Практические аспекты использования плоских «таблеточных» ионисторов на примере устройства звуковой сигнализации отключения напряжения

21 января

Алексей Васильев (г. Москва)

Ионисторы характеризуются такими параметрами, как долговечность, отсутствие «эффекта памяти», надежность, работа в широком температурном диапазоне. Они могут применяться в различных приборах и оборудовании. В качестве примера использования ионистора серии JGA, выпускаемой компанией JB Capacitors, рассмотрим прототипирование устройства звуковой сигнализации отключения напряжения, разберем оптимальные схемы и расчеты для создания макета.

Конденсаторы обладают тем преимуществом, что электрическая энергия хранится в них без преобразования в химическую. Но чтобы такой накопитель имел хоть какое-либо практическое применение, его емкость должна исчисляться как минимум в десятых долях фарада. Столь высокой емкостью обладают электронные компоненты под названием ионисторы.

По принципу работы ионистор представляет собой конденсатор, в котором функцию обкладок выполняет двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.

Широкое распространение получил термин «суперконденсатор» (или «ультраконденсатор»), носящий сугубо маркетинговый характер. Им обозначают любые компоненты, емкость которых составляет не менее 0,1 Ф. Помимо ионисторов, к суперконденсаторам относят и так называемые псевдоконденсаторы, по принципу работы больше похожие на аккумуляторы, поскольку в них электрическая энергия тоже превращается в химическую и обратно.

По сравнению с аккумуляторами, ионисторы обладают такими преимуществами, как:

• Долговечность. Качественный ионистор способен выдержать не менее 500000 циклов заряда-разряда.
• Возможность длительного хранения в разряженном состоянии.
• Полное отсутствие «эффекта памяти». Зачастую под отсутствием данного эффекта у аккумуляторов подразумевается снижение его до малых значений. Например, в инструкции к аппаратуре, питающейся от литиевых аккумуляторов, можно встретить рекомендацию периодически проводить почти полную разрядку источника питания и последующую полную зарядку. В некоторых устройствах для этого даже предусмотрена специальная функция калибровки аккумулятора.
• Работа в широком диапазоне температур.
• Простота реализации зарядного устройства. При зарядке литий-ионного аккумулятора нужно контролировать как минимум три параметра: ток, напряжение и температуру. Для ионистора единственным критерием окончания процесса зарядки является достижение заданного напряжения на электродах.

Тем не менее ионисторы имеют и определенные недостатки, из-за которых они пока не смогли вытеснить аккумуляторы в большинстве применений:

• Плотность хранения энергии как по массе, так и по объему пока меньше чем у многих распространенных типов аккумуляторов.
• В процессе разряда значительно меняется величина напряжения на электродах, что может потребовать добавление в конструкцию стабилизатора напряжения.
• Рабочее напряжение у ионисторов довольно низкое (что далее будет разобрано более подробно).

Параметры и маркировка

Важнейшие параметры, которыми характеризуются ионисторы, являются:

• емкость;
• номинальное напряжение – значение напряжения на обкладках, при котором возможна длительная работа ионистора;
• номинальный ток заряда/разряда – значение тока заряда/разряда, при котором возможна длительная работа ионистора;
• максимальный ток заряда/разряда, при превышении определенного значения которого ионистор может выйти из строя;
• внутреннее сопротивление (ESR), определяемое отдельно по постоянному и переменному току.

Ионистор по конструкции является неполярным прибором, то есть его обкладки одинаковы. Тем не менее на заводе при производстве его заряжают. Менять изначальную полярность заряда не рекомендуется, поскольку это может снизить срок службы устройства и ухудшить его параметры. Некоторые производители, по аналогии с обычными электролитическими конденсаторами, ставят знак «-» на корпусе около соответствующего вывода. Другие же наносят стрелки, указывающие на «минусовой» электрод, тем самым подчеркивая, что полярности у ионистора нет, а есть начальный заряд.

