Ионисторы

(от английского Energy Storage Device – энергетическое запо­минающее, накапливающее устрой­ство) или DESK (от немецкого Doppelelektrischeschichtkondensator – конденсатор с двойным электрическим слоем). Небезызвестная Matsushita Electric уже более двадцати лет выпус­кает эти, пользующиеся неуклонно растущим спросом, изделия под наи­менованием Goldcap (дословно – зо­лотая емкость),хотя в России и стра­нах СНГ такие элементы, а также их многочисленные аналоги давно назы­вают ионисторами.

Ионисторам присущи уникальные свойства: высокая удельная емкость, длительность и надежность сохранно­сти заряда. Они могут безотказно функ­ционировать в цепях постоянного и пульсирующего тока в широком диа­пазоне механических и климатических воздействий. Использование этих эле­ментов электронной техники сущест­венно упрощает обработку сигналов инфранизких частот.

Установлено, что ионисторы хоро­ши и в логических устройствах, не тре­бующих быстродействия, и в качестве ячеек памяти, причем отключение пи­тающего напряжения не сказывается на работе такого ЗУ. Благодаря своей большой емкости, ионисторы позво­ляют задерживать сигналы или пода­вать синхронизирующие импульсы в широком временном диапазоне: от долей секунды до дней и даже меся­цев.

Весьма перспективными являются ионисторные компоновки емкостью до 1500 Ф. Области их вероятного ис­пользования в недалеком будущем – электрооборудование грузовиков, ге­лиосистемы, снабжение электроэнер­гией катализаторного отопления.

В основе конструкции наиболее распространенного дискового ионистора – два одинаковых пористых угольных электрода. Они разделены сепаратором из специального мате­риала, пропускающего ионы электро­лита, но в то же время изолирующего электронную составляющую тока. Электроды расположены в герметич­ном металлическом корпусе, состоя­щем из двух частей, изолированных друг от друга резиновым кольцом. Ча­сти корпуса служат и выводами ионистора. Свободное пространство в кор­пусе и поры электродов заполнены электролитом.

Выбор надлежащей рабочей пары «электрод – электролит» предопреде­ляется как взаимной химической инерт­ностью, так и высокой электрической проводимостью исходных материалов. Так, для изготовления электродов в последнее время широко применяют­ся порошок активированного угля, во­локно, сажа и прочие ингредиенты, удельная площадь поверхности кото­рых достигает 1000 — 1500 м2/г. При­чем все они могут использоваться и в чистом виде, и в сочетании с метал­лическим порошком, увеличивающим проводимость электродов.

Электролитом в ионисторе могут быть либо водорастворимые кислоты и щелочи (при этом номинальное напряжение ионисторов Uном равно 0,5 — 0,8 В), либо растворы сложных солей в безводных органических рас­творителях типа пропиленкарбоната (с Uном порядка 2,5 — 2,8 В). Сепара­тором же является специально обра­ботанный пористый полимерный ма­териал, химически стойкий к электро­литу. Предпочтение обычно отдается полиэтилену, полипропилену или поливинилхлориду.

Структура ионистора двуслойная, что и обеспечивает громадную элект­роемкость, доходящую до 2 Ф (а то и более) при диаметре самого элемен­та около 18 мм. Функцию диэлектри­ка, в отличие от обычного конденса­тора, имеющего пару электродов с изолятором между ними, выполняет двойной электрический слой – аналог обкладок, отстоящих друг от друга на расстоянии, чуть ли не равном разме­ру молекул электролита. Процессы разряда и заряда в этом двойном слое на активированных поверхностях про­текают в виде абсорбции и десорб­ции анионов и катионов.

Из рассмотрения таких приборов с двойным электрическим слоем как дальних «родственников» обычных конденсаторов следует, что основны­ми параметрами здесь должны быть электрическая емкость, номинальное напряжение, ток утечки и внутреннее сопротивление постоянному току. Од­нако действительно признанные ха­рактеристики и их измерение у ионис­торов имеют свои особенности.

Конструкция (а), схема замещения при расчетах (б), условное обозначение (в) и упрощенный принцип действия (г) дискового ионистора:

1 – металлический корпус (из двух частей, служащих выводами); 2 – сепаратор; 3 – пористые угольные электроды; 4 – герметизирующее кольцо (резина); электролит, заполняющий свободное пространство в корпусе и поры электродов, не показан.

