений может потребоваться использование нескольких ИП с последовательным соединением (SC) их выходов. ИП в последовательной конфигурации могут использоваться в основном для достижения необходимого уровня напряжения или мощности, недоступных для стандартных блоков.

Теоретически любые 2 или более ИП могут быть соединены последовательно, независимо от их выходных напряжений. Однако внимание этому должно быть уделено в любом случае.

Примечания:

  1. Максимальный доступный ток в системе - это номинальный ток одного ИП.
  2. Общая суммарная мощность системы представляет собой произведение между суммой напряжений и самым высоким номинальным током ИП. Для систем SC нет снижения номинальных характеристик.
  3. Блоки с различными входными / выходными напряжениями / мощностью могут быть соединены последовательно.
  4. Текущее ограничение системы по току будет соответствовать тому ИП, у которого самое низкое значение номинального выходного тока.
4.jpg
Рис.4 Рекомендуемое последовательное соединение ИП.

Основные правила реализации SC схем резервирования, изображённых на рис. 4:

  1. Постарайтесь использовать одинаковые ИП, возможно, поставляемые из одной серии.
  2. Обратите внимание на потребляемый ток нагрузки, чтобы не перегружать какой-нибудь ИП.
  3. ИП могут иметь разное время запуска. Чтобы избежать обратного напряжения на их выходах из-за более раннего начала работы некоторых блоков в системе, используйте антипараллельные диоды (рассчитанные на максимальное напряжение системы и с пиковым импульсным током, по крайней мере равным номинальному току), которые должны быть подключены к каждому выходу.
  4. Обратите внимание на правила безопасности в отношении напряжения системы, если оно превышает опасные уровни (> 60 Vdc)
  5. Применяйте нужное сечение провода, который используется в подключении ИП к нагрузке.

  6. Избегайте слишком большого количества ИП (> 4) в SC соединении.

3. Заключение

Несмотря на широкое использование параллельного соединения ИП, рекомендуется избегать конфигурации PP. Вместо этого предпочтительно использовать соединение SC, что дает лучшую стабильность в использовании ИП.

Конфигурация PR полезна во многих критически важных приложениях, и мы настоятельно рекомендуем разработчикам именно это соединение. Рассмотрите этот вариант, используя адекватное соединение оценки потребляемой мощности и избыточности (посредством внутреннего ORing или внешнего резервирования).

Последовательное и параллельное соединение источников питания |

Что такое источник питания

Источник питания – это специальное устройство, которое может генерировать ЭДС. К источникам питания постоянного тока можно отнести аккумуляторы, батарейки, различные генераторы постоянного тока (лабораторный блок питания), элементы Пельтье и тд. То есть это все те устройства, которые создают ЭДС.

Источник питания на примере гидравлики

Давайте рассмотрим водобашню, в которой есть автоматическая подача воды. То есть сколько бы мы не потребляли воды из башни, ее уровень воды будет неизменным.

водобашня в деревне

Схематически это будет выглядеть вот так:

водобашня

Башню с автоматической подачей воды можно считать источником питания. В химических же источниках питания происходит разряд, что ведет к тому, что уровень напряжения понижается при длительной работе. А что такое напряжение по аналогии с гидравликой? Это тот же самый уровень воды)

Давайте отпилим у водобашни верхнюю часть для наглядности. У нас получится цилиндр, который заполнен водой. Возьмем за точку отсчета уровень земли. Пусть он у нас будет равняться нулю.

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Теперь вопрос на засыпку. В каком случае давление на дно будет больше? Когда в башне немного воды

Последовательное и параллельное соединение источников питания

либо когда башня полностью залита водой так, что даже вода выходит за ее края

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Разумеется, когда башня наполнена только наполовину водой, на дне башни давление меньше, чем тогда, когда в башне воды под завязку.

Думаю, не надо объяснять, что если в башне вообще нет воды, то никакого давления на дне башни не будет.

 

Последовательное и параллельное соединение источников питания

По тому же самому принципу работает батарейка или аккумулятор

аккумулятор 18650

На электрических схемах ее обозначение выглядит примерно вот так:

аккумулятор схематическое обозначение

Также, чтобы получить необходимое напряжение, одноэлементные источники питания соединяют последовательно. На схеме это выглядит вот так:

батарея из большого количества одиночных элементов

Любой аккумулятор или источник постоянного тока имеет два полюса: “плюс” и “минус”. Минус – это уровень земли, как в нашем примере с водобашней, а плюс – это напряжение, по аналогии с гидравликой это и будет тот самый уровень воды.

Последовательное соединение источников питания

Теперь давайте представим вот такую ситуацию. Что будет, если в нашей обрезанной водобашне полной воды добавим еще одну такую же сверху полную воды? Схематически это будет выглядеть примерно вот так:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Как вы думаете, уменьшится давление на землю, или увеличится? Понятное дело, что увеличится! Да еще и ровно в два раза! Почему так произошло? Уровень воды стал выше, следовательно, давление на дно увеличилось.

Если “минус” одной батарейки соединить с “плюсом” другой батарейки, то их общее напряжение суммируется.

Полностью заряженная батарейка будет выглядеть как башня, полностью залитая водой с учетом того, что работает насос автоматической подачи воды. По аналогии, насос – это ЭДС.

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Наполовину разряженная батарейка будет уже выглядеть примерно вот так:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Можно сказать, насос уже не справляется.

Батарейка посаженная в “ноль” будет выглядеть вот так:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Насос автоматической подачи воды сломался.

Естественно, что если вы соедините полностью заряженную и наполовину дохлую батарейку последовательно, то их общее напряжение будет выглядеть примерно вот так:

последовательное соединение на примере с водобашнями

Давайте все это продемонстрируем на практике. Итак, у нас есть 2 литий-ионных аккумулятора. Я их пометил цифрами 1 и 2. С плюса каждого аккумулятора я вывел красный провод, а с минуса – черный.