«Таблеточные» ионисторы

Ионисторы наиболее распространенной конструкции – на основе активированного угля – имеют номинальное напряжение около 2,7 В. От такого напряжения напрямую можно питать в лучшем случае часы. Последовательное соединение ионисторов связано с определенными проблемами. Из-за разброса параметров напряжение на некоторых из них может превысить допустимые пределы и вызвать быстрый выход из строя, поэтому их последовательное включение требует добавления в схему балансирующих резисторов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что через резисторы происходит разряд ионисторов. Для их зарядки на 2,7 В обычно используют понижающие преобразователи, а для питания от них нагрузки – повышающие преобразователи напряжения.

В то же время можно подобрать две полностью идентичные ячейки ионистора с номинальным напряжением 2,75 В, соединить их последовательно и сделать общую защитную оболочку. Как результат, получаем ионистор с номинальным напряжением 5,5 В. В диапазон 0…5,5 В попадают широко распространенные значения напряжения питания 3,3 и 5 В. Это позволяет в ряде случаев осуществлять резервное питание управляющих систем, не прибегая к использованию дополнительных преобразователей напряжения. Последовательное соединение трех и более ячеек не практикуется из-за сложности обеспечения полной идентичности их параметров.

Ионисторы с номинальным напряжением 5,5 В (а также 3,6 и 6 В) обычно имеют форму цилиндра с диаметром 15…25 мм и высотой не более 10 мм. За это их часто называют «таблеточными». Номинальный ток заряда/разряда у таких ионисторов обычно не превышает 80 мА, максимальный – 150 мА (конкретное значение зависит от типа изделия). Внутреннее сопротивление по постоянному току обычно составляет 20…100 Ом.

В качестве примера «таблеточных» ионисторов можно рассмотреть серию JGA производства компании JB Capacitors (рисунок 1, таблица 1).

Рис. 1. Внешний вид «таблеточных» ионисторов JB Capacitors

Таблица 1. Основные параметры «таблеточных» ионисторов на 5,5 В производства JB Capacitors

Хранение энергии в конденсаторе

Количество энергии, которое накоплено в конденсаторе, вычисляется по формуле 1:

$$E=\frac{C\cdot U^2}{2},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

• C – емкость конденсатора;
• U – напряжение на его обкладках.

Данное количество энергии конденсатор отдаст в нагрузку при условии его полного разряда до нуля. В реальных условиях конденсатор разряжается до определенного значения напряжения на обкладках, отличного от нулевого. При изменении в процессе разряда напряжения на обкладках от U₁ до U₂ конденсатор отдаст в нагрузку следующее количество энергии (формула 2):

$$\Delta E=\frac{C\cdot U_{1}^2}{2}-\frac{C\cdot U_{2}^2}{2}=C\cdot \frac{\left(U_{1}^2-U_{2}^2 \right)}{2}.\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Отсюда следует, что чем больше разница U₁² – U₂², тем больше энергии может отдать конденсатор в нагрузку. Значение U₁ не должно превышать номинального напряжения ионистора. Кроме этого, U₁ может быть ограничено сверху, чтобы не превышалось максимально допустимое напряжение питания нагрузки.

Схемы включения

Для обеспечения резервного питания производители «таблеточных» ионисторов рекомендуют две основные схемы включения своих изделий. Первая показана на рисунке 2.

Рис. 2. Первая схема включения ионистора

Для простоты рассмотрения предположим, что диоды VD1 и VD2 одинаковы и представляют собой идеальные ключи, полностью открывающиеся, когда падение напряжения на них превышает значение U_d. Если напряжение на входе U_in превышает значение на выходе U_out на величину U_d, то открывается диод VD1 и происходит заряд ионистора C через резистор R. При заряде ионистора напряжение на нем будет стремиться к пределу (формула 3):

$$U_{ch}=U_{in}-U_{d}.\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Сопротивление выбирается таким образом, чтобы при полном разряде ионистора ток в нем не превысил номинального значения I_с (формула 4):

$$R\geq \frac{\left(U_{in}-U_{d} \right)}{I_{c}}-R_{c},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где R_c – внутреннее сопротивление ионистора.