В частности, номинальное напряже­ние ионистора предопределяется ти­пом используемого электролита. Практически оно также является и максимально допустимым. И все потому что при перенапряжении в по­ристых электродах возможно возник­новение электролиза, а это грозит выходом из строя всего прибора. От­сюда правило: безотказность ионистора гарантируется при условии, чтоU ≤ Uном.

Ионисторам с органическими элек­тролитами свойственно большее, по сравнению с остальными, номиналь­ное напряжение, поэтому они пред­почтительнее для многих радиоэлек­тронных устройств. Но Uном в случае необходимости легко повысить, если соединить ионисторы последователь­но в батарею. Правда, емкость при этом уменьшается. К тому же не ис­ключено, что из-за отклонений (раз­броса) по емкости и внутреннему со­противлению отдельные элементы данной цепи могут оказаться под местным перенапряжением. Однако нежелательных сюрпризов легко из­бежать при соблюдении второго пра­вила: стараться использовать готовые батареи из ионисторов с одинаковы­ми параметрами.

Теперь о внутреннем сопротивле­нии ионистора Rвн. Его величину оп­ределяет электронная проводимость контакта между корпусом и угольным электродом, а также ионная проводи­мость сепаратора и электролита. По­скольку ионисторам приходится чаще всего работать в режимах со сравни­тельно небольшим разрядным током, постольку их внутреннее сопротивле­ние обычно не подлежит строгому кон­тролю. Но когда эти энергоемкие эле­менты используют в качестве резерв­ного источника коротких токовых им­пульсов (например, для срабатывания реле), то Rвн – основной параметр, рассчитываемый (в омах!) по форму­ле: Rвн = U/Iз, где U – напряжение на ионисторе, В; Iз – ток замыкания на нагрузку, А.

Обычно у отечественных приборов типа К58-3, как и у их японского ана­лога DC-2R4D225, внутреннее сопро­тивление не выходит за пределы 10 – 100 Ом. Ионисторам с жидкими элек­тролитами свойственно малое Rвн, поэтому именно они и предпочтитель­нее для аппаратуры, где данный па­раметр должен быть по возможности наименьшим.

Электрическую же емкость опреде­ляют путем разрядки полностью заря­женного ионистора постоянным током (от номинального напряжения до нуля) с последующим расчетом по форму­ле: С = I·t/Uном, где С – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, A; t – время разрядки, с; Uном – номинальное напряжение, В.

При использовании ионисторов как резервных источников питания микро­схем памяти (при очень малом токе нагрузки) в ряду важнейших парамет­ров стоит и I – собственный ток утечки. Величина его зависит от степени чистоты электролита и материа­ла электродов. Особенно вредны при­меси, способные окисляться или вос­станавливаться при напряжении мень­ше номинального. О конкретном Iут судят по остаточному напряжению на данном ионисторе в режиме самораз­рядки.

Наиболее распространенные типы ионисторов отечественного производства и их основ­ные параметры

По причине высокой пористости электродов схема замещения ионистора представляет собой соединен­ные параллельно RC-цепи с различ­ными постоянными времени. Отсю­да и некоторая зависимость емкос­ти от разрядного тока (что присуще, впрочем, и аккумуляторам) и оста­точного напряжения – от времени зарядки.

Среди отечественных ионисторов наибольшую, пожалуй, известность имеют изделия ТОО «Гелион» из Ря­зани. Все они с органическим элект­ролитом. Базовым элементом в этом ряду служит К58-3 с проволочными выводами. Ионистор К58-9а пред­ставляет собой базовый элемент с номинальным напряжением 2,5 В, за­литый снаружи компаундом. Плюсо­вой вывод маркирован черной точкой. Пятивольтный ионистор К58-9б есть не что иное, как батарея из двух, а К58-9в ( с Uном = 6,3 В) из трех базо­вых элементов, соединенных после­довательно.

Корпус у К58-9б пластмассовый, залитый компаундом, в то время как у К58-9в он металлический. Выводы проволочные, жесткие. На корпус на­клеена этикетка, на которой указаны тип прибора, номинал, знак ТОО «Ге­лион» и знак «+» (полярность). Иони­стор К58-9в (аналог DB-5R5D105 фир­мы Elha, Япония)освоен в производ­стве с начала 1997 года.