аккумуляторы li-ion 18650

Давайте замеряем напряжение аккумулятора под №1 с помощью мультиметра. Как это сделать, я еще писал в статье Как измерить ток и напряжение мультиметром.

как измерить напряжение на аккумуляторе литий-ион

На первом аккумуляторе у нас напряжение 3,66 Вольт. Это типичное значение литий-ионного аккумулятора.

Таким же способом замеряем напряжение на аккумуляторе №2

измерение напряжения на аккумуляторе

О, как совпало). Те же самые 3,66 Вольт.

Для того, чтобы соединить последовательно эти аккумуляторы, нам надо сделать что-то подобное:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Также как и в башнях, нам надо соединить основание одной башни с верхушкой другой башни. В источниках питания, типа аккумуляторов или батареек, нам надо соединить минус одной батарейки с плюсом другой. Так мы и сделаем. Соединяем плюс одной батарейки с минусом другой и получаем… сумму напряжений каждой батарейки! Как вы помните, на первой батарейке у нас было напряжение 3,66 В, на второй тоже 3,66 В. 3,66+3,6=7,32 В.

Мультиметр показывает 7,33 В. 0,01В спишем на погрешность измерений.

последовательное соединение аккумуляторов

Это свойство прокатывает не только с двумя аккумуляторами, но также с их бесконечным множеством. Думаю, не стоит говорить, что если выставить в ряд штук 100 таких аккумуляторов, соединить последовательно и коснуться крайних полюсов голыми руками, то все это может завершиться даже летальным исходом.

Параллельное соединение источников питания

Но что будет, если источники питания соединить параллельно? Давайте же рассмотрим это с точки зрения той же самой гидравлики. Имеем те же самые башни, в которых воды до самых краев:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Нет, здесь мы не будет извращаться. Мы просто соединим наши башни у самого основания трубой:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Давление на дно у каждой башни изменится? Думаю, нет. Оно останется таким же, как в одной из башен. А что поменялось? Поменялся просто объем воды. Ее стало в 2 раза больше.

Но вы можете сказать, что в первом случае у нас тоже воды стало в 2 раза больше!

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Да, все оно так, но здесь важное значение имеет именно то, что давление на дно башни изменилось и стало также в два раза больше. Если сделать врезку одинакового диаметра прямо у подножия водобашни, то  в случае, когда водобашни стоят одна на другой сила потока воды будет в два раза быстрее, чем если бы мы делали точно такую же врезку на картинке, где мы соединяли водобашни трубой. Более подробно эту мысль я еще озвучивал в статье про Закон Ома.

Если всю эту мысль спроецировать на наши источники питания, то получается, что при последовательном соединении у нас суммировалась напряжение, а при параллельном должна суммироваться сила тока. Но это не значит, что нагрузка, которая кушала, к примеру, 1 Ампер, после того, как мы ее цепанем к двум параллельным источникам питания, будет кушать 2 Ампера. При параллельном соединении у нас напряжение остается таким же, а вот емкость батарей увеличивается. Но нагрузка все равно будет кушать тот же самый 1 Ампер, иначе бы все это противоречило закону Ома.

Настало время все это рассмотреть на реальном примере. Итак, замеры мы уже делали. Осталось соединить два источника питания параллельно, в нашем случае это аккумуляторы li-ion:

параллельное соединение аккумуляторов

Как вы видите, напряжение не изменилось.

При параллельном соединении источников питания должно соблюдаться условие, что на них должно быть одинаковое напряжение.

Вот сами подумайте, что может произойти, если одна из башен будет пустая?

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Думаю, нетрудно догадаться, что вода из одной башни будет перетекать в другую башню, пока их уровень не выровняется (закон сообщающихся сосудов), если у одной башни сломался насос и она пустая.

То же самое и с источниками питания. Нельзя соединять источники питания разных напряжений параллельно. Это чревато тем, что вы убьете здоровые аккумуляторы, а дохлые так и останутся дохлыми или чуток зарядятся. Если разница между напряжениями аккумулятора большая, то в такой цепи может течь бешеная сила тока, которая вызовет нагрев и даже возгорание аккумуляторов.

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Нельзя соединять источники питания разных напряжений параллельно

Последовательно-параллельное соединение источников питания

А кто вам мешает соединять аккумуляторы или батарейки сразу и последовательно и параллельно? Но разве так можно? Можно). На примере с водобашнями это может выглядеть вот так:

Последовательное и параллельное соединение источников питания

Здесь мы видим две башни, каждая из которых состоит их двух башенок, и эти две большие башни соединены с помощью трубы.

Очень часто последовательно-параллельное соединение используется в электротранспорте. Недавно я делал батарею для своего электровелосипеда из li-ion аккумуляторов 18650. Для моего электробайка требовалось напряжение в 36 Вольт. Итак, теперь включаем логику. Один аккумулятор выдает 3,6 Вольт. Чтобы получить 36 Вольт, мне надо соединить 10 аккумуляторов последовательно.

Чтобы было проще для понимания, я их нарисую не по ГОСТу:

батарея 36 вольт

Ура! Я получил 36 Вольт для своего электровелосипеда. Но вот проблема в том, что один такой аккумулятор может отдать в нагрузку силу тока 2800 миллиАмпер в течение 1 часа или 2,8 Ампер в течение 1 часа. Такой параметр указывается на аккумуляторах как mAh. Об этом я подробно писал в этой статье “Как измерить ток и напряжение мультиметром“.

То, что я все аккумуляторы соединил последовательно, не означает, что их емкость возросла в 10 раз. В 10 раз возросло только напряжение, так как я их соединил последовательно. То есть общая сумма получилась 36 Вольт и все те же самые 2800 mAh как и у одного аккумулятора.

Поэтому, чтобы увеличить емкость, я должен в параллель этой ветви соединить точно такую же ветвь из аккумуляторов, иначе мой электровелосипед не проедет и пару тройку километров. Я ведь хочу кататься весь день!