При пропадании напряжения на входе диод VD1 предотвращает разряд ионистора через присоединенные ко входу цепи. Сам ионистор при этом отдает заряд в нагрузку через цепь, состоящую из параллельно включенных резистора R и диода VD2. Падение напряжения на этой цепи определяется по формуле 5:

$$U_{m}=I_{out}\cdot R,\; если\;I_{out}\cdot R < U_{d}$$
$$U_{m}=U_{d},\;если\;I_{out}\cdot R\geq U_{d},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где I_{out – ток в нагрузке.}

На практике это означает, что при наличии напряжения на входных клеммах выходное напряжение можно вычислить по формуле 6:

$$U_{out}=U_{in}-U_{d}.\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Предположим, что ток, потребляемый нагрузкой, не меняется в зависимости от времени или приложенного к ней напряжения. Когда напряжение на входе пропадает, выходное напряжение в момент времени t вычисляется по формуле 7:

$$U_{out}(t)=U_{c}(t)-U_{m},\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

где U_c(t) – напряжение на выводах ионистора в момент времени t, а U_m вычисляется по формуле 5.

Обычно ионистор выбирают таким образом, чтобы для заданного тока нагрузки падение напряжения на его внутреннем сопротивлении было пренебрежительно мало, тогда (формула 8):

$$U_{1}\approx U_{ch}=U_{in}-U_{d}.\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

С тем же допущением можно предположить, что (формула 9):

$$U_{2}\approx U_{out\;min}+U_{m},\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

где U_{out min} – минимальное напряжение питания, при котором подключенное к ионистору устройство сохраняет работоспособность.

Вторая схема показана на рисунке 3.

Рис. 3. Вторая схема включения ионистора

Назначение диода VD1, указанного на рисунке 3, аналогично назначению такого же диода в схеме на рисунке 2. Расчет значения R производится по той же формуле 4.

В процессе зарядки ионистора напряжение на нем будет стремиться к пределу (формула 10):

$$U_{ch}=U_{in}-U_{d}-I_{out}\cdot R.\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Отсюда следует, что (формула 11):

$$U_{1}\approx U_{ch}=U_{in}-U_{d}-I_{out}\cdot R.\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Напряжение на выходе в момент времени t будет всегда равно напряжению на выводах ионистора U_c(t), из чего следует, что (формула 12):

$$U_{2}\approx U_{out\;min}.\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Сравнение двух схем

Несомненным преимуществом первой схемы является то, что при появлении напряжения на входе сразу же появляется напряжение на выходе. При этом, если входное напряжение стабильно, то выходное тоже не меняется во времени. Вторая схема требует некоторого времени после подачи напряжения, чтобы зарядился ионистор, и это является ее недостатком. В том случае, если нагрузка включена постоянно, предпочтение следует отдать первой схеме.

А как соотносятся эти схемы, когда подключенное к ионистору устройство выполняет лишь функции оповещения об аварии электроснабжения (то есть оно должно включаться только при пропадании основного питания)? Тогда во время зарядки ионистора I_out = 0. Подставляя это значение в формулу 11, получаем формулу 13:

$$U_{1}\approx U_{in}-U_{d}.\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Согласно формуле 2, реально накапливаемая ионистором энергия в первой схеме вычисляется по формуле 14:

$$\Delta E_{1}\approx C\cdot \frac{\left(\left(U_{in}-U_{d} \right)^2-\left(U_{out\;min}+U_{m} \right)^2 \right)}{2}.\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

Применительно ко второй схеме, если она питает устройство оповещения об аварии электроснабжения, в ионисторе будет накоплено количество энергии, вычисляемое по формуле 15:

$$\Delta E_{2}\approx C\cdot \frac{\left(\left(U_{in}-U_{d} \right)^2-U_{out\;min}^2 \right)}{2}.\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Отсюда следует, что ΔE₁ < ΔE₂. То есть для питания устройства оповещения об аварии электроснабжения лучше использовать вторую схему. Она обеспечит большее время работы после отключения основного питания при той же емкости ионистора.

