Занимательная электроника

С другой стороны, один из недостатков ионистора – появление в нем лавинных токов утечки при напряжении, превышающем его рабочее напряжение, как правило, 2,5, 5,5 или 6,3 В). Это приводит не только к саморазряду ионистора, но и может стать источником опасности при эксплуатации.

Для получения высоких значений напряжения, необходимых для работы автономной электрической сети, ионисторы можно включить в систему последовательно. При этом общее полученное напряжение будет равно сумме значений напряжения, используемых для этого устройства.

Ионистор не имеет диэлектрического слоя (в отличие от электролитических конденсаторов, где в качестве диэлектрика между обкладками применяется оксид алюминия, а в танталовом – пленка из оксида тантала – за это такие «емкости» и называют «оксидными»). Вместо этого процесс зарядки/разрядке в ионисторе происходит непосредственно в слое ионов, на поверхностях соответственно положительного и отрицательного электродов – физический механизм двойного электрического слоя. Так, под воздействием напряжения на выводах ионистора заряженные частицы (анионы и катионы) движутся к соответствующему электроду и накапливаются на его поверхности. Вместе с зарядом самого электрода это образует «двойной электрический слой».

Скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приведет к его отрицательному заряду, что неизменно вызовет скопление (у его поверхности) положительно заряженных катионов.

Поскольку ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, то электроды получаются окруженными двойным облаком ионов, имеющих противоположные заряды. Поэтому получается необычный плоский, но емкий конденсатор, расстояние между обкладками которого равно лишь радиусу иона. К примеру, для получения электрического поля напряженностью 1 000 000 В на обкладках такого конденсатора достаточно иметь разность потенциалов, равную 1 В.

Для предотвращения проникновения ионов между электродами расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет защитить прибор от внутреннего короткого замыкания.

Таким образом, широко известная сегодня аббревиатура EDLS (electric doublelayer capacitor) и обозначает ионистор как «конденсатор с двойным электрическим слоем.

1.9.2. Достоинства ионисторов

• Очень высокая емкость.

• Низкое внутреннее сопротивление.

• Высокая проводимость.

• Быстрый разряд.

• Длительный срок эксплуатации.

• Практически неограниченное количество циклов разряда.

• Низкая стоимость.

• Простота зарядки.

При этом ионисторы имеют ряд характерных особенностей:

• обладают высокой удельной плотностью энергии (ресурс соизмерим с ресурсом АКБ, в комплекте с которыми используются суперконденсаторы);

• имеют высокий КПД;

• практически не имеют утечки;

• не реагируют на изменение температуры.

Все это делает возможным их перспективное использование в автономных электрических системах, работающих на основе солнечных батарей, использования энергии прилива, а также ветрогенераторов.

Потенциал таких устройств поистине безграничен. Запас энергии и мощность можно рассчитать по формулам:

E = CU²/2 (Дж) и P = U²/4R (Вт),

где С – емкость, Ф; U – напряжение на электродах, В; R – эффективное последовательное сопротивление, Ом.

Внутреннее омическое сопротивление при +25 °C имеет порядок величины 5-15 МОм.

Внутреннее сопротивление R ионистора может быть рассчитано по формуле:

R_вн= U/|_кз,

где R_вн – в Омах; U – напряжение на ионисторе, В; I_кз – ток короткого замыкания, А.

К примеру, для ионистора К58-3 зарубежный аналог DC-2R4D225 – R_вн= 10-100 Ом.

Электрическую емкость ионистора рассчитывают по формуле:

C = I t / U,

где С – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, А; U – номинальное напряжение ионистора, В; t – время разрядки от U_ном до нуля, с.

Или же по формуле:

C = S/d,

где d – толщина двойного электрического слоя (нм, обычно 5-10), а S – общая площадь поверхности электрода, состоящего из активированного угля.

Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы.

Электрод ионистора – по определению – представляет собой совокупность сверхбольшого количества частиц активированного угля, он имеет и огромную площадь поверхности, до 3000 см²/г.

Габариты некоторых ионисторов показаны на рисунках 1.49 и 1.50. К примеру, ионистор 1 Ф на напряжение 5,5 В (модель 1905V) выглядит так, как показано на рисунке 1.49.

Рис. 1.49. Внешний вид зарубежного аналога ионистора К58-3 емкость 1 Ф на напряжение 5,5 В(модель 1905V)

Рис. 1.50. Ионистор К58-9а: внешний вид

Таким же будет и внешний вид ионистора К58-1В 1 Ф на напряжение 6,3 В.

Ионистор К58-9а представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами («+» маркирован черной точкой) – см. внешний вид на рисунке 1.49.

Ионисторы К58-96 и К58-9в (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.