Сказано – сделано. Цепляем еще одну ветвь в 36 Вольт. Вы ведь не забыли правило, что при параллельном соединении у нас напряжение должно быть одинаково? В результате мы получаем что-то типа этого:

последовательно-параллельное соединение

Итого, мы получили те же самые пресловутые 36 Вольт, но вот емкость увеличилась в два раза. 2800 mAh +2800 mAh = 5600 mAh. Ну вот, с такой батареей можно проехать уже чуть дальше. Но мне этого тоже показалось мало, поэтому я добавил еще 2 ветви. В результате моя самопальная батарея для электровелосипеда схематически, по идее, должна выглядеть вот так:

последовательно-параллельное соединение аккумуляторов литий ион

Пару слов о BMS (Battery Management System)

Дело в том, что для того, чтобы управлять зарядом, предохранять от короткого замыкания и управлять силой выдаваемого тока к такой батарее надо приделать плату BMS (Battery Managment System). Самые простые выглядят вот так:

дешевая BMS 10s

 

Чуть получше и дороже:

качественная BMS 10s

10S 36V на BMS говорит нам о том, что эта BMS рассчитана для 10 аккумуляторов, включенных последовательно. Если на каждом аккумуляторе будет по 3,6 В, следовательно, 10х3,6=36 Вольт что и написано на самой BMS.

Discharge current  – ток разрядки, то есть максимальный выдаваемый ток

Charge current – ток зарядки, то есть максимальный ток заряда

Внутри такой платы имеется все, чтобы полностью управлять состоянием батареи.

плата bms

Схемы подключения таких BMS выглядят примерно вот так:

дешевая bms схема подключения

Как вы видите, у нас BMS вроде как должна заряжать только 10 банок в ряд. Но в нашей самопальной батарее их 40. Что же делать? Почему бы вместо одной банки не поставить в параллель 4 банки и не обмануть BMS?

параллельное включение банок аккумуляторов

Получается, схема с BMS 10s4p под плату с BMS будет выглядеть вот так:

батарея 10s4p схема пайки

В сообществе электронщиков и самоделкиных такая батарея называется 10S4P. Расшифровывается очень просто:

Sserial – с англ.  – последовательный.

Pparallel – параллельный.

В нашем случае 10 аккумуляторов последовательно и 4 в параллель – 10S4P. Все до боли просто)

А вот выглядит моя самопальная батарея для электровелосипеда пока что без модуля BMS.

батарея 10s4p для электровелосипеда

8.3. Последовательное соединение полупроводниковых приборов

Применение последовательного со­единения приборов эффективно, если успешно решается задача рав­номерного деления обратного и прямого (для тиристоров и транзис­торов) напряжений в статическом и динамическом режимах. Из-за разброса значений обратных токов и токов утечки, значений прямого напряжения в проводящем состоянии, емкостей p-n-переходов, вре­мени задержки включения и времени выключения отдельных прибо­ров это условие не выполняется. Поэтому при последовательном со­единении принимают меры, обеспечивающие равномерное деление напряжения.

Для выравнивания напряжения применяют подбор приборов одно­го класса с близкими значениями обратных токов и токов утечки или устанавливают специальные делители и схемы управления тиристора­ми и транзисторами.

В качестве выравнивающих устройств используют (рис. 8.3): в статических режимах – активные делители R (рис. 8.3, а), в переход­ных режимах – активно-емкостные делители (RС-цепи) (рис. 8.3, б), емкостные делители С, комбинированные делители с диодами (RCD-цепи) (рис. 8.3, в).

а б в

Рис 8.3. Схемы це­пей, выравниваю­щих напряжение в статическом

и дина­мическом режимах при последователь­ном соединении

по­лупроводниковых приборов

Применение активных делителей R сопровождается потерями энергии, значение которой увеличивается с уменьшением сопротив­ления резисторов. Поэтому стремятся установить резисторы с макси­мально возможным сопротивлением, при котором разброс напряже­ний не превышает допустимых границ. В последовательной цепи самое большое напряжение воспринимает прибор, обладающий наи­большим внутренним сопротивлением. Его обратный ток или ток утечки наименьший.

В случае применения тиристоров последовательно с конденсатора­ми включается низкоомный (примерно несколько десятков ом) резис­тор (рис. 8.3, б). Резистор служит для ограничения тока разряда конденсатора через включившийся тиристор. Для тиристоров и тран­зисторов используется RCD-цепь (рис. 8.3, в), обеспечивающая рав­номерное деление обратного напряжения как RС-цепь, а прямого – как емкостный делитель. Такая цепь, кроме функций делителя, обес­печивает снижение скорости приложения прямого напряжения duD/dt.

8.4. Параллельно-последовательное соединение полупроводниковых приборов

Такое соединение при­меняется в мощных высоковольтных полупроводниковых преобразо­вательных аппаратах. Возможны соединения приборов двумя различ­ными способами: параллельное соединение а самостоятельных вет­вей, каждая из которых содержит s последовательных приборов (рис. 8.4, а) и последовательное соединение s самостоятельных рядов, каж­дый из которых состоит из а параллельных приборов (рис. 8.4, 6).

а б

Рис 8.4. Схемы последователь­но-параллельного соединения

по­лупроводниковых диодов

Первый способ основан на классической схеме построения последовательной цепи с устрой­ствами принудительного деления напряжения для каждой из па­раллельных ветвей. Ветви могут быть включены параллельно без дополнительных устройств деле­ния тока, если при s > 2 разброс по результирующему прямому напряжению всех ветвей в допус­тимых пределах. Такой подбор приборов не представляет слож­ности. Этот способ отличается многоэлементностью устройств деления напряжения.