Далее рассмотрим практический пример разработки устройства с использованием «таблеточного» ионистора.

Постановка задачи

Устройства, оповещающие о прекращении подачи электроэнергии в сетях 230 В AC представляют собой недорогое решение, позволяющее уменьшить последствия отключений потребителей. Эти приборы используют там, где установка источников бесперебойного питания невозможна или экономически нецелесообразна. Сигнализация, оповещающая об отключении питания, позволяет своевременно принять меры: сначала нужно проверить, не произошло ли отключение в результате ложного срабатывания защитных и дифференциальных автоматов, УЗО или УЗИП в щитке у пользователя. А если подача электроэнергии прекратилась из-за аварии у поставщика, отключить домашние электроприборы согласно рекомендации МЧС во избежание проблем при включении напряжения. Также этот прибор будет полезным для предприятий малого бизнеса и фермерских хозяйств.

Имеющиеся в продаже устройства такого рода обладают двумя недостатками:

• для их питания обычно используются батареи гальванических элементов;
• данные приборы по возвращении напряжения в сети сразу же отключают звуковой сигнал.

Таким образом, часто встречающиеся в электрических сетях кратковременные сбои длительностью не более 5 с эти устройства либо игнорируют, либо подают очень короткий, а потому малозаметный звуковой сигнал.

Автор статьи столкнулся с необходимостью решить реальную проблему: в помещении иногда происходят кратковременные сбои в электропитании. При этом точка доступа Wi-Fi перезагружается, на что ей требуется 2,5 минуты. Расположение точки доступа не позволяет без ущерба для интерьера подключить ее к источнику бесперебойного питания, но это и не нужно, потому что сбои бывают нечасто. Однако хорошо сразу иметь информацию о том, из-за чего пропал доступ в интернет: из-за сбоя в энергоснабжении или из-за проблем у провайдера. При работе за ноутбуком в светлое время суток своевременно обнаружить отключение питания, тем более кратковременное, бывает сложно.

Разработка устройства звуковой сигнализации отключения напряжения

В качестве накопителя энергии для данного прибора был выбран ионистор JB Capacitors JGAV5R5D105Z050B с номинальным напряжением 5,5 В и емкостью 1 Ф. Напряжение питания устройства было выбрано несколько меньше – 5 В. Это связано с тем, что блоки питания на данное напряжение, подключаемые к сети 230 В AC, выпускаются в большом количестве, что обусловило их низкую стоимость. Поэтому в рассматриваемой конструкции оптимально использовать готовый блок питания, нежели собирать его самостоятельно. Он должен выдерживать ток нагрузки до 60 мА. Важно, чтобы это был именно блок питания, а не зарядное устройство.

На рисунке 4 показана принципиальная схема устройства звуковой сигнализации отключения напряжения. Микросхемы DA1 и DA2 – ICM7555IPAZ производства компании Intersil. Они представляют собой вариант таймера 555, выполненный по КМОП-технологии, что обеспечивает низкий потребляемый ток в состоянии покоя и расширенный диапазон питающих напряжений. Звуковой сигнал издает пьезокерамический излучатель BA1 типа TDK PS1720P02, отличающийся высокой энергоэффективностью. При потребляемом токе всего 3 мА звучание этого излучателя хорошо слышно в помещении на расстоянии до 10 м. Помимо отключаемой звуковой, предусмотрена еще и светодиодная сигнализация, которая работает всегда. Если напряжение в сети есть, то горит светодиод VD1. Если напряжения нет, то он не светится

Рис. 4. Принципиальная схема устройства звуковой сигнализации отключения напряжения

Ионистор C3 включен по схеме, представленной на рисунке 3. Максимальное значение тока зарядки определяется сопротивлением R4. Подставив в формулу 4 значения I_c = 0,05А и R_c = 30 Ом, получаем R4 ≥ 56 Ом. Для обеспечения устойчивой работы микросхем в широком диапазоне питающих напряжений параллельно ионистору включены керамический (C2) и электролитический (C1) конденсаторы.