В принципе, ионистор – неполяр­ный прибор. Но фирмы-производите­ли намеренно выделяют плюсовый вывод для обозначения полярности остаточного напряжения после завод­ской зарядки. Рабочий температурный интервал находится в пределах от ми­нус 25 до плюс 70 °С. Отклонение ем­кости от номинального значения мо­жет составлять от минус 20 до плюс 80 процентов.

Долговечность ионистора суще­ственно зависит от условий эксплуа­тации. В частности, она равна 500 ч при номинальном напряжении и прогреве среды до плюс 70 °С. При U =  0,8Uпюбой температуре в рабочем интервале гарантированная долговечность увеличивается до 5000 ч, а при U = 0,8Uном и темпера­туре окружающей среды не более плюс 40 °С достигает 40 000 ч.

Типовые разрядные характеристи­ки ионисторов на нагрузку с разными значениями сопротивления свиде­тельствуют, что ток саморазрядки у таких приборов незначителен, благо­даря чему напряжение даже через 5000 часов снижается лишь с 2,5 до 1 В. О высоких эксплуатационных ка­чествах ионисторов можно судить и по другим, не менее важным семействам характеристик базового К58-3.

Семейство характеристик, поясняющих эксплуатационные качества типовых ионисторов

Наиболее распространенная схема включения ионистора в качестве ма­ломощного резервного источника электроэнергии содержит минимум радиодеталей. Среди них диод, пре­дотвращающий разрядку ионистора через цепь питания (при Uпит = 0), и последовательно соединенный резис­тор, ограничивающий зарядный ток (для защиты питающей сети от пере­грузки при первоначальном включе­нии). Однако надобность в резисторе отпадает, если источник питания вы­держивает кратковременный ток си­лой 100 — 250 мА.

Весьма перспективно, по мнению специалистов, использование ионисторов в современных телефонах с за­поминанием номеров абонентов. Оно и понятно: для питания микросхем па­мяти во многих существующих аппа­ратах до сих пор применяются диско­вые СЦ, МЦ или им подобные гальва­нические элементы с более чем скромными возможностями для рабо­ты при обесточивании абонентской линии или при отключении телефона от электросети. В то же время два по­следовательно соединенных ионисто­ра К58-9а емкостью по 0,47 Ф позво­ляют в указанных условиях довести время хранения информации в памя­ти даже такого аппарата, как «Элетон-201», до семи суток.

Пожалуй, еще больший эффект дает внедрение ионисторов в телефо­ны с АОН (ОЗУ К537РУ10), где для со­хранения информации при перебоях с питанием от основного источника используются конденсаторы совмест­но со встроенными аварийными эле­ментами питания СЦ21. Применение К58-9б (0,62 Ф; 5 В) вместо конден­сатора защиты электронной памяти позволяет обходиться без прежних элементов питания. Заряженный ионистор обеспечивает сохранность информации в ОЗУ после отключения энергии от основного источника до 30 суток при снижении рабочего напря­жения за это время с 5 до 2,8 В.

А вот еще один пример – настоль­ные электронные часы «Электрони­ка». Ионисторы заменяют в них ре­зервную гальваническую батарею «Крона» или «Корунд». Четыре по­следовательно соединенные К58-9а (Со6щ = 0,5 Ф; Uном = 10 В) с гасящим 10-килоомным резистором, блокиро­ванным при работе на нагрузку дио­дом Д9Д, позволяют часам сохранять правильный ход (правда, без энерго­емкой индикации текущего времени) в течение 16 ч после обесточивания сети.

С ничуть не меньшим успехом мож­но применять ионисторы в таймере видеомагнитофона, телевизора и в другой аналогичной аппаратуре. Ра­зумеется, при этом не требуется ни­какого ухода и замены элементов в течение всего срока службы «конден­саторов с двойным электрическим слоем».

Конечно же, рассмотренные вари­анты устройств не исчерпывают всех возможностей ионисторов. И кому, как не любителям мастерить все своими руками, восполнять этот пробел!

Принципиальная электрическая схема стандартного подключения ионистора (а), а также последова­тельное соединение ионисторов для резервного питания настольных электронных часов (б) и современно­го телефонного аппарата (в)

---

Автор:  Н.Кочетов по материалам журналов Design & Elektronik, Popular Electronics и справочным данным открытой отечественной печати.

Журнал «Моделист-конструктор» № 2, 2001г.