Второй способ основан на классической схеме соединения прибо­ров с устройствами деления тока (индуктивные делители ИД) для каждого из последовательных рядов. Ряды между собой соединяются последовательно с использованием общих на каждый ряд устройств принудительного деления напряжения. В этом способе устройства деления тока громоздки.

В реальных схемах преобразователей предпочтительна схема груп­пового соединения полупроводниковых приборов (рис. 8.5). В этой схеме ветви преобразовательных диодов объединены между собой низкоомными резисторами связи R сопротивлением 0,5-0,8 Ом. При таком соединении допустимы применение общих для каждого ряда устройств деления напряжения и отказ от устройств деления тока благодаря выравниванию прямого напряжения при числе рядов более двух. Групповое соединение в данной схеме конструктивно не сложно и обеспечивает достаточно полное использование приборов по току и по напряжению.

Рис 8.5. Схема группового соединения по­лупроводниковых диодов

Что такое суперконденсаторы? Обзор суперконденсаторов или ультраконденсаторов

Конденсатор представляет собой пассивный компонент с двумя выводами, который широко используется в электронике. Почти каждая схема, которую мы находим в электронике, использует один или несколько конденсаторов для различного использования. Конденсаторы являются наиболее используемым электронным компонентом после резисторов. Они обладают специальной способностью запасать энергию . На рынке доступны различные типы конденсаторов, но один из них, который в последнее время приобретает популярность и обещает замену или замену батарей в будущем, представляет собой суперконденсаторов или также известен как ультраконденсаторов .Суперконденсатор - это не что иное, как конденсатор большой емкости, значения емкости которого намного выше, чем у обычных конденсаторов, но с более низким пределом напряжения. Они могут хранить в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и доставлять заряд гораздо быстрее, чем батареи, и выдерживают больше циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторы.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы

- это новая технология накопления энергии, которая получила широкое развитие в современную эпоху.Суперконденсаторы дают значительные производственные и экономические выгоды

Емкость конденсатора измеряется в Фараде (F), как 0,1 мкФ (микрофарад), 1 мФ (миллифарад). Тем не менее, в то время как конденсаторы с более низким значением довольно распространены в электронике, конденсаторы с очень высокими значениями также доступны, которые накапливают энергию с гораздо более высокой плотностью и доступны с очень высоким значением емкости, вероятно, в диапазоне Фарада.

На изображении выше показано локально доступное изображение суперконденсатора 2,7 В, 1 Фарад.Номинальное напряжение намного ниже, но емкость вышеупомянутого конденсатора довольно высока.

Преимущества суперконденсатора или ультраконденсатора

Спрос на суперконденсаторов растет день ото дня. Основная причина быстрого развития и спроса обусловлена ​​многими другими преимуществами суперконденсаторов, немногие из них указаны ниже:

  • Обеспечивает очень хороший срок службы около 1 миллиона циклов зарядки.
  • Рабочая температура почти от -50 до 70 градусов, что делает его пригодным для использования в бытовых приложениях.
  • Высокая удельная мощность до 50 раз, которая достигается за счет батарей.
  • Вредные материалы, токсичные металлы не являются частью процесса производства суперконденсаторов или ультраконденсаторов, что делает его сертифицированным как одноразовый компонент.
  • Это эффективнее, чем батареи.
  • Не требует обслуживания по сравнению с батареями.

Суперконденсаторы хранят энергию в своем электрическом поле, но в случае батарей они используют химические соединения для хранения энергии.Кроме того, благодаря своей способности быстрой зарядки и разрядки, суперконденсаторы постепенно выходят на рынок аккумуляторов. Низкое внутреннее сопротивление с очень высокой эффективностью, отсутствие затрат на техническое обслуживание, более длительный срок службы являются основной причиной его высокого спроса на современном рынке источников питания.

Энергии в конденсаторе

Конденсатор хранит энергии в виде Q = C x V . Q обозначает заряд в кулонах, C - емкость в Фарадах, а V - напряжение в вольтах.Таким образом, если мы увеличим емкость, запасенная энергия Q также увеличится.

Единицей емкости является Фарад (F), который назван в честь М. Фарадея. Фарад - это единица измерения емкости в кулонах / вольт. Если мы скажем конденсатор с 1 Фарадом, то он создаст разность потенциалов в 1 вольт между своими пластинами в зависимости от заряда в 1 кулон.

1 Фарад - это конденсатор с очень большим значением для использования в качестве общего электронного компонента. В электронике, как правило, используется емкость от микрофарада до пикофарада.Микрофарад обозначается как uF (1/1 000 000 Фарад или 10 -6 F), нанофарад - nF (1/1 000 000 000 или 10 -9 F), а Пико Фарад - pF (1/1 000 000 000 000 или 10 -12 F )

Если значение становится намного выше, например, от mF до нескольких Фарад (как правило, <10F), это означает, что конденсатор может удерживать гораздо больше энергии между его пластинами, этот конденсатор называется Ультраконденсатором или Суперконденсатором .

Энергия, запасенная в конденсаторе, равна E = ½ CV 2 Дж.E - накопленная энергия в джоулях, C - емкость в Фараде, а V - разность потенциалов между пластинами.

Строительство Суперконденсатор

Суперконденсатор представляет собой электрохимическое устройство. Интересно, что нет никаких химических реакций, ответственных за сохранение его электрической энергии, они имеют уникальную конструкцию, с большой проводящей пластиной или электродом, которые тесно расположены с очень маленькой площадью поверхности.Его конструкция такая же, как у электролитического конденсатора с жидким или влажным электролитом между электродами. Вы можете узнать о различных типах конденсаторов здесь.

Суперконденсатор действует как электростатическое устройство, хранящее свою электрическую энергию как электрическое поле между проводящими электродами.

Construction of Ultracapactor

Электроды, красные и синие, имеют двустороннее покрытие . Они обычно изготавливаются из графитового углерода в форме углеродных нанотрубок или гелей или специального типа проводящих активированных углей.