Звуковой излучатель BA1 не имеет встроенного генератора. На микросхеме DA2 собран мультивибратор. Он дает сигнал с частотой около 2000 Гц, являющейся рабочей для TDK PS1720P02. Важная особенность мультивибраторов на таймерах семейства 555: частота генерации не зависит от напряжения питания. Управление осуществляется через вход RESET. Высокий уровень на нем включает генерацию звукового сигнала. При низком уровне на входе RESET генерация выключается, и на выходе OUT устанавливается низкий уровень. Транзистор VT1 работает в ключевом режиме, прерывая ток, поступающий на излучатель BA1. Когда на выходе OUT низкий уровень, транзистор VT1 закрыт и ток через него не протекает.

Микросхема DA1 работает в режиме одновибратора. Когда напряжение на входе TRIG на короткий промежуток времени становится меньше 1/3 напряжения на выводе Vcc, на выходе OUT вырабатывается импульс высокого уровня заданной длительностью T. Значение T определяет продолжительность звукового сигнала при кратковременном отключении питания. При указанных номиналах C4 и R5 имеем T = 30 c. Посредством изменения номинала R5 можно менять значение T. Вычислить номинал резистора при C4 = 1000 мкФ можно по формуле 16:

$$R_{5}=910\cdot T,\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

где сопротивление R5 выражено в омах, а длительность T – в секундах.

В том случае, если электричество отключено надолго, на входе TRIG постоянно будет низкий уровень. Поскольку TRIG имеет приоритет над THR, все это время на выходе 3 будет высокий уровень. В итоге звуковой сигнал, если его не выключить, будет звучать до разряда C3 ниже уровня, при котором его генерация станет невозможной.

Тумблер S1 в замкнутом состоянии отключает звук. При этом подается напряжение высокого уровня на вход RESET, обладающий самым высоким приоритетом. На выходе OUT микросхемы DA1 появляется напряжение низкого уровня, которое прекращает генерацию звукового сигнала.

Если было кратковременное отключение электроэнергии (что можно понять по возобновлению работы светодиода VD1), то тумблер можно сразу вернуть в разомкнутое состояние. На входе TRIG напряжение будет уже больше чем 1/3 Vcc, поэтому генерация не возобновится до следующего отключения питания. При длительном отключении нужно дождаться, пока снова не включат электроэнергию, иначе после размыкания S1 звуковой сигнал зазвучит вновь. Это является дополнительным напоминанием, что отключение энергоснабжения носит длительный характер, и следует принять соответствующие меры.

Сборка и настройка

В качестве светодиода VD1 подойдет любой индикаторный белого свечения в корпусе диаметром 5 или 4,8 мм. Можно использовать аналогичные светодиоды другого цвета, но у них другое прямое напряжение, поэтому потребуется изменить значение R1 таким образом, чтобы через светодиод протекал ток около 5 мА. Диод VD2 – любой кремниевый, VD3 – любой кремниевый, способный выдержать прямой ток до 80 мА. Конденсатор C4 – электролитический, конденсаторы C5, C6 и C7 – керамические. Транзистор VT1 – типа KT503 с любым буквенным индексом.

После прекращения подачи электроэнергии напряжение на выходе блока питания постепенно снижается. Чем выше порог срабатывания, тем более короткие периоды отключения способно обнаружить устройство. Но при этом возрастает вероятность случайных срабатываний. Повысить порог срабатывания можно посредством уменьшения номинала резистора R3.

Результаты испытаний

Испытания макета устройства показали, что с момента отключения питания на длительное время звуковой сигнал звучит на протяжении 36 минут. Срыв генерации происходит при напряжении на выводах ионистора 0,93 В. Фактически сигнализация выполняла свои функции на протяжении 30 мин., пока напряжение на ионисторе не достигло значения 1,1 В. После этого громкость сигнала значительно снижается и его слышно только в непосредственной близости от излучателя.