Чтобы заблокировать большой поток электронов между электродами и пропускание положительного иона, используется пористая бумажная мембрана. Бумажная мембрана также разделяет электроды. Как видно на изображении выше, пористая бумажная мембрана расположена посередине зеленого цвета. Электроды и бумажный сепаратор пропитаны жидким электролитом. Алюминиевая фольга используется в качестве токосъемника, который устанавливает электрическое соединение.

Разделительная пластина и площадь пластин отвечают за значение емкости конденсатора.Отношение можно обозначить как

Supercapacitor Capacitance

Где Ɛ - диэлектрическая проницаемость материала, присутствующего между пластинами

А - площадь пластины

D - разделение между пластинами

Таким образом, в случае суперконденсатора необходимо увеличить площадь контакта, но есть ограничение. Мы не можем увеличить физическую форму или размер конденсатора. Чтобы преодолеть это ограничение, используются специальные типы электролитов для увеличения проводимости между пластинами, таким образом увеличивая емкость.

Суперконденсаторы также называют двухслойными конденсаторами . За этим стоит причина. Очень небольшое разделение и большая площадь поверхности с помощью специального электролита, поверхностный слой электролитических ионов образуют двойной слой. Он создает две конденсаторные конструкции, по одной на каждом угольном электроде, и называется двухслойным конденсатором.

Эти конструкции имеют недостаток. Напряжение на конденсаторе стало очень низким из-за напряжения разложения электролита.Напряжение сильно зависит от материала электролита, материал может ограничивать емкость накопления электрической энергии конденсатора. Таким образом, из-за низкого напряжения на клеммах суперконденсатор может быть соединен последовательно для хранения электрического заряда на полезном уровне напряжения. Из-за этого суперконденсатор последовательно вырабатывает более высокое напряжение, чем обычно, и параллельно емкость становится больше. Это может быть ясно понято по методике построения массива суперконденсаторов.

Суперконденсаторная Массив

Для накопления заряда при необходимом необходимом напряжении суперконденсаторы должны быть подключены последовательно.А для увеличения емкости они должны быть подключены параллельно.

Давайте посмотрим конструкцию массива суперконденсатора.

Ultracapacitor Array Construction

На приведенном выше изображении напряжение элемента одного элемента или конденсатора обозначено как Cv, в то время как емкость одного элемента обозначено как Cc. Диапазон напряжений суперконденсатора составляет от 1 В до 3 В, соединения серии увеличивают напряжение, а параллельные конденсаторы увеличивают емкость .

Если мы создадим массив, напряжение в серии будет

  Общее напряжение = напряжение ячейки (Cv) x Количество рядов  

И емкость параллельно будет

  Общая емкость = Емкость ячейки (куб. См) x (Количество столбцов / Количество строк)  

Пример

Нам необходимо создать устройство резервного копирования, для чего требуется суперконденсатор 2.5F или суперконденсатор с номиналом 6 В.

Если нам нужно создать массив с использованием конденсаторов 1F с номиналом 3 В, то каков будет размер массива и количество конденсаторов?

  Общее напряжение = Напряжение элемента x Номер строки 
  Тогда номер строки = 6/3 
  Номер строки = 2  

Означает, что два последовательно соединенных конденсатора будут иметь разность потенциалов 6 В.

Теперь емкость

  Общая емкость = емкость элемента x (номер столбца / номер строки) 
  Тогда номер Колумна = (2.5 х 2) / 1  

Итак, нам нужно 2 строки и 5 столбцов.

Давайте построим массив,

5x2 Capacitor array

Общая энергия, хранящаяся в массиве, составляет

Суперконденсаторы

хорошо накапливают энергию и там, где требуется быстрая зарядка или разрядка. Он широко используется в качестве резервных устройств, где требуется резервное питание или быстрая разрядка. Они также используются в принтерах, автомобилях и различных устройствах для питьевой электроники.

,

Информация о суперконденсаторах - Battery University

Узнайте, как суперконденсатор может улучшить батарею.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что он имеет очень высокую емкость. Конденсатор накапливает энергию посредством статического заряда, а не электрохимической реакции. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной пластинах заряжает конденсатор.Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.

Существует три типа конденсаторов, и наиболее основным является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Этот классический конденсатор имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации. Размер варьируется от нескольких пикофарад (pf) до низкого микрофарада (мкФ).

Электролитический конденсатор обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и рассчитывается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада.Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и связывания сигналов. Подобно батарее, электростатическая емкость имеет положительные и отрицательные стороны, которые необходимо соблюдать.

Третий тип - суперконденсатор с номиналом в Фарадах, который в тысячи раз выше, чем электролитический конденсатор. Суперконденсатор используется для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности.

Фарад - это единица измерения емкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867).Один фарад хранит один кулон электрического заряда при подаче одного вольта. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а один пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но не было известных коммерческих приложений. В 1966 году Standard Oil заново открыла эффект двухслойного конденсатора, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов.Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не стала коммерциализировать изобретение и лицензировала его NEC, который в 1978 году продал эту технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера. Лишь в 1990-х годах достижения в области материалов и методов производства привели к повышению производительности и снижению затрат.

Суперконденсатор развился и перешел на аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, в асимметричном электрохимическом двухслойном конденсаторе (AEDLC) используются батарейоподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие нагрузки, которые делятся с аккумулятор.Графеновые электроды обещают усовершенствования суперконденсаторов и батарей, но до таких разработок еще 15 лет.

Было опробовано несколько типов электродов, и наиболее распространенные на сегодняшний день системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на углеродной основе, с органическим электролитом и простым в изготовлении.

Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор может выдерживать высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2.7В. Возможны напряжения 2,8 В и выше, но при уменьшенном сроке службы. Чтобы получить более высокое напряжение, несколько суперконденсаторов соединены последовательно. Последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Струны из более чем трех конденсаторов требуют балансировки напряжения для предотвращения перенапряжения любого элемента. Литий-ионные аккумуляторы имеют одинаковую схему защиты.