На нынешнем этапе развития ионисторов их применение наиболее целесообразно для обеспечения кратковременного резервного питания при аварийном отключении электроэнергии. За время, пока суперконденсаторы обеспечивают питание оборудования, оно подаст сигнал об аварии (не обязательно звуковой, это может быть сообщение в проводной или беспроводной сети передачи данных) и/или осуществит корректное завершение работы без потери информации. Здесь важны такие преимущества ионисторов, как надежность и полное отсутствие «эффекта памяти». Не нужно регулярно контролировать состояние накопителей энергии и проводить мероприятия вроде их калибровки. В итоге применение ионисторов вместо аккумуляторов для решения указанных задач позволяет снизить затраты на обслуживание.

Ассортимент суперконденсаторов в каталоге КОМПЭЛ

Возможности КОМПЭЛ по поставке суперконденсаторов не ограничиваются исключительно продукцией JB Capacitors.

На сегодняшний момент идет активное сотрудничество с китайским производителем пассивных компонентов – компанией Fenghua, выпускающей практически все виды и типы суперконденсаторов, включая стандартные и высокотемпературные ячейки на 2,7 и 3 В, модули и сборки на их основе (на 5,5 и 6 В), а также варианты «таблеточного» типа, модели с низким ESR и литий-ионные суперконденсаторы (таблица 2).

Таблица 2. Полный перечень и обзор серий суперконденсаторов Fenghua

Серия	Описание	Рабочее напряжение, В	Диапазон емкости, Ф	Внешний вид	Техническая документация
FH STD Cylindr 2.7V Standard Cylindrical Supercapacitor	Стандартные одиночные ячейки суперконденсаторов в радиальном исполнении с напряжением 2,7 В и температурным диапазоном -40…70°C	2,7	0,5…60
FH HT Cylindr 2.7V High Temperature Cylindrical Supercapacitor	Одиночные ячейки суперконденсаторов в радиальном исполнении на 2,7 В с расширенным температурным диапазоном до 85°C	2,7	0,5…60
FH Low ESR 2.7V Low ESR Cylindrical Supercapacitor	Одиночные ячейки суперконденсаторов в радиальном исполнении с напряжением 2,7 В и низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)	2,7	0,5…10
FH HV Cylindr 3.0V High Voltage Cylindrical Supercapacitor	Одиночные ячейки суперконденсаторов в радиальном исполнении c повышенным рабочим напряжением до 3,0 В	3,0	0,5…60
FH Coin Type 3.6-5.5V Coin-Type Supercapacitor	Семейство одиночных и сдвоенных суперконденсаторов низкой емкости, изготовленных в низкопрофильном исполнении «таблеточного/монетного» типа	3,6…5,5	0,1…5
FH Lithium Ion 3.8-4.2V Lithium-Ion Supercapacitor	Одиночные суперконденсаторы в радиальном исполнении с напряжением 3,8…4,2 В, изготовленные по литий-ионной технологии, позволяющей получить высокое значение емкости при малых габаритах	3,8…4,2	10…1300
FH STD Module 5.5V Standard Module Supercapacitor	Модуль из двух стандартных суперконденсаторов, рассчитанный на рабочее напряжение 5,5 В и представляющий собой сборку из двух ячеек в одном корпусе	5,5	0,33…25
FH HT Module 5.5V High Temperature Module Supercapacitor	Модуль из двух высокотемпературных суперконденсаторов (до 85°C), рассчитанный на рабочее напряжение 5,5 В и представляющий собой сборку из двух ячеек в одном корпусе	5,5	0,33…25
FH HV Module 6.0V High Voltage Module Supercapacitor	Модуль из двух суперконденсаторов повышенного напряжения, рассчитанный на рабочее напряжение 6,0 В и представляющий собой сборку из двух ячеек в одном корпусе	5,5	0,33…15

Дополнительные материалы

1. Суперконденсаторы VINATech для резервного питания RTC
2. Суперконденсаторы VINATECH на 3V и 6V уже доступны со склада
3. VINATech запустил производство экологически чистых литиевых суперконденсаторов VPC