Удельная энергия суперконденсатора находится в диапазоне от 1 Вт / кг до 30 Вт / кг, что в 10–50 раз меньше, чем у Li-иона.Кривая разряда является еще одним недостатком. Принимая во внимание, что электрохимическая батарея обеспечивает постоянное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе, уменьшая полезный спектр мощности. (См. BU-501: Основы разрядки.)

Возьмите источник питания 6 В, который может разрядиться до 4,5 В до отключения оборудования. К тому времени, когда суперконденсатор достигает этого порога напряжения, линейный разряд дает только 44% энергии; остальные 56% зарезервированы.Дополнительный DC-DC преобразовать

.

Super Capacitor: Supercap »Электроника Примечания

Суперконденсатор или суперкап - это полезная форма конденсатора очень высокого значения для использования в таких приложениях, как временное удержание питания.


Конденсатор Учебник включает в себя:
Конденсатор использует Типы конденсаторов Электролитический конденсатор Керамический конденсатор Танталовый конденсатор Пленочные конденсаторы Серебряный конденсатор слюды Супер конденсатор SMD конденсатор Технические характеристики и параметры Как купить конденсаторы - советы и подсказки Коды конденсаторов и маркировка Таблица перевода


Суперконденсатор является специализированной формой конденсатора, который предлагает чрезвычайно высокие уровни емкости - иногда до многих фарад.

Суперконденсаторы также могут быть известны как суперкапсайры, ультраконденсаторы, а некоторые типы известны как двухслойные конденсаторы из-за их структуры.

Super capacitor or supercap Супер конденсатор или суперкап

Основы суперконденсаторной технологии

Технология суперконденсаторов отличается от технологии обычного конденсатора. Он должен принять другой подход, чтобы обеспечить достижение сверхвысоких значений емкости.

Существует несколько типов технологий суперкап или конденсаторов, которые могут быть использованы, но наиболее распространенным является двухслойный конденсатор DLC.

В суперконденсаторе DLC используется технология на основе углерода, в которой используется органический электролит. Эта технология проще в изготовлении, чем другие типы, и поэтому она получила более широкое признание.

Как и традиционные конденсаторы, суперконденсаторы имеют две металлические пластины. Эти пластины покрыты активированным углем, который представляет собой губчатый пористый материал. Эти пластины погружены в электролит, который содержит положительные и отрицательные ионы. Одна покрытая углеродом пластина или электрод положительна, а другая отрицательна.Во время зарядки ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием.

Basic supercapacitor double layer capacitor cell Базовый суперконденсаторный двухслойный конденсатор

Когда происходит зарядка, у углеродных электродов есть два слоя заряда, покрывающих их поверхности, и это дает название двухслойным конденсаторам. Расстояние между двумя зарядовыми слоями на электроде чрезвычайно мало, и это означает, что достижимы очень высокие уровни емкости. Кроме того, поскольку на каждом электроде есть слои заряда, фактически суперконденсатор фактически состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, по одному на каждый электрод

.

Существуют два типа двухслойных конденсаторов, являющихся результатом различных механизмов накопления заряда:

  • Электрический двухслойный конденсатор: EDLC накапливает энергию в двухслойном соединении электрод / электролит.В этом типе конденсатора материал электрода, используемый для конструкции ячейки для первого, является в основном углеродным материалом.
  • Электрохимический двухслойный конденсатор или супер / псевдо-конденсатор: Суперконденсатор поддерживает фарадевскую реакцию между электродом и электролитом в подходящем потенциальное окно. В этом типе суперконденсатора материал электрода состоит из оксидов переходных металлов или смесей оксидов углерода и металлов / полимеров

Для обоих типов конденсаторов электролиты могут быть водными или неводными в зависимости от способа изготовления конденсаторной ячейки.

Именно по этой причине суперконденсаторы и двухслойные конденсаторы могут продаваться отдельно под разными названиями. Часто двухслойные конденсаторы не имеют такого высокого уровня емкости.

Применение суперконденсаторов

Очень высокая емкость суперконденсаторов делает их идеальными для различных применений, большинство из которых связаны с источниками питания.

Одно из основных применений - это резервные источники памяти, которые позволяют памяти, которая может зависеть от их источников, сохранять данные, даже если питание отключено.

Они также используются в источниках бесперебойного питания, ИБП, где они способны обеспечивать высокий уровень мощности в течение короткого промежутка времени - достаточного для поддержания работы оборудования до тех пор, пока не вернется вентилятор или не начнется резервное питание.

Суперконденсаторы также начинают использоваться в транспортных средствах для обеспечения возможности пиковой нагрузки источника питания. Они также используются в системах рекуперативного торможения, где они сохраняют энергию, регенерированную во время торможения, для последующего использования.

Сравнение суперконденсаторов и аккумуляторов

Суперконденсатор и некоторые аккумуляторные технологии конкурируют за некоторые приложения. Стоит взглянуть на сравнение между типичным суперконденсатором и литий-ионной аккумуляторной технологией, используемой сегодня. Для сравнения была взята литий-ионная технология, поскольку в настоящее время она широко используется в аккумуляторах самой высокой плотности.

Сравнения сделаны только для приблизительной оценки, и любое решение должно основываться на точных данных, полученных от производителей для рассматриваемых устройств, потому что технологии в обеих областях стремительно развиваются.

От
Сравнение суперконденсатора и литий-ионной батареи
Параметр Суперконденсатор литий-ионный
Напряжение на ячейке 2,3 - 2,7 В 3,6 В
Время зарядки 1 - 10 секунд 10 - 60 минут
Срок службы (циклы зарядки / разрядки) ~ 1 миллион 500 - 3000
Удельная энергия (Вт / кг) ~ 5 100 - 200
Удельная мощность (Вт / кг) до 10 000 1000 - 3000
Поддержание выходного напряжения Плохо хорошо
Безопасность Относительно безопасно при злоупотреблении Менее безопасны и, как известно, взрывались в редких случаях
Стоимость за Вт ~ 20 единиц ~ 1 единица
Срок службы ~ 10 лет ~ 5 лет
Диапазон рабочих температур ~ -40 до + 65 ° C ~ 0 до + 40 ° C
Super capacitor or supercap Супер конденсатор или суперкап

Ограничения на суперкапы

Суперконденсатор или ультраконденсатор широко используется для многих применений, а компоненты доступны от многих поставщиков и дистрибьюторов.Однако есть несколько моментов, которые следует отметить при рассмотрении вопроса о включении одного в новый дизайн:

  • Максимальное напряжение: Максимальное напряжение для ультраконденсаторов. Конденсаторы других типов могут быть изготовлены для работы при высоких напряжениях, но суперконденсаторы, как правило, ограничены рабочими напряжениями в диапазоне 2,5-2,7 В. Их можно изготовить для работы выше 2,8 В, но установлено, что срок службы сокращается.
  • Серия : Для достижения более высоких рабочих напряжений для суперконденсаторов их можно устанавливать последовательно. Это уменьшает общую емкость, как в случае с любыми конденсаторами, установленными последовательно. Кроме того, если необходимо установить более трех конденсаторов последовательно, необходимо реализовать методы балансировки напряжения. Так как токи утечки через конденсаторы, вероятно, будут различными, разделенное напряжение на конденсаторах не будет одинаковым, и один или несколько могут войти в положение перенапряжения.
  • Саморазряд: Саморазряд суперконденсаторов может быть проблемой при некоторых обстоятельствах. Это происходит из-за используемого электролита, и это означает, что накопленная энергия может уменьшиться на 50% или более в течение месяца или около того. Для сравнения: никелевая батарея (NiCd или NiMH) саморазряжается примерно на 10% или более в месяц, а литий-ионная батарея - примерно на 5% в месяц.

Как правило, ограничения для суперкапов не являются серьезной проблемой. Обычно они могут быть преодолены в тех областях, где они представляют проблему, а в некоторых они могут не вызывать никаких проблем.

Конденсатор конденсаторный краткий

В таблице ниже представлены некоторые характерные особенности некоторых из наиболее широко используемых металлических пленочных конденсаторов, которые могут быть приняты во внимание при разработке схем или замене старых компонентов.

Суперконденсатор, Суперкап. Резюме
Параметр Детали
Диапазон значений ~ 0,1 Фарад вверх
Рабочее напряжение Обычно 2.5 - 2,8 В

Больше электронных компонентов:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители РЧ разъемы Клапаны / Трубы батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню компонентов. , ,

.Сравнение и пример использования

суперконденсаторов и аккумуляторов

Существует долгая дискуссия о том, что в будущем суперконденсаторы вытеснят рынок аккумуляторов. Несколько лет назад, когда были выпущены суперконденсаторы, было много шума, и многие ожидали, что он заменит батареи в коммерческих электронных продуктах и ​​даже в электромобилях. Но на самом деле ничего подобного не произошло, потому что и суперконденсаторы, и аккумуляторы полностью отличаются друг от друга и имеют свои собственные приложения.

Интересный факт: Практически все современные контроллеры подушек безопасности питаются от суперконденсаторов благодаря их быстрому отклику на батареи.

По сравнению с батареей Суперконденсатор или Ультраконденсатор является источником энергии высокой плотности или накопителем с большой емкостью в течение короткого промежутка времени. В этой статье мы обсудим суперконденсатор по сравнению с батареей (литий / свинцово-кислотный) по различным параметрам и в заключение приведем пример для инженера, чтобы понять, где можно выбрать суперконденсатор вместо батареи для своих приложений.Если вы новичок в суперконденсаторах, то настоятельно рекомендуем изучить основы суперконденсаторов, прежде чем продолжить.

Плотность мощности

Суперконденсаторы

имеют с высокой удельной мощностью , чем батареи того же номинала. Хотя на рынке существуют различные виды батарей, например, литий-ионные, полимерные и свинцово-кислотные батареи имеют разную удельную мощность, от 1000 Втч на кг до 2000 Втч на кг. Рейтинги также могут сильно различаться в зависимости от производственного процесса.Сравнительная таблица ниже показывает плотность мощности Суперконденсатора и Батареи .

Battery and Super capacitor Power Density

Но для суперконденсатора плотность мощности варьируется от 2500 Втч / кг до 45000 Втч / кг. Это намного больше, чем удельная мощность батарей одинакового номинала.

Из-за высокой плотности мощности суперконденсатор является полезным источником питания , где требуется больший пиковый ток .

Напряжение на ячейке

В различных приложениях входное напряжение часто является важным фактором.Очевидно, что на рынке существуют различные виды регуляторов напряжения, но все же входное напряжение на регуляторе стало важной частью приложения. На рисунке ниже показано выходное напряжение суперконденсатора и батареи для того же количества элементов.

Output Voltage of Super-capacitor and battery

Например, для применения с линейным стабилизатором напряжения, такого как 7812, требуется входное напряжение не менее 15 В. Одноэлементная литиевая батарея обеспечивает 3,2 вольта при низком заряде и 4.2 вольт при максимальном заряде. Поэтому, чтобы компенсировать спецификацию входного напряжения, требуется по крайней мере 5 батарей в последовательном соединении, но суперконденсатор может обеспечить выходное напряжение от 2,5 до 5,5 вольт. Суперконденсаторы имеют высокое напряжение элемента , равное 5,5 В, по сравнению с 3,7 В типичной литиевой батареи. Таким образом, игнорируя другие ограничения суперконденсатора , разработчик схемы может выбрать три 5,5 вольт суперконденсатора последовательно. Над батареей это, несомненно, плюс точка суперконденсаторов в условиях ограниченного пространства или оптимизации затрат для целей.

Эффективность

С точки зрения эффективности, суперконденсаторы на 95% эффективнее , чем батареи, которые на 60-80% эффективны в условиях полной нагрузки. Аккумуляторы при высокой нагрузке рассеивают тепло, что способствует низкой эффективности. Кроме того, температура батареи и другие параметры должны контролироваться во время зарядки и разрядки с использованием системы управления батареями (BMS), тогда как в суперконденсаторах такие системы строгого контроля могут не понадобиться.Эффективность для ультраконденсатора и батареи показана на рисунке ниже. Однако следует отметить, что суперконденсатор также генерирует номинальное тепло во время работы.

Battery and Super-capacitor Efficiency

Многоразовость и срок службы

Срок службы батареи

сильно зависит от циклов зарядки и разрядки. В случае литиевых и свинцово-кислотных батарей время зарядки и разрядки ограничено от 300 до 500 циклов, иногда оно может составлять максимум 1000 раз.Срок службы без зарядки и разрядки литиевых батарей может длиться 7 лет.

Суперконденсатор имеет почти бесконечных циклов зарядки , его можно заряжать и разряжать огромное количество раз; это может быть от 1 лакха до 1 миллиона раз. Срок службы суперконденсатора также высок. Суперконденсатор может работать в течение 10-18 лет , в то время как свинцово-кислотная батарея может работать только около 3-5 лет.

Фактор Напряжения Разряда

Батарея обеспечивает относительно постоянное выходное напряжение.Но выходное напряжение суперконденсатора уменьшается при разряде . Таким образом, при использовании батарей в качестве источника питания можно использовать понижающий или повышающий регулятор в зависимости от требований приложения, но при использовании суперконденсатора широко используется широкополосный повышающий преобразователь для компенсации потери входного напряжения.

Время зарядки

Различные батареи используют разные алгоритмы зарядки. Для зарядки литий-ионных аккумуляторов используются зарядные устройства постоянного напряжения и постоянного тока.Зарядное устройство должно быть специально настроено для определения состояния заряда батареи, а также температуры. Для случая свинцово-кислотных аккумуляторов используется метод подзарядки .

В целом, чтобы зарядить батареи независимо от литий-ионных или свинцово-кислотных аккумуляторов, требуется несколько часов для полной зарядки. Суперконденсатор имеет быстрое время зарядки; требуется очень короткий период времени для получения полной зарядки. Таким образом, для приложений, где требуется время зарядки очень мало, суперконденсаторы определенно выигрывают при той же емкости батарей.

Стоимость

Стоимость является важным параметром для вопросов, связанных с дизайном продукта. Суперконденсаторы - это дорогостоящая альтернатива при использовании вместо батарей. Стоимость иногда становится очень высокой, например, в 10 раз выше по сравнению с той же емкостью батареи.

Факторы риска

Литиевые или свинцово-кислотные батареи требуют особого ухода или внимания в условиях эксплуатации или зарядки.Особенно для литий-ионных аккумуляторов, топология зарядки должна быть сконфигурирована таким образом, чтобы батарею нельзя было перезаряжать или заряжать с большей емкостью тока, чем батарея может фактически принять. Это увеличивает риск взрыва, когда батарея перезаряжена или заряжена сильным током.

Не только в состоянии зарядки, но и в условиях разрядки аккумуляторов также необходимо аккуратно эксплуатировать. Состояние глубокого разряда может привести к повреждению аккумулятора.Поэтому батарею необходимо отсоединить от нагрузки после того, как она достигнут определенного уровня зарядки. Кроме того, короткое замыкание батареи опасная ситуация.

Суперконденсаторы безопаснее батарей с точки зрения вышеуказанных факторов риска. Однако зарядка суперконденсатора с использованием более высокого напряжения, чем его номинальная мощность, потенциально вредна для суперконденсаторов. Но при зарядке более одного конденсатора это может стать сложной работой.

Тематическое исследование

Давайте рассмотрим ситуацию, когда мы хотим зажечь 10 параллельных светодиодов на 1 час. Для этого приложения давайте выясним, как инженеру следует рассмотреть вопрос об использовании суперконденсатора или литиевой батареи?

Давайте предположим, что светодиоды потребляют ток 30 мА при напряжении 2,5 В. Следовательно, мощность 10 светодиодов параллельно будет составлять

2,5 В х 0,03 х 10 =  0,75 Вт  

Теперь, за 1 час использования, который составляет 3600 секунд, требуемая энергия может быть рассчитана как

3600 х 075 =  2700 Джоулей.  

Если мы рассмотрим суперконденсатор 10F 2.5V, он может хранить E = 1 / 2CV 2 , что составляет

½ x 10 x 2,5  2  =  31,25 Джоулей  

Таким образом, необходимо по крайней мере 85 суперконденсаторов параллельно с одинаковым рейтингом. Очевидно, что в этом конкретном приложении батарея будет первым выбором. Но если это приложение превратилось в конкретное приложение, в котором требуется одинаковое количество энергии только в течение 30 секунд, можно выбрать суперконденсатор, так как он может заряжаться очень быстро и может использоваться в течение очень длительного периода времени.

Заключение

Вышеприведенное сравнение проводится только между конкретными батареями (литиевая или свинцовая кислота) с суперконденсаторами. Однако существуют разные батареи с разным химическим составом. С другой стороны, на рынке также имеются различные суперконденсаторы с различным химическим составом, такие как водный электролитический суперконденсатор или суперконденсатор с ионной жидкостью , а также гибридные и органические электролитические суперконденсаторы.Разные композиции имеют разные рабочие характеристики и технические характеристики.

Суперконденсаторы

имеют гораздо больше положительных сторон с точки зрения применения, чем батареи. Но, у этого также есть отрицательные стороны по сравнению с батареями. Таким образом, использование суперконденсаторов очень зависит от типа применения.